Bazı açık maden işletmelerinde partikül madde salınım ölçümü ve değişiminin meteorolojik koşullar, malzeme ve iş makinesi özellikleri ile modellenmesi
Particulate matter emission measurement and modeling of variation in some surface mines with meteorological conditions, material and heavy mining equipment properties
Yazar: ZEKERİYA DURAN
Danışman: PROF. DR. BÜLENT ERDEM
Sivas Cumhuriyet Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining
Dizin: Açık ocak madenciliği = Open pit mining ; Delme = Drilling ; Partiküler maddeler = Particulate matters ; Regresyon modelleri = Regression models ; Termal konfor = Thermal comfort ; Veri madenciliği = Data mining ; Yükleme = Charge ; Çok değişkenli istatistik = Multivariate statistic

Özet:
Bu doktora tez çalışması kapsamında, Sivas ilinde bulunan bir alçıtaşı ve iki kalker işletmesinde delme, yükleme ve taşıma faaliyetleri sırasında açığa çıkan ve özellikle insan sağlığı için risk teşkil eden PM (TAPM, PM10, PM2,5 ve PM1) ve eş zamanlı olarak termal konfor parametrelerinin (hava sıcaklığı, çiğ noktası sıcaklığı, yan rüzgâr, karşı rüzgâr/kuyruk rüzgârı, bağıl nem, istasyon basıncı ve rüzgâr hızı) ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Ölçümler yapılırken çalışma koşullarındaki malzemenin özelliklerini temsil eden numuneler (~5 dak/numune) alınmış olup laboratuvarda nem ile silt+kil analizleri yapılmış ve makine özellikleri de kayıt altına alınmıştır. Yapılan çalışma ile atmosferik ve meteorolojik koşulların, ekipman ve malzeme özelliklerinin PM salınımı üzerindeki etkileri araştırılmıştır.
Bağımlı değişken olarak alınan PM salınımı ile atmosferik koşullar, malzeme ve ekipman özelliklerinden oluşan bağımsız değişken grupları arasında istatistiksel olarak anlamlı bir ilişkinin olası varlığı ve PM salınım kestirim denklemlerinin oluşturulması için iki farklı istatistiksel analiz paketinden (SPSS ve WEKA) faydalanılmış ve sonuçları yorumlanmıştır. İlk aşamada bir istatistiksel analiz paketi yardımıyla delme, yükleme ve taşıma faaliyetlerinden kaydedilen ham verilerin normal dağılıma uygunlukları test edilmiş ve tüm ham (TAPM, PM10, PM2,5 ve PM1) veri setlerinin çoğunlukla normal dağılıma uymadıkları görülmüştür. Bu nedenle ham veri setleri doğal logaritma (ln), logaritma (log), tersi (1/ham) ve bölümü (ham/1000) alınarak dönüştürülmüş ve oluşturulan yeni veri setlerinin normal dağılıma uygunlukları test edilmiştir. Normal dağılıma uygunluk sağlayan veriler, bu istatistiksel paket yardımıyla üç farklı yöntemle (toplu giriş, aşamalı ve ileriye doğru seçim) regresyon analizleri yapılmıştır. Delme, yükleme ve taşıma faaliyeti için yapılan doğrusal regresyon modelleri incelendiğinde, düzeltilmiş belirlilik katsayısının düşük olduğu (R²≤%45) görülmüştür.
İkinci aşamada, modelleri daha iyi yansıtacak M5P karar ağacı algoritması kullanılmıştır. Karar ağacı algoritmasıyla her bir PM (TAPM, PM10, PM2,5 ve PM1) boyutu için birbirinden bağımsız olarak salınım tahmin formülleri türetilmiş ve modellerin açıklama kapasitesini yansıtabilecek düzeyde yüksek düzeltilmiş belirlilik katsayıları elde edilmiştir. Regresyon analiz sonuçlarına göre; maden işletmelerinde benzer faaliyetlerdeki PM salınımlarına etki eden parametrelerin benzer olduğu, ancak salınım değerlerinin çok fazla değişim göstermiş olduğu belirlenmiştir.
