Yeraltı maden işletmelerinde üç boyutlu jeoteknik ve tahkimat modelleme
Three-dimensional geotechnical and support modelling in underground mining operations
- Tez No: 1024239
- Danışmanlar: DOÇ. DR. CÜNEYT ATİLLA ÖZTÜRK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Maden Mühendisliği ve Madencilik, Mining Engineering and Mining
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Maden Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Yeraltı madencilik tahkimat tasarımı üretim faaliyetlerinin güvenliği ve sürdürülebilirliği açısından kritik öneme sahiptir. Tahkimat tasarımı aşamalarının doğru yürütülebilmesi için kaya kütlesinin mühendislik özellikleri ayrıntılı olarak ortaya konulmalıdır. Özellikle derin yeraltı koşullarında kaya kütlesi, sürekli değişen gerilme ve jeolojik etkenler nedeniyle öngörülmesi güç bir davranış sergilemektedir. Bu nedenle jeoteknik özelliklerin mekânsal dağılımının jeoistatistiksel yöntemlerle modellenmesi gerekmektedir. Bu çalışma temelde iki hedef doğrultusunda yürütülmüştür. Birincisi, yeraltı madenciliğinde artan derinlikle birlikte yoğunlaşan kaya kütlesi belirsizliğini azaltmaktır. İkincisi ise henüz doğrudan etkileşime geçilmemiş bölgelerin jeomekanik yapısının önceden kestirimi yoluyla tahkimat tasarım sürecinin daha öngörülebilir hale getirilmesidir. Bu doğrultuda jeoteknik sondaj verilerinden hareketle üç boyutlu jeoteknik blok model oluşturulmuştur. Bu blok modelden elde edilen Q değerleri doğrultusunda tahkimat tasarımı yapılmıştır. Elde edilen jeoteknik blok model kullanılarak RS3 yazılımında üç boyutlu nümerik analizler yapılmıştır. Çalışma kapsamında, Gümüştaş Madencilik Niğde Bolkar yeraltı polimetalik maden işletmesinde toplam uzunluğu 2566 metre olmak üzere 10 adet jeoteknik sondaj gerçekleştirilmiştir. Sondaj karotları üzerinde yapılan detaylı incelemeler ve analizler sonucunda kaya kütle sınıflama sistemlerinden olan Q, RMR ve GSI değerleri elde edilmiştir. Elde edilen bu veriler jeoteknik veri tabanının oluşturulması için belirlenen bir sistematik doğrultusunda Micromine madencilik yazılımına aktarılmıştır. Veri güvenliğinin kontrolü için detaylı doğrulama işlemleri yapılmıştır. Verilerin mekânsal dağılımının incelenmesi için jeoistatistiksel analizler gerçekleştirilmiştir. İlk olarak Q, RMR ve GSI parametrelerinin veri kalitesinin incelenmesi için keşifsel veri analizi yapılmıştır. Q parametresinin sağa çarpık dağılım sergilediği görülmüş, bu nedenle logaritmik dönüşüm uygulanarak analizler LogQ üzerinden sürdürülmüştür. RMR ve GSI ise normale yakın dağılım gösterdiğinden herhangi bir dönüşüme gerek duyulmamıştır. Keşifsel veri analizinin ardından deneysel variogram hesaplamaları gerçekleştirilmiştir. Kuyu içi, yönsüz ve yönlü olmak üzere üç farklı variogram türü değerlendirilmiş ve her parametre için en iyi korelasyonu sağlayan model seçilmiştir. Yönlü variogram analizleri, kaya kütle özelliklerinin 130--170 m menzil değeriyle mekânsal süreklilik gösterdiğini ortaya koymuştur. Variogram modellerinin güvenilirliğini test etmek için çapraz doğrulama işlemi gerçekleştirilmiştir. Çapraz doğrulama adımı sonucunda gerçek ile tahmin değerleri arasında saçılım grafiği oluşturulmuş ve korelasyon katsayısı elde edilmiştir. LogQ için 0,884, RMR için 0,913 ve GSI için 0,845 korelasyon katsayısı hesaplanmıştır. Bu değerlerin tamamı, jeoteknik kestirimler için kabul edilen 0,80 eşiğini aşarak modelin güvenilirliğini doğrulamıştır. Sıradan kriging yöntemiyle Q, RMR ve GSI parametrelerine ait jeoteknik blok modeller oluşturulmuştur. RMR sınıflamasında blokların yüzde 96'sı, GSI sınıflamasında ise yüzde 93'ü orta ve iyi kalite aralığına girmiştir. Q sisteminin logaritmik ölçeği ve daha ayrıntılı sınıflandırma yapısından kaynaklı dağılım diğer iki sınıflamadan farklı seyretmiştir. Blokların yaklaşık yarısı zayıf ve çok zayıf kategoride yer almıştır. Jeoteknik blok model kullanılarak üç boyutlu tahkimat tasarım modeli oluşturulmuştur. Tahkimat tasarımı Q sistemine ait destek abağına göre yapılmıştır. Çalışma sahasındaki imalat türlerine özgü ESR değerleri belirlenerek model içindeki her blok için tahkimat sınıfı tayini yapılmıştır. Modelde toplam blokların yüzde 81,2'si Sınıf 1'e karşılık gelmektedir. Bu sonuç, sahadaki tahkimat gereksiniminin büyük ölçüde düşük yoğunluklu kategoride kaldığını göstermektedir. Yeraltı maden galerileri RS3 yazılımında sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak üç boyutlu olarak modellenmiştir. Analizler tahkimat öncesi ve tahkimat sonrası olmak üzere iki aşamada yürütülmüştür. Her iki aşamada da yer değiştirme miktarları ve plastikleşme zonu boyutları değerlendirilmiştir. Nümerik analizler için 12 farklı kazı senaryosu oluşturulmuştur. Dört litolojik birimden (Bolkar mermeri, ofiyolit, dayk ve cevher zonu) zayıf, orta ve iyi kaya kütle kalitesini temsil eden galeriler ele alınmıştır. Nümerik analiz çıktılarında tahkimat öncesi ve tahkimat sonrası yer değiştirme ve plastikleşme zonu boyutlarının değişimleri üç boyutlu olarak sunulmuştur. Analiz sonuçları, uygulanan tahkimat sisteminin yer değiştirme miktarları ve plastikleşme zonu boyutlarını belirgin ölçüde azalttığını göstermiştir.
Özet (Çeviri)
In underground mining operations, support design is of critical importance for production safety and sustainability. To ensure that the support design phases are carried out correctly, the engineering properties of the rock mass must be thoroughly characterized. Particularly in deep underground conditions, the rock mass exhibits unpredictable behavior due to constantly changing stresses and geological factors. Geostatistical methods can address this unpredictability by building a three-dimensional block model that captures how the rock mass varies across the site. This study was conducted primarily with two objectives in mind. The first is to reduce the uncertainty in rock mass behavior that becomes more pronounced with increasing depth in underground mining. The second is to make the support design process more predictable by estimating the geomechanical structure of regions that have not yet been excavated. A three-dimensional geotechnical block model was created based on geotechnical drilling data. A support design model based on the Q classification was developed in conjunction with this model. Three-dimensional numerical analyses were performed in the RS3 software using the resulting geotechnical block model. The study area lies within the Bolkar Mountains of Niğde, Ulukışla, on the Toros Platform of south-central Anatolia. The deposit is polymetallic, with active production of lead, zinc, gold and silver. The orebody is hosted by recrystallized limestones of the Koçakkale Formation. Four lithological units occupy the volume relevant to the planned galleries. These are Bolkar marble, ophiolite, dyke and ore zone. Two production methods are in use at the site, cut-and-fill in thin and steeply dipping orebodies and sublevel stoping where the orebody has sufficient thickness and dip. As part of this study, 10 geotechnical boreholes with a total length of 2,566 meters were drilled at the Gümüştaş Mining Niğde Bolkar underground polymetallic mine. Detailed examinations and analyses of the drill core samples yielded the Q, RMR and GSI rock mass classification ratings. These data were transferred to the Micromine mining software in accordance with a systematic approach established for the creation of the geotechnical database. Detailed validation procedures were performed to ensure data integrity. The logged intervals were composited at a 2 m sampling length, which matched the average raw sample interval. The composited dataset contained 1,024 samples. Exploratory data analysis was then carried out to assess the statistical properties of each parameter. The raw Q parameter showed a strongly right-skewed distribution, with a skewness of about 4.52. This skewness arises from the logarithmic scale of the Q system, which is why a logarithmic transformation was applied. The skewness dropped to near -0.90 after the transformation was