Die erreichte Zerkleinerung und die Form des Haufwerks sind die beiden wichtigsten Ergebnisse einer Tagebausprengung. Schnelle Informationen über die Eigenschaften des gesprengten Haufwerks ermöglichen eine zielgerichtete und effiziente Produktionsplanung und Kenntnisse über die erreichte Zerkleinerung ermöglichen außerdem Anpassungen in der weiteren Zerkleinerungskette. Durch den Einsatz von UAVs (unmanned aerial vehicles) gemeinsam mit modernen Algorithmen aus dem Bereich Computer Vision und des maschinellen Lernens soll eine schnelle Erfassung und Interpretation der Daten bei gleichzeitiger Integration in die herkömmlichen betrieblichen Abläufe ermöglicht werden, und außerdem können Schwächen bodengebundener Systeme hinsichtlich Vollständigkeit und Repräsentativität umgangen werden. Im vorliegenden Beitrag wird einerseits auf den relevanten Stand des Wissens und der Technik eingegangen und andererseits wird die verfolgte Stoßrichtung bei der Systementwicklung dargelegt sowie erste Arbeiten präsentiert. / The fragmentation and the shape of the muck pile are the two major outcomes of open pit mine and quarry blasts. Fast information about the muck pile properties will help to improve the production scheduling and furthermore this information could be used to optimize the blasting patterns of future production blasts. The combined use of unmanned aerial vehicles (UAVs) and modern machine learning and computer vision systems offers a new way of acquiring spatial data to determine on-site fragment size distribution, while at the same time enabling integration into common work flows and mitigating the weaknesses of ground-based systems with special regard to completeness and representativeness. In the present paper, we will discuss the relevant related work, present the planned path for system development and give examples of first work.

Im Ergebnis der Arbeit kann eine Einbeziehung von Haldenerzen anstelle von Tagebauerzen unter Beibehaltung der wirtschaftlichen Kennzahlen wie z. B. Rentabilität und Gewinn durchgeführt werden. Dafür wurden entsprechende Einbeziehungskriterien für das Haldenerz entwickelt. Bei der Einbeziehung wird ein Teil der Tagebaugeräte freigesetzt, welche für den Abbau von zusätzlichem Abraum verwendet werden können. Diese Maßnahme bietet die Möglichkeit des Abbaues von Abraumspitzen und der Kostensteuerung. Letztere sieht eine Erhöhung der Abraumförderung in den Perioden hoher Preise und eine Verringerung bei niedrigeren Preisen vor. Für die Preisänderungen wurden Einbeziehungskriterien entwickelt, die den Kapitalwert bzw. Gewinn maximieren. Dabei wurden die Einbeziehungskriterien so modifiziert, dass eine Stilllegung der Tagebaue während der Einbeziehung vermieden werden kann.

Im Lausitzer Braunkohlerevier wurden eine Vielzahl von Braunkohletagebauen stillgelegt und rekultiviert. In den locker gelagerten und überwiegend aus sandigem Boden bestehenden Kippen kam es im Zuge des Grundwasseranstieges seit ca. 2006 zu einer erheblichen Anzahl von Bodenverflüssigungsereignissen. Diese stellen eine Gefährdung für Personen dar und führten daher zu Sperrungen der Kippenflächen. Das Ziel der Arbeit war es, das Risiko für Personenschäden durch Bodenverflüssigungsereignisse auf Innenkippen des Lausitzer Braunkohlereviers zu ermitteln. Die Ergebnisse bilden eine Möglichkeit, Maßnahmen zur Verbesserung der Sicherheit auf der Kippe angepasst zu planen und damit eine bessere gesellschaftliche Akzeptanz zu erreichen. An Beispielen wird in der Arbeit dargestellt, wie der Grad der Gefährdung von Personen durch unterschiedliche Prozesse ermittelt und dargestellt werden kann. Die einfachen physikalischen bzw. empirischen Zusammenhänge bilden die Grundlage zur Ermittlung des Risikos, das Eintrittswahrscheinlichkeit und Schadensausmaß eines Bodenverflüssigungsereignisses berücksichtigt. Der Prozess der spontanen Bodenverflüssigung auf Kippen wird beschrieben. Es wird herausgearbeitet, dass die Auswirkungen eines Bodenverflüssigungsereignisses wesentlich von der Gestalt der Geländeoberfläche und der Lage des Grundwasserspiegels relativ zur Geländeoberfläche abhängen. Für die Geländemorphologie wird die Maßgeblichkeitszahl als Kenngröße genutzt, um zusammen mit dem Grundwasserflurabstand eine empirische Abhängigkeit der Auswirkungen eines Bodenverflüssigungsereignisses zu begründen. Mit diesen Ergebnissen wird auf Basis eines digitalen Geländemodells und eines Grundwassermodells eine Gefährdungskarte abgeleitet. Durch die räumliche Auswertung der Gefährdungskarte und einer angenommenen Zahl von Personen, die auf der geplanten Nutzung der Kippen beruht, wird das kollektive Risiko für Personenschäden berechnet. In die Berechnung geht auch die Eintrittswahrscheinlichkeit von Bodenverflüssigungsereignissen ein, die tagebaubezogen auf Grundlage von Auswertungen von digitalen Geländemodellen im Zeitraum von 2006 bis 2018 ermittelt wurde. Das ermittelte Risiko durch Bodenverflüssigung wird mit Risiken des Alltags verglichen. Darauf aufbauend wird ein Grenzrisiko vorgeschlagen. Die Ergebnisse werden interpretiert und es wird eine Empfehlung abgegeben, wie mit dem ermittelten Risiko umgegangen werden kann. / In the Lusatian lignite mining area, a large number of opencast lignite mines were closed down and recultivated. In the loosely stored tips, which mainly consist of sandy soil, a considerable number of soil liquefaction events have occurred in the course of the groundwater rise since approx. 2006. These represent a hazard to persons and therefore led to the closure of the tipping areas. The aim of the work was to determine the risk of personal injury caused by soil liquefaction events on inner tips of the Lusatian brown coal mining area. The results provide an opportunity to plan actions to improve safety on the dump and thus achieve better social acceptance. The paper uses examples to illustrate how the degree of risk to people posed by different processes can be determined and represented. The simple physical and empirical correlations form the basis for determining the risk which takes into account the probability of occurrence and the extent of damage of a soil liquefaction event. The process of spontaneous soil liquefaction on tips is described. It is worked out that the effects of a soil liquefaction event depend essentially on the shape of the terrain surface and the position of the groundwater level relative to the terrain surface. For the terrain morphology, the significance number is used as a parameter in order to establish an empirical dependence of the effects of a soil liquefaction event together with the groundwater level. With these results, a hazard map is derived on the basis of a digital terrain model and a groundwater model. By spatial evaluation of the hazard map and an assumed number of persons based on the planned use of the tips, the collective risk of personal injury is calculated. The calculation also includes the probability of soil liquefaction events occurring, which was determined on the basis of evaluations of digital terrain models in the period from 2006 to 2018. The calculated risk from soil liquefaction is compared with everyday risks. Based on this, a limiting risk is proposed. The results are interpreted and a recommendation is given on how to deal with the identified risk.

Im Ergebnis der Arbeit kann eine Einbeziehung von Haldenerzen anstelle von Tagebauerzen unter Beibehaltung der wirtschaftlichen Kennzahlen wie z. B. Rentabilität und Gewinn durchgeführt werden. Dafür wurden entsprechende Einbeziehungskriterien für das Haldenerz entwickelt. Bei der Einbeziehung wird ein Teil der Tagebaugeräte freigesetzt, welche für den Abbau von zusätzlichem Abraum verwendet werden können. Diese Maßnahme bietet die Möglichkeit des Abbaues von Abraumspitzen und der Kostensteuerung. Letztere sieht eine Erhöhung der Abraumförderung in den Perioden hoher Preise und eine Verringerung bei niedrigeren Preisen vor. Für die Preisänderungen wurden Einbeziehungskriterien entwickelt, die den Kapitalwert bzw. Gewinn maximieren. Dabei wurden die Einbeziehungskriterien so modifiziert, dass eine Stilllegung der Tagebaue während der Einbeziehung vermieden werden kann.

