Kaya tuzuna ait kısa ve uzun dönemli mekanik özelliklerin belirlenmesi ve matematiksel modellenmesi
Determining short and long term mechanical properties and mathematical modelling of rock salt
Yazar: HAKAN ÖZŞEN
Danışman: PROF. DR. CEM ŞENSÖĞÜT ; YRD. DOÇ. İHSAN ÖZKAN
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2009
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining
Dizin: Kaya mekaniği = Rock mechanics ; Kaya tuzu = Rock salt ; Matematiksel modelleme = Mathematical modelling ; Sünme deneyleri = Creep test

Özet:
Oda-topuk madenciliği bir yeraltı maden işletme yöntemidir. Bu yöntem, yeraltı kaya tuzu madenciliğinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Çankırı ve Nevşehir-Gülşehir kaya tuzu maden işletmeleri oda-topuk madenciliğine en iyi örneklerdir. Ancak kaya tuzuna ait mekanik özellikler yeterince çalışılmadığı için uygun topuk boyutları tecrübe ile belirlenebilmektedir. Bununla birlikte kalın tuz oluşumunun gözlendiği Çankırı ve Nevşehir-Gülşehir tuz sahaları ülkemiz için Sultanhanı tuz domlarından sonra en önemli depolama sahaları olarak görülmektedir. Bu iki tuz sahası için tasarım çalışmalarında kullanılmak üzere gerekli veri tabanının hazırlanması amacıyla her iki sahadan ayrı ayrı yaklaşık 30'ar kaya tuzu bloğu Selçuk Üniversitesi-Maden Mühendisliği Bölüm laboratuarına nakil edilmiş, bloklardan temin edilen numuneler üzerinde tek eksenli basınç dayanımı, dolaylı çekme dayanımı, tek eksenli deformabilite, üç eksenli basınç dayanımı, nokta yükleme indeks dayanımı, Schmidt sertlik deneyi, yoğunluk-gözeneklilik belirleme deneyleri gerçekleştirilmiştir. Ayrıca uzun dönemli sünme deneyleri için kritik boyut belirleme deneyleri gerçekleştirilmiş ve en uygun numune boyutunun (Boy/Çap, H/D) 2, çap değerinin (D) ise 93 mm olması gerektiği belirlenmiştir. Sünme deneylerinde Nevşehir-Gülşehir numuneleri üzerinde sırasıyla 80, 100, 120, 130, 140 ve 160 kN'luk sabit yükler uygulanırken, Çankırı numuneleri üzerinde 80, 90, 95, 100 ve 115 kN'luk sabit yükler uygulanmıştır. Sünme deneylerinin en kısa süreli olanları yaklaşık 1 saat sürerken 2 yıldır halen devam eden deneyler söz konusudur. Sünme deneyleri yardımıyla sünme davranışını modelleyen bir matematiksel eşitlik geliştirilmiş ve buna bağlı tasarım verileri belirlenmiştir. Matemetiksel model yardımıyla herhangi bir sabit yük değeri için sanal sünme davranışı deney yapmadan belirlenebilecektir. Matematiksel modelden Nevşehir-Gülşehir kaya tuzunda yenilme oluşmaması için en uygun sabit sünme yükünün P ? 69,1 kN (?s ? 10,2 MPa), Çankırı kaya tuzu için P ? 62,5 kN (?s ? 9,2 MPa) olması gerektiği belirlenmiştir. Bu sabit yük değerlerinde 1. ve 2. sünme aşamaları oluşacak ancak hiç bir zaman 3. sünme aşaması oluşmayacaktır. Bu koşul uzun dönemli güvenli tasarım verisi olarak kabul edilmiştir. Her iki kaya tuzu sahası için belirlenen bu değerler (?s ? 10,2 MPa ve ?s ? 9,2 MPa) PHASE2 sonlu elemanlar yazılımında kullanılmış ve topuk tasarımı yapılmıştır. Sayısal çözümleme sonuçlarına göre Çankırı maden ocağında güvenli topuk yüksekliği ve genişliği oranı (H/W) 1,5'den büyük olmamalıdır. Halen kullanılan H/W oranı 0,786 olduğu dikkate alınırsa güvenlik katsayısının yaklaşık 2 olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
Room and pillar mining is an underground mining method which is being used widely in underground rock salt mining. Çankırı and Nevşehir-Gülşehir rock salt mines are the best examples of room and pillar mining. Because there are insufficient studies on mechanic properties of rack salt, the suitable pillar dimensions can be determined by experience. Besides of this, Çankırı and Nevşehir-Gülşehir salt areas, in which thick salt formations are seen, are the most important storage areas after the Sultanhanı salt domes. For the purpose of preparing a database which will be used in the design studies, salt blocks were transported from these two salt areas as 30 blocks were prepared from these blocks and subjected to the uniaxial compressive strength, indirect tensile strength, strain-stress test, three-axial compressive strength, point load strength test, Schmidt hardness test and density- porosity determination tests. Also, critical size determination tests were conducted for long period creep tests and the most suitable sample size (Height/Diameter, H/D) and diameter (D) were determined as 2 and 93 mm respectively. Samples with H/D ratio equals to 2 and Diameter (D) equals to 93 mm were formed to be used in creep tests. In the experiments, Nevşehir-Gülşehir samples were subjected to the constant loads which are 80, 100, 120, 130, 140 and 160 kN respectively while load with 80, 90, 95, 100 and 115 kN were applied to the Çankırı samples. In addition to the experiments that ended in 1 hour, there are experiments which are still being conducted for 2 years. A mathematical equality was developed by using the database formed from the creep tests and design parameters were determined in relation to this equality. It will be possible to determine any virtual creep behavior without conducting an experiment by the aid of this mathematical model. From the mathematical model in concern, it was determined that the most suitable constant creep load for Nevşehir-Gülşehir should be P?69.1 kN (?s ? 10,1 MPa) and P?62.56kN (?s ? 9,2 MPa) for Çankırı rock salt. First and second creep phases would be formed in these constant load values however the third creep phase will never be observed. This condition is taken as the confidence design data. These determined values for two rock salt areas (?s ? 10,1 MPa and ?s ? 9,2 MPa) are used in the PHASE2 program to conduct numerical analysis studies to conduct pillar design for the room-pillar mining method. According to the numerical analyses, the confidential ratio of hell height to the width (H/W) should not be bigger than 1.5 for the Çankırı mine. Currently, this H/W ratio is used as 0,786 in that mine and the confidence coefficient for this value is calculated as 2.