Konya şehir merkezinin kuzey batısında yeralan kireçtaşlarının kesilebilirliği
Cuttability of limestone strata at north-west of Konya city
Yazar: ARİF EMRE DURSUN
Danışman: PROF. DR. MEHMET KEMAL GÖKAY
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2012
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining

Özet:
Son yıllarda ülkemizde madencilik ve inşaat amaçlı kilometrelerce uzunlukta galeri/tünel açılmaktadır. Şehirleşmenin hızla artmasıyla hem ulaşım hem de alt yapı amaçlı tünellere ihtiyaç artmıştır. Bu tünellerin hızlı ve güvenli bir şekilde açılması gerekmektedir. Madencilikte ise yeryüzüne yakın maden kaynaklarının azalması ve çevre ile ilgili kısıtlamalardan dolayı üreticiler hızla yeraltı madenciliğine yönlenmektedir. Bu durumda yeraltı işletmeciliğinde üretime erken başlamak için galeri açma işleminin hızlı olması istenmektedir. Bu istek, kazı işleminde mekanize yöntemlerini daha fazla tercih edilir duruma getirmiştir.Mekanize kazı sistemlerinde kazı performansının güvenli bir şekilde kestirimi çok önemlidir. Kazı performansının kestirimi; teknik, ekonomik olarak uygulanabilirliğin ve kazı hızlarının kestirimi olarak tanımlanabilir ve kazı işlerinin ekonomikliğini hayati derecede etkilemektedir. Bu kestirim mekanize kazı sistemlerinde kullanılacak makinelerin seçimini kayaç özelliklerine uygun olarak yapılmasını ve bu tür makinelerin verimli çalışmasını sağlamaktadır. Bu durum mekanize kazıyı diğer kazı sistemlerine göre daha avantajlı duruma getirmektedir.Doktora araştırmasını içeren bu çalışma Konya bölgesi ve civarından temin edilen kayaçların kesilebilirlik özelliklerini belirmek için yapılmıştır. Bu amaçla Konya bölgesi ve civarından temin edilen 24 çeşit kayaç numunesi üzerinde kesme ve kaya mekaniği deneyleri yapılmıştır. Bu araştırmanın ana içeriğini; kesme deney setinin oluşturulması, laboratuar çalışmaları ve spesifik enerji tahmin modellerinin oluşturulması teşkil etmektedir. Araştırmada kullanılmak üzere özel olarak düzenlenen ?Kesme deney seti (planya makinesi)?; yük hücreleri, akım-gerilim dönüştürücüler, motor hız kontrol sistemi, sinyal dönüştürücüler ve veri toplama kartı gibi mekanik ve elektronik donanımlardan oluşmaktadır. Bu kaya kesme deney seti sayesinde buna benzer daha önce yapılan benzer çalışmalardan farklı olarak spesifik enerji değeri iki farklı yöntemle hesaplanmıştır. Bu yöntemler kesme kuvvetinden hareketle hesaplanan mekaniksel spesifik enerji değeri ile akım ve gerilim değerlerinden hareketle hesaplanan elektriksel spesifik enerji değeridir.Laboratuar çalışmaları kaya mekaniği deneyleri ile kesme deneylerinden oluşmaktadır. Kayaçların fiziksel ve mekanik özelliklerini belirlemek için yoğunluk, tek eksenli basınç, sonik hız, schmidt çekici, nokta yükleme, brazilian ve kırılganlık gibi kaya mekaniği deneyleri yapılarak kesilebilirlik deneylerinde kullanılacak kayaçların mekanik değerleri belirlenmiştir. Yapılan kaya mekaniği deneyleri sonucunda ele alınan kayaçların yoğunluk değerleri 1,43 - 2,77 g/cm3, tek eksenli basınç dayanımları 4,44 - 80,73 MPa, P dalga hızları 1,88 - 6,58 km/sn, Schmidt çekici sertlik değerleri 25,95 - 80,26, nokta yükleme dayanımları 0,76 - 6,95 MPa, dolaylı çekme dayanımları 1,05 - 6,88 MPa ve kırılganlık değerleri % 57,64 - 89,14 arasında değişmektedir.Kesme deneylerinde küçük boyutlu doğrusal kazı seti kullanılarak kesme deneyleri yapılmış ve birim hacimdeki kayayı kesmek için gereken spesifik enerji değeri hesaplanmıştır. Kesme deneyleri değişik keskiler arası mesafe (s) ve 2 mm kesme derinliği (d) uygulanarak yapılmıştır. Optimum spesifik enerji değerleri ise s/d'nin belli değerlerinden bulunur. Bu değer mekanik kazıcıların perfomans tahmininde kullanılır. Kesme esnasında yük hücreleri kesme kuvvetini, akım-gerilim dönüştürücülerde akım ve gerilim değerlerini ölçmekte bu değerler veri toplama kartı ve Matlab programı vasıtasıyla bilgisayara kaydedilerek yardımsız ve optimum s/d'deki elektriksel ve mekaniksel spesifik enerji değerleri hesaplanmıştır. Yardımsız kesme deneyleri sonucunda ele alınan kayaçların mekaniksel spesifik enerji değerleri 5,68 - 63,45 MJ/m3, elektriksel spesifik enerji değerlerleri 8,22 - 60,13 MJ/m3 arasında değişmektedir. Optimum s/d'deki mekaniksel spesifik enerji değerleri 5,41 - 61,37 MJ/m3, elektriksel spesifik enerji değerleri ise 7,49 - 56,27 MJ/m3 arasında değişmektedir.Spesifik enerji tahmini için kayaç özellikleri, elektriksel ve mekaniksel spesifik enerji değerleri, akım-gerilim değerleri, kesme esnasındaki güç değerleri kullanılmış, istatistiksel ve yapay sinir ağları analiz yöntemleri ile çeşitli tahmin modelleri geliştirilmiştir. Bu tahmin modelleri, uygulayıcı mühendisler tarafından spesifik enerjiye en kolay ve ucuz bir şekilde ulaşılabilecek parametrelerden seçilerek geliştirilmiştir. İstatistiksel modeller kayaç özelikleri kullanılarak SPSS 15.0 istatistiksel paket programı ile ikili ve çoklu regresyon analizi yapılarak geliştirilmiştir. Yapay sinir ağları uygulamasında ise kayaç özellikleri ile kesme sonuçlarından elde edilen kesme kuvveti, akım-gerilim değerleri, güç değerleri gibi birçok parametre kullanılarak modeller geliştirilmiştir. Ayrıca bazı araştırmacıların önerdiği performans tahmin yöntemleri kullanılarak ilgili kayaçlarda açılacak bir tünelde yapılabilecek mekanize kazı işleminin performans değerlendirilmesi yapılmıştır. Bu tez çalışması ile elde edilen sonuçlar, spesifik enerji değerinin kayaç özelliklerinden, kesme sonucu elde edilen çeşitli parametrelerden ve küçük boyutlu kesme deney seti kullanılarak, tahmin edilebileceğini göstermektedir.

