Zonguldak taşkömür havzası kömür çevre kayaçlarının dayanım ve deformasyon anizotropisi
A study on the strengh and deformation anisotropy of coal measure rocks at Zonguldak basin
Yazar: KENAN ÇOLAK
Danışman: PROF.DR. YADİGAR MÜFTÜOĞLU
Zonguldak Karaelmas Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 1998
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining
Dizin: Anizotropi = Anisotropy ; Kömür = Coal ; Zonguldak kömür havzası = Zonguldak coal basin

Özet:
ÖZET Doktora Tezi ZONGULDAK HAVZASI KÖMÜR CKVRE KAY AÇLARININ DAYANIM VE DEFORMASYON AN İZOTROPİSİNİN İNCELENMESİ Kenan ÇOLAK Zonguldak Karaelmas Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Maden Mühendisliği Anabilim Dalı Tez Danışmanı: Prof. Dr. Yadigar V. MÜFTÜOĞLU Eylül 1998, 214 sayfa. Bu çalışmada, Zonguldak taşkömür havzasında karşılaşılan kömür çevre kayaçlarının dayanım ve deformasyon özelliklerinin yönsel değişimlerinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Kömür çevre kayaçlarını oluşturan kumtaşı, silttaşı ve kiltaşı birimlerinden alınan blok şeklindeki örnekler, ZEDEM laboratuvarına getirilerek, burada amaca uygun olarak yönlü karot örnekleri alınmıştır. Böylece kayaç birimlerinin, 0°, 30°, 45° 60° ve 90°'lik konum açılarında örnekler hazırlanarak, standart dayanım ve deformasyon deneyleri yapılmıştır. mÖZICT (devam ediyor) Bu deneylerden, kayaçların (ek eksenli basınç dayanımı, dolaylı çekme dayanımı, (iç eksenli basınç dayanımı, nokta yükü dayanımı, deformabilite ve sismik hız özelliklerindeki anizotropiklik belirlenmiştir. Bu çalışmada elde edilen sonuçlara göre; kömür çevre kayaçlarında, tek eksenli basınç dayanımı özellikle 30°'lik konum açısında (uygulanan gerilme ile tabakalanma düzlemi arasındaki açı) önemli miktarda azalmaktadır. Bu durum üç eksenli basınç dayanımı deneylerinde de kendini göstermektedir. aC9o/cTC30 oranına göre tanımlanan dayanım anizotropisinin etkisi, yanal basıncın artması ile düşmektedir. Kumtaşlarında çekme dayanımı üzerinde anizotropinin etkisi önemli görülmemektedir. Ancak silttaşı ve kiltaşlarında, konum açısının 0°'den 90° 'ye doğru değişmesi halinde çekme dayanımında da belirli bir değişim görülmektedir. Düşük yanal basınç seviyelerinde yapılan üç eksenli basınç dayanımı deney sonuçları. Hoek-Brown ve Bieniawski yenilme ölçütleri kullanılarak değerlendirilmiştir. Buna göre, Hoek-Brown ölçütündeki 'm' sabiti, ve Bieniawski ölçütündeki ` A' sabiti konum açısı ile belirgin bir şekilde değişmektedir. Deformabilite deneylerinde elde edilen sonuçlara göre, tabakalanmaya paralel konumda ölçülen Young modülü ile tabakalanmaya dik konumda ölçülen Young modülü arasında bir miktar farklılık vardır. Fakat incelenen kayaçlar genel olarak deformasyon açısından düşük anizotropik olarak tanımlanmışlardır. Deneylerde elde edilen ölçümlerle belirlenen G2 (bağımsız rijitlik modülü) değerleri değişik araştırmacıların önerdikleri görgül bağıntılarla hesaplanan değerlerle karşılaştırıldığında, düşük anizotropi durumunda sonuçların birbirine ivÖZET (devam ediyor) oldukça yakın, daha yüksek anizotropi durumunda ise farklılık gösterdiği belirlenmiştir. Dolaylı çekme dayanımında kullanılan standart deney örneğininin merkezinde oluşan gerilmelerdeki değişim, FLAC (Fast Lagrangian Analysis of Continua) gerilme analizi bilgisayar programı kullanılarak belirlenmişir. Çalışmanın bu kısmında değişik anizotropiklik derecesi ve konum açılarında yapılan çözümlemeler, özellikle orta ve yüksek dayanım anizotropisine sahip kayaçlarda, dolaylı çekme dayanımı deneyi ile elde edilen sonuçların, kayaçların çekme dayanımını temsil etmediğini göstermiştir. FLAC çözümlemeleri ile, kemer tavanlı açıklık çevresinde oluşan yenilme bölgelerinin ve ikincil gerilme dağılımlarının, hem konum açısı hem de anizotropiklik derecesi ile değiştiği ortaya konmuştur. Sonuç olarak, Zonguldak taşkömür havzasındaki kumtaşlarının dayanım ve deformasyon açısından düşük anizotropiklik derecesinde olduğunu söylemek mümkündür. Fakat silttaşı ve kiltaşlarında anizotropikliğin daha yüksek olduğu ve tasarımlarda anizotropik etkinin dikkate alınması gerektiği görülmüştür. Anahtar Sözcükler: Anizotropi, dayanım, deformasyon, yenilme ölçütü, kömür çevre kay açları. Bilim Kodu: 607.01.02

Abstract:
ABSTRACT Ph.D.Thesis A STUDY ON THK STRENGTH AND DEFORMATION ANISOTROPY OF COAL MEASURE ROCKS AT ZONGULDAK BASIN Kenan ÇOLAK Zonguldak Karaelmas University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Mining Engineering Thesis Advisor: Prof. Dr. Yadigar V. MÜFTÜO?LU September 1998, 214 pages. In this study, determination of the directional variation of strength and deformation properties of coal measure rocks encountered in the Zonguldak hardcoal basin was aimed. Block samples taken from sandstone, siltstone and claystone units which compose coal measure rocks, brought to the ZEDEM Laboratory and here oriented core samples were recovered for the desired purposes. Consequently, samples were prepared at 0°, 30°,45°, 60° and 90° orientation angles from the rock units and standart strength and deformation lest were carried out. VIA BSTRACT (continued) From these tests, the anisotropy of uniaxial compressive, indirect tensile, triaxial compressive, point load strength and defotmability and seismic wave velocity properties were defined. According to the results derived from this study; for coal measure rocks, uniaxial compressive strength decreases significantly, expecially at 30° orientation angle (the angle between applied pressure and bedding plane). This is also valid for the triaxial strength tests. The effect of strength anisotropy defined as the ratio of oc9o/oc30 decreases with the increasing confining pressure. The effect of anisotropy on the indirect tensile strength of sandstones is insignificant. Yet, for the siltstone and claystones, a well defined effect of anisotropy on the tensile strength was observed while the position angle varied from 0° to 90°. The results of triaxial compressive strength tests with low confining pressure levels were evaluated by using the Hoek-Brown and Bieniawski's failure criteria. The constant "m" in the Hoek-Brown criterion and constant "A" in the Bieniawski criterion vary in a well defined manner with the