Eğimli kalın kömür damarlarında göçertmeli uzunayak yöntem verimliliğinin fiziksel modelleme ile araştırılması
Investigation of longwall caving method efficiency in inclined thick coal seams by physical modelling
Yazar: ARİF ÇELİK
Danışman: PROF. DR. YILMAZ ÖZÇELİK
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Maden Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining
Dizin: Fiziksel modelleme = Physical modelling ; Kömür damarları = Coal seams ; Kömür madenciliği = Coal mining ; Uzunayak yöntemi = Longwall method ; Yer altı madenciliği = Underground mining ; Üretim yöntemleri = Production methods

Özet:
Kalın kömür damarlarının üretiminde dünya genelinde yaygın bir şekilde kullanılan göçertmeli uzunayak üretim yöntemleri, eğimli kalın kömür damarlarında damarın eğiminde ve literatürde yatay kesitli tavan kömür göçertmeli üretim yöntemi olarak da adlandırılan damarın yatay kalınlığında ayak oluşturulmasıyla 2 farklı şekilde uygulanmaktadır.

Damarın yatay kalınlığından bir ayak oluşturarak uygulanan göçertmeli uzunayak üretim yönteminde, göçertmeli yöntemlerde en yaygın araştırma yapılan konu olan ayak arkasındaki tavan kömürü kayıplarına ek olarak, ayağın kuyruk kısmının üzerinde bir tavan kömürü kayıp bölgesi daha oluşmaktadır. Bu bölgedeki tavan kömürü kaybı yöntemin verimliliğini önemli ölçüde etkilemesine rağmen, literatürde iki farklı tahkimat ünitesi çekim sırasının bu bölgedeki tavan kömürü kaybına etkisinin 2 boyutlu fiziksel ve sayısal model kullanılarak araştırıldığı çalışma haricinde başka bir çalışmaya rastlanılmamıştır.

Bu nedenle bu tez çalışması kapsamında, göçertmeli uzunayak üretim yöntem verimliliği, çalışma kapsamında geliştirilen ve 2 ve 3 boyutlu olarak kullanılabilen fiziksel bir model ile araştırılmıştır. 

Geliştirilen fiziksel modelin laboratuvar testlerine uygunluğunun testi için ilk olarak Alpagut Dodurga Linyitleri yer altı işletmesinde saha çalışmaları yürütülmüş ve akabinde sahadan elde edilen veriler ile fiziksel model çalıştırılmıştır. Yapılan çalışmalar neticesinde saha verileri ile fiziksel model verileri arasında; tavan kömürü kaybında %93,71, kaya karışım oranında %93,4 ve tavan kömürü akma açısında %93,63 oranında benzerlik tespit edilmiştir. Daha sonra, çalışma kapsamında 7'si 2 boyutlu, 43'ü 3 boyutlu olmak üzere toplamda 50 fiziksel model testi gerçekleştirilmiştir. Yapılan testlerde tavan kömür yüksekliği, kömür damar eğimi ve ayak eğimi parametreleri ile literatürdeki çalışmaya benzer şekilde tahkimat ünitesi çekim sırası değişiminin göçermeli uzunayak üretim yöntem verimliliği üzerindeki etkisi araştırılmıştır. 

5 farklı tavan kömür yüksekliği (4, 6, 8, 10 ve 12m) ve 6 farklı kömür damar eğiminde (32, 38, 45, 52, 60 ve 70°) yapılan testlerde, damar eğimindeki dikleşmeyle azalan tavan kömürü kaybının, tavan kömür yükseklik artışıyla arttığı tespit edilmiştir. 

Yatay ve 10° ayak eğimi ile yapılan testlerde, tavan kömürü kaybında kayda değer bir değişim görülmezken kaya karışım oranının ayak eğimindeki yükselmeyle arttığı tespit edilmiştir.