Abstract:
In recent years, several tunnels/galleries have been excavated for the purpose of civil and mining in Turkey. Due to the rapid increase of urbanization, requiremend of underground tunnel connections have been increased for the purpose of both transportation and substructure. These tunnels are also asked to be excavated safely and rapidly. In mining industry, miners have been obligated to underground mining methods additionally due to decrease of ore deposits near earth surface. There are also several constrains related with environmental land usage in open cast mining which promote underground mining operations. In underground mining operations however, development and ore production mining activities have been required to be performed rapidly to produce ore for world mineral markets. Because of these operational requirements in recent mining industry, mine companies have been preferred mechanized excavation methods. In mechanized excavation systems, secure prediction of excavation performance is very important. The prediction of excavation performance can be defined as a technique based on economic feasibility and estimation of excavation rate. It is vital for the economic efficiency of excavation works. This technique enables appropriate selection of excavation machines according to rock characteristics and efficient working of these machines. Thus mechanized excavation techniques have been more advantageous compared to other excavation systems. In this research study, determination of cuttability properties of rocks obtained from North-West of Konya city carried out. For this purpose rock cutting and rock mechanic experiments were performed on 24 different rock samples obtained from Konya region. This study includes, uniting the rock cutting test equipment parts for fine performance, laboratory studies and modelling prediction of specific energy. Cutting test equipment includes mechanic and electronic parts such as a shaping machine, load cells, electrical current and voltage transducer, AC motor drive, signal convertor and data acquisition card. Through the rock cutting tests performed in this study, specific energies of tested rock samples have been calculated by two different methods. These methods are mechanical specific energy calculated from cutting forces and electrical specific energy calculated from electrical current and voltage values. This is one of the differentiating research activities performed in this research study from the similar work done in the past. Laboratory tests consisted of rock mechanics and rock cutting tests. The rock mechanics tests such as, uniaxial compressive strenght, tensile (Brazilian) strenght, P wave velocity, Schmidt hammer rebound, point load strenght, density and brittleness experiments were performed on rock samples to determine their physical and mechanical properties. The rock mechanics tests carried out on rock samples showed that the density values changed between 1.43 ? 2.77 g/cm3, uniaxial compressive strength tests between 4.44 ? 80.73 MPa, P wave velocities between 1.88 ? 6.58 km/s, Schmidt hammer rebound values between 25.95 ? 80.26, point load strength between 0.76 ? 6.95 MPa, brazilian tensile strenght between 1.05 ? 6.88 and brittleness tests between 57.64 ? 89.14 %. The cutting experiments were performed using small-scale linear rock cutting test equipment and amount of energy equired to cut a unit volume of rock was calculated. Cutting tests were used to measure the cutting forces of cutting tool and evaluate specific energy values of the rocks for different cutter spacing (s) and depth of cut. Optimum specific energy values are obtained for specific value of s/d ratio. Optimum specific energy values are used in estimating the cutting performance of mechanical excavators. During the cutting tests, cutting forces measured by load cells, electrical current and voltage values of cutting machine had been measured by current-voltage transducer. While measuring these test outputs, they had been automatically saved on computer safely by uisng digital data acquisition card. After the tests, Matlab software programs were facilited to calculate mechanical and electrical spesific energy values of unrelieved and s/d ratio by using those computer saved test outputs. The unrelieved rock cutting tests on different rock samples showed that the mechanical specific energy values changed between 5.68 ? 63.45 MJ/m3, the electrical specific energy values between 8.22 ? 60.13 MJ/m3. The optimum s/d mechanical specific energy values changed between 5.41 ? 61.37 MJ/m3, the electrical specific energy values between 7.49 ? 56.27 MJ/m3. Properties of the tested rock samples, electrical current, voltage and power values were used to predict purposed specific energy of the samples. Various prediction models were tested and developed here by using statistical and artificial neural network analyses methods. These prediction models were developed by using the parameters which responsible mine engineers in the field can facilitate easily. Statistical models were also developed in this research by using properties of rocks based on binary and multiple regression analyses with SPSS software (Version 15.0). In artificial neural network application the models were developed by using properties of rock and cutting results such as cutting force, electrical current, voltage and power values. Excavation performance values were also determine for the tested rock samples which had been collected around the Konya region in case of mechanized excavation systems will be selected for these rocks in future. The results of this thesis study showed that specific energy values can be predicted from the rock properties and cutting test results. These studies showed also that using small-scale linear cutting machine directly influence the selection of most efficient mechanical excavators in mining and civil engineering applications.