Braunkohle ist aktuell immer noch ein wichtiger Rohstoff für die Energieversorgung in Deutschland. Ein großes Abbaugebiet befindet sich in Nordrhein-Westfalen. Im sogenannten rheinischen Braunkohlenrevier liegen mächtige Braunkohleflöze, welche seit einigen Jahrzehnten im Tagebaubetrieb abgebaut werden. Allerdings fallen auch große Mengen an Abraum (die Deckschichten über der Braunkohle) an, welche meist auf der, dem Abbauort, gegenüberliegenden Seite, wieder verkippt werden. Dort bilden die verkippten Massen eine Böschung, die im Fall des Tagebaus Hambach ein Böschungssystem mit über 400m Höhe erreicht hat. Diese sich ständig verändernden Böschungen müssen, wie alle hohen Böschungen, durch Fachpersonal auf ihre Standsicherheit überprüft werden. Für diese Standsicherheitsberechnungen bedarf es Kennwerte, u. a. die undrainierte Scherfestigkeit für die Nachweise der kurzfristigen Standsicherheit, für die vorliegenden verkippten Böden. Diese liegen nach der Verkippung meist heterogen vor und verändern durch eine fortschreitende Konsolidation ihren Zustand. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Bestimmung des Kennwertes der undrainierten Scherfestigkeit in fein- und gemischtkörnigen Böden. Dazu werden zunächst die Klassifikations- und Zustandseigenschaften während der Verkippung der Böden für die in den Tagebauen Inden und Hambach verwendeten Materialklassen vorgestellt. Dabei wird auch auf die Besonderheiten der Böden im Tagebau, wie z.B. die Zustandsänderung während des Transportes oder die vorliegende Heterogenität, eingegangen. Es werden analytische und numerische Prognosemodelle zur Bestimmung der undrainierten Scherfestigkeit vorgestellt. Die Grundlage dieser Modelle bilden die Konsolidationstheorien, mit welchen sich die Zustandsvariablen, wie die Porenzahl oder die effektive Spannungen, berechnen lassen. Über verfügbare Stoffmodelle, wie z.B. das hypoplastische Modell nach Mašín können anhand der Zustandsvariablen die undrainierten Scherfestigkeiten abgeleitet werden. Mit den in dieser Arbeit verwendeten Modellen lassen sich undrainierte Scherfestigkeitskennwerte zu verschiedenen Zeitpunkten prognostizieren, mit denen wiederum z.B. Standsicherheitsberechnungen von Böschungen durchgeführt werden können. Die statistischen Auswertungen der Klassifikationseigenschaften und Zustände erlauben eine Beurteilung von im Tagebaubetrieb häufig verwendeten Kennwerten (z.B. Fließgrenze oder Wassergehalt) und deren Streubreiten innerhalb der Materialklassen. / Lignite was and still is an essential source for producing energy in Germany. One huge extraction site is located in North-Rhine-Westphalia (in between Mönchengladbach, Cologne and Aachen). The so called Rhenish lignite district contains very thick lignite deposits, which are mined in open pit mines since a few decades. There are huge overburdens (on top on the lignite) which are transported and dumped on the opposite to the excavation side. The dumped soil masses create slope systems, that can amount to 400m of height (in open pit mine Hambach). These large slopes undergo permanent changes and have to be assessed considering their safety and stability by specialists. Characteristic properties regarding shear strength of the heterogeneous fine- and mixed grained soils are required for such calculations. The main challenge is the description of the state of the soil, as it is permanently changing due to consolidation. One essential characteristic is the undrained shear strength. The main focus of this thesis is the determination of the undrained shear strength. Therefore, the soil properties are determined with classification tests and the state of the soils at the time of dumping is assessed. The results are categorised using the material classes of the open pit mines Inden and Hambach. The particularities of dumped soils in open pit mines are shown, for instance the change of state during transport or the heterogeneity. Moreover, analytical and numerical models are employed to predict the undrained shear strength. The basis of all these models are consolidation theories, which are applied to determine the state variables such as void ratio and effective stresses. The undrained shear strength can then be predicted by using constitutive models such as the hypoplastic model for clays according Mašín. Using the approach presented in this thesis the undrained shear strength can be predicted and employed for example for slope stability analyses. The statistic evaluation of the soil properties allows a review of the soil characteristics that are typically employed in open pit mining. Furthermore, the scattering of properties of the material classes in the open pit mines can be assessed.

The success of a cement production project depends on the raw material supply. Longterm quarry production planning (LTQPP) is essential to maintain the supply to the cement plant. The quarry manager usually attempts to fulfil the complicated calculations, ensuring a consistent supply of raw materials to the cement plant while guaranteeing technical and operational parameters in mining. Modern quarry management relies on block models and mathematical algorithms integrated into the software to optimize the LTQPP. However, this method is potentially sensitive to geological uncertainty in resource estimation, resulting in the deviation of the supply production of raw materials. More importantly, quarry managers lack the means to deal with these requirements of LTQPP. This research develops a stochastic optimization framework based on the combination of geostatistical simulation, clustering, and optimization techniques to optimize the LTQPP. In this framework, geostatistical simulation techniques aim to model the quarry deposit while capturing the geological uncertainty in resource estimation. The clustering techniques are to aggregate blocks into selective mining cuts that reduce the optimization problem size and generate solutions in a practical timeframe. Optimization techniques were deployed to develop a new mathematical model to minimize the cost of producing the raw mix for the cement plant and mitigate the impact of geological uncertainty on the raw material supply. Matlab programming platform was chosen for implementing the clustering and optimization techniques and creating the software application. A case study of a limestone deposit in Southern Vietnam was carried out to verify the proposed framework and optimization models. Geostatistical simulation is applied to capture and transfer geological uncertainty into the optimization process. The optimization model size decreases significantly using the block clustering techniques and allowing generate solutions in a reasonable timeframe on ordinary computers. By considering mining and blending simultaneously, the optimization model minimizes the additive purchases to meet blending requirements and the amount of material sent to the waste dump. The experiments are also compared with the traditional optimization framework currently used for the deposit. The comparisons show a higher chance of ensuring a consistent supply of raw materials to the cement plant with a lower cost in the proposed framework. These results proved that the proposed framework provides a powerful tool for planners to optimize the LTQPP while securing the raw material supply in cement operations under geological uncertainty.:Title page _ i Declaration_ ii Acknowledgements _ i Publications during candidature_ii Abstract _iii Table of contents _v List of figures_viii List of tables _ xi List of abbreviations _xii Chapter 1 . Introduction _1 1.1 Background _1 1.2 Statement of the problem _2 1.3 Research aims and objectives_ 3 1.4 Scope of research _4 1.5 Research methodology _ 4 1.6 Significance of theresearch_5 1.7 Organization of thesis _6 Chapter 2 . Literature review _ 8 2.1 Introduction _ 8 2.2 Cement raw materials _8 2.3 Cement production process _ 8 2.3.1 Raw material recovery _9 2.3.2 Raw material processing_10 2.4 Impact of raw materials on the cement production process _12 2.5 Quarry planning and optimization _13 2.6 Long-term production planning (LTPP) problem _14 2.6.1 Deterministic approaches to solve the LTPP problem_15 2.6.2 Stochastic approaches for solving the LTPP problem_21 2.7 Conclusion_26 Chapter 3 . A stochastic optimization framework for LTQPP problem_28 3.1 Introduction_28 3.2 Deposit simulation_29 3.2.1 Simulating the rock type domains using SIS_30 3.2.2 Simulating the chemical grades within each domain conditionally to rock type domains, using SGS_30 3.3 Block clustering _31 3.4 The mathematical formulation for the LTQPP problem_32 3.4.1 Notation_34 3.4.2 Mathematical formulation_36 3.5 Numerical modelling_39 3.5.1 Clustering _39 3.5.2 SMIP formulation_41 3.6 Conclusion _47 Chapter 4 . Hierarchical simulation of cement raw material deposit_ 49 4.1 Introduction _49 4.2 Research area _ 50 4.2.1 General description_50 4.2.2. Data set_50 4.3. Application of hierarchical simulation _53 4.3.1 Rock-type simulation _ 53 4.3.2 Grade simulation _60 4.4. Discussion_73 4.5. Conclusion_76 Chapter 5 . Application of the stochastic optimization framework_77 5.1 Introduction_77 5.2 Implementation of KHRA _77 5.3 Implementation of the SMIP model _78 5.3.1 Sensitivity of the penalty cost _80 5.3.2 The effectiveness of the SMIP model _82 5.4 Risk mitigation _85 5.5 Conclusion _87 Chapter 6 . Conclusions and future works _ 89 6.1 Conclusions _89 6.2 Future works _91 References_ 93 Appendix I. Software Application _100 A.I.1 Introduction _100 A.I.2 Input preparation _101 A.I.2.1 Format of block model input _101 A.I.2.2 Import block model input _102 A.I.2.2 Cost assignment _104 A.I.2.3 Size reduction _ 107 A.I.3 Optimization _110 A.I.3.1 Destination _110 A.I.3.2 Production capacity _ 111 A.I.3.3 Additive purchase _ 111 A.I.3.4 Pit slopes _ 111 A.I.3.5 Optimization _ 112 A.I.4 Visualization of optimization results _112

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Die satellitengestützte Radarinterferometrie liefert Informationen zu vertikalen Bodenbewegungen in hoher raum-zeitlicher Auflösung. Moderne Auswerteverfahren in Kombination mit hochauflösenden Sensoren ermöglichen die Anwendung dieser Monitoringmethode auf Tagebaukippen. Die damit verfügbare Datenbasis erlaubt eine flächenhafte Analyse des Setzungsverhaltens der Oberfläche der Tagebaukippe und erweitert damit die bisherige punktartige Betrachtung unter Nutzung von Höhenfestpunkten. Der vorliegende Beitrag demonstriert, wie aus den räumlich verteilten Zeitreihen eine flächenhafte Modellierung des Zeitsetzungsverhaltens von Tagebaukippen erfolgen kann. Dazu werden klassische Modelle des Zeitsetzungsverlaufes auf die Ergebnisse der satellitengestützten Radarinterferometrie angewandt. Im Ergebnis kann geschlussfolgert werden, dass das hier vorgestellte Verfahren eine nahezu rein datengetriebene Prognose von wichtigen Indikatoren, wie z. B. Zeit bis zum Abklingen der Setzung oder zu erwartende maximale Setzung, erlaubt. Weiterhin liefert das Verfahren eine reiche Datengrundlage zur detaillierten Untersuchung weitere Einflussfaktoren auf das Setzungsverhalten von Tagebaukippen.