applied. RMR and GSI behaved more cooperatively from the start. Their mean values came out as 52.92 and 51.79 respectively, both pointing to a fair overall rock mass quality across the project area. LogQ was used in place of Q throughout the spatial analysis. Variogram analysis progressed through downhole, omnidirectional and directional stages. The directional ranges came out at 170 m for LogQ, 130 m for RMR and 140 m for GSI, with principal azimuths of 150°, 0° and 120° respectively. The differences between orientations are not surprising, because each classification emphasizes different aspects of the rock mass. Cross-validation was performed to test the reliability of the variogram models. As a result of the cross-validation step, a scatter plot was created between the observed and predicted values, and the correlation coefficients were obtained. Correlation coefficients of 0.884 for LogQ, 0.913 for RMR, and 0.845 for GSI were calculated. All of these values exceeded the 0.80 threshold accepted for geotechnical predictions, thereby confirming the reliability of the model. Ordinary kriging was used for the estimation. Unlike simple kriging, it does not require a known global mean, and it recomputes the local mean for every estimation point. A search ellipsoid was set up around each estimation point. Its orientation and range were taken from the directional variogram models, and only the 2 m composites that fell inside the ellipsoid contributed to the kriging at that point. The block model was built in Micromine on a 5 × 5 × 5 m grid, sized to match the typical gallery cross-section and the variogram ranges. LogQ, RMR and GSI values were estimated for every block, and LogQ was back-transformed to Q after the kriging. Under the RMR system, 96% of the blocks fell into the fair and good quality range. GSI gave a similar pattern with 93% in the equivalent range. Due to the logarithmic scale and more detailed classification structure of the Q system, the distribution differed from that of the other two classifications. Approximately half of the blocks fell into the poor and very poor categories. RMR and GSI gave the broad character of the rock mass, and Q captured the finer variability that the support design would later need. A three-dimensional support design model was then built on top of the geotechnical block model, based on the Q-system support chart. The chart relates rock mass quality (Q) to the equivalent dimension (De) of the opening, where De equals the maximum gallery span or height divided by the Excavation Support Ratio (ESR). ESR values were assigned by production type, following a modified ESR scheme. Primary openings such as main galleries and ramps received ESR = 1.3, secondary openings such as cross-cuts received 1.6, and short-term production galleries received 3.0. The same source also assigns ESR = 1.0 for Q values below 0.1, regardless of the production type. The galleries were planned at a 5 × 5 m cross-section. De could therefore be computed once for each ESR class, and the corresponding Q thresholds were read directly from the support chart. These thresholds were then written into Micromine as block-level rules. The support model itself used a finer 2 × 2 × 2 m grid rather than the 5 m grid of the geotechnical block model. The smaller blocks let the model follow the actual gallery shape more closely. A 15 × 15 m envelope was scanned around each gallery during support class assignment. The side and roof rock therefore entered the decision alongside the immediate excavation contour. A total of 278,741 blocks intersecting the planned gallery layout received a support class. The largest share of the blocks, around 81.2%, fell into Class 1. Class 3 covered another 10.1%, and Class 4 added a further 7.2%. The site is dominated by light-support conditions, and the heavier classes concentrate in spatially limited zones where the kriged Q value drops sharply. The Q-system support design was then tested under realistic stress conditions through three-dimensional numerical analysis. Empirical methods on their own do not capture the full stress redistribution around an excavation. Numerical analyses were carried out in RS3 (Rocscience), a three-dimensional finite element platform that imports the geotechnical block model directly as material input. GSI, residual GSI and the rock mass deformation modulus were tagged as dynamic parameters so they could vary block by block. The remaining inputs, including UCS, the intact constants mi and residual mi, Poisson's ratio, unit weight and the disturbance factor, were entered as static lithology-specific values. The galleries were modeled at the actual production cross-section of 5 × 5 m, with a 4 m excavation advance equivalent to one blast round. The model boundary was set at ten gallery diameters in the vertical direction and four diameters in each horizontal direction. The in-situ stress field was generated through the gravity method. Gallery depths ranged from 600 to 800 m, with an overburden unit weight of 27 kN/m3. The rock mass was described with the generalized Hoek-Brown criterion at a disturbance factor of D = 0.7. The rock mass deformation modulus was computed dynamically through the Hoek-Diederichs formulation. The applied support combined SS-39 friction rock bolts of 39 mm diameter, 2.4 m length and 100 kN tensile capacity with shotcrete of 28 MPa peak compressive strength. Support elements for each case were selected according to the class drawn from the three-dimensional support model. A total of 12 scenarios were modeled to cover the range of rock mass conditions across the site. Each of the four lithological units (Bolkar marble, ophiolite, dyke and ore zone) appeared at poor, fair and good rock mass quality. Every scenario was simulated in two stages, before support installation and after support installation. Displacements around the gallery and the dimensions of the plastic zone were tracked at both stages. The applied support brought maximum displacements down to acceptable engineering levels in every scenario, and the plastic zone was confined to the immediate gallery wall after support installation. The reductions held even in the poorest rock mass cases, which were the most demanding from a stability standpoint. None of the 12 scenarios required an upgrade beyond the support class proposed by the chart-based design.
Benzer Tezler
- Performance prediction and optimization of raise boring machines (RBMs)
Başyukarı delme makinelerinin (BDM) performanslarının tahmini ve optimizasyonu
AYDIN SHATERPOUR MAMAGHANI
Doktora
İngilizce
2022
Maden Mühendisliği ve Madencilikİstanbul Teknik ÜniversitesiMaden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HANİFİ ÇOPUR
- Maden imalat haritalarının sayısallaştırılması ve etkin kullanım imkanlarının araştırılması
A study on the use of digitized coal mine plans for underground modeling, provisory and product planning
HAKAN ŞAHİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2003
Jeodezi ve FotogrametriZonguldak Karaelmas ÜniversitesiJeodezi ve Fotogrametri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞENOL KUŞÇU
- Bir yer altı metal madeninde hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemi ile havalandırma analizi ve değerlendirmesi
Ventilation analysis and assesment in an underground metal mine using the computational fluid dynamics method
YAVUZ AYDEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Maden Mühendisliği ve MadencilikHacettepe ÜniversitesiMaden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜZİN GÜLSEV UYAR AKSOY
- Burdur ili mermer sektörünün kurumsal ve ekonomik yapısı
İnstitutional and economic structure of marble sector in burdur
AHMET SARITAŞ
- Siirt Madenköy Bakır İşletmesinin üç boyutlu olarak modellenmesi
3D modelling of Siirt Madenköy copper mine
EREN KADİR KISA
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Maden Mühendisliği ve Madencilikİstanbul Teknik ÜniversitesiMaden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CENGİZ KUZU