Tahkimat ünitesi çekim sırası değişiminin yöntem verimliliğine etkisi fiziksel modelde 2 ve 3 boyutlu olarak araştırılmıştır. 2 boyutlu testlerde 7 farklı tahkimat ünitesi çekim sırası kullanılmış, en ideal sonuca sahip 5 numaralı tahkimat ünitesi çekim sırası tasarımı (1-5-9-13-3-7-11-2-4-6-8-10-12-14) ile arazide uygulanan tahkimat ünitesi çekim sırasına kıyasla tavan kömürü kaybında %7,89 (%43,1'den %39,7'ye) ve kaya karışım oranında %44,8 (%46,4'den %25,6'ya) azalma sağlandığı tespit edilmiştir. 2 boyutlu fiziksel model testlerinin akabinde 5 numaralı tasarım, fiziksel modelde 3 boyutlu olarak 3 kez test edilmiş ve arazide uygulanan tahkimat ünitesi çekim sırasına kıyasla tavan kömürü kaybında %22,6 (%12,4'dan %9,6'ya) ve kaya karışım oranında %18,3 (%65,4'den %53,4'ye) azalma sağlandığı tespit edilmiştir.

Abstract:
The longwall top coal caving production methods, which are widely used throughout the world in the production of thick coal seams, are applied in two different ways in the slope of the seam in inclined thick coal seams and by forming a face in the horizontal thickness of the seam, which is also called the horizontal section top coal caving production method in the literature.

In the longwall top coal caving production method, which is applied by forming a face from the horizontal thickness of the seam, in addition to the top coal losses on the back of the face, which is the most widely researched subject in the caving methods, another top coal loss zone is formed above the tail part of the face. Although the top coal loss in this region significantly affects the efficiency of the method, no other study has been found in the literature, except for the study in which the effect of two different support unit drawing sequence on the top coal loss in this region was investigated using a 2D physical and numerical model.

For this reason, within the scope of this thesis, the efficiency of the longwall top coal caving production method was investigated with a physical model developed within the scope of the study and which can be used in 2 and 3 dimensions.

In order to test the suitability of the developed physical model for laboratory tests, firstly, field studies were carried out in Alpagut Dodurga Lignites underground enterprises, and then the physical model was run with the data obtained from the field. As a result of the studies, between the field data and the physical model data; 93.71% of the top coal loss, 93.4% of the rock mix ratio and 93.63% of the top coal flow angle were determined. Then, within the scope of the study, a total of 50 physical model tests were conducted, 7 of which were 2-dimensional and 43 of which were 3-dimensional. In the tests carried out, the effects of the top coal height, coal seam slope and face slope parameters and the change in the drawing sequence of the support unit, similar to the study in the literature, on the efficiency of longwall top coal caving production method were investigated.

In the tests performed at 5 different top coal heights (4, 6, 8, 10 and 12m) and 6 different coal seam slopes (32, 38, 45, 52, 60 and 70°), it was determined that the top coal loss, which decreases with steepening of coal seam slope, increases with an increase in the top coal height.

In horizontal and 10° face slope tests, it was found that the rock mixture ratio increased with an increase in the face slope, while there was no significant change in the top coal loss.

The effect of the change in the drawing sequence of the support unit on the method efficiency was investigated in 2 and 3 dimensions in the physical model. In the 2-dimensional tests, 7 different support unit drawing sequences were used, and it was determined that the most ideal result, the number 5 support unit drawing sequence design (1-5-9-13-3-7-11-2-4-6-8-10-12-14) reduced the top coal loss by 7.89% (from 43,1% to 39,7%) and the rock mixture ratio by 44.8% (from 46,4% to 25,6%) compared to the drawing sequence of the support unit applied in the field. After the 2D physical model tests, the design number 5 was tested 3 times in 3D in the physical model and it was found that there was a 22.6% (from 12.4% to 9.6%) reduction in top coal loss and an 18.3% (from 65.4% to 53.4%) reduction in rock mixture ratio compared to the drawing sequence of the support unit applied on the field.