Alçıtaşı ve kalker işletmelerinde delme, yükleme ve taşıma faaliyetleri sırasında ölçümü yapılan TAPM, PM10, PM2,5 ve PM1 salınımlarının kapsayıcı olan birisini kullanarak diğerlerini kestirebilmek amacıyla regresyon modelleri hazırlanmıştır. Yapılan ölçüm ve değerlendirmeler ışığında madencilik faaliyetlerinden salınan PM miktarı; maden sahasının bulunduğu bölgeye özgü meteorolojik koşullar (hava sıcaklığı, bağıl nem, çiğ noktası sıcaklığı, rüzgâr hızı "karşı ve yan rüzgâr hızları dâhil", istasyon basıncı gibi), ekipman özellikleri (yükleyici kova hacmi, kamyon kütlesi, kamyon hızı, kamyon teker sayısı gibi) ve çalışma yapılan bölgedeki malzemenin nem ile silt+kil içeriklerine bağlı olarak değişmiştir. Ölçüm yapılan işletmelerdeki PM salınımları dikkate alındığında, en yüksek PM salınım değerleri delik delme sırasında gerçekleşmiş, bunu taşıma ve yükleme faaliyetleri takip etmiştir. Ancak, taşıma sırasında yolun sulanması özellikle TAPM ve PM10 salınım değerlerini önemli oranlarda düşürdüğü, PM2,5 ve PM1 salınım değerlerini çok fazla etkilemediği görülmüştür.

Abstract:
Particle matter (TSP, PM10, PM2.5 and PM1) emission during drilling, loading, and hauling operations, which may pose a risk to human health, and thermal comfort parameters (air temperature, dew point temperature, crosswind, headwind/tailwind, relative humidity, station pressure and wind speed) measurements were carried out in a gypsum and two limestone quarries in Sivas province as part of this doctoral thesis. While the measurements were being taken, samples were collected (5 min/sample) to represent the properties of the dust-producing material. Moisture and silt+clay content analyses were performed in the laboratory, and the heavy mining equipment's characteristics were recorded. The aim of this study was to investigate the effects of atmospheric and meteorological conditions, mining equipment and material properties on PM emission.
The results were interpreted for the potential existence of a statistically significant relationship between the PM emission, which was taken as the dependent variable, and the independent variable groups consisting of atmospheric conditions, material and equipment properties, and to establish the PM emission estimation equations. Two different statistical analysis packages (SPSS and WEKA) were utilized. The raw data recorded from drilling, loading, and hauling operations were tested for normal distribution using a statistical analysis package in the first stage. None of the raw data sets (TAPM, PM10, PM2.5, and PM1) fit the normal distribution. Then, raw data sets were transformed using the natural logarithm (ln), logarithm (log), inverse (1/raw), and quotient (raw/1000), and their normal distribution conformity was tested. Regression analyses were performed on these data sets using three different methods (enter, stepwise selection and forward selection). For drilling, loading, and hauling operations, the adjusted coefficients of determination were low (R²≤%45).
The M5P decision tree method was applied in the second stage to more accurately reflect the models. The decision tree approach was used to create independent emission estimating equations for each PM (TSP, PM10, PM2,5 and PM1) size, and it was discovered that the adjusted coefficients of determination were at a level to reflect the models. The regression analysis results showed that the parameters affecting PM emissions in similar mining operations were similar, but the emission values varied greatly.
In order to estimate the TSP, PM10, PM2.5 and PM1 emissions from drilling, loading, and hauling operations in gypsum and limestone operations, regression models have been created utilizing an inclusive PM emission. The amount of PM released from mining activities varies depending on the meteorological conditions (air temperature, relative humidity, dew point temperature, wind speed including tailwind and crosswind speeds, station pressure, etc.) specific to the region where the mining site is located, the features of the equipment (truck mass, speed, number of wheels, loader bucket volume, etc.), and the humidity and silt+clay content of the material in the study area. Considering the PM emission in mine sites, the highest PM emission values were observed during drilling, followed by hauling and then loading operations. It has been discovered that watering haul roads significantly reduces TSP and PM10 emissions while having little effect on PM2.5 and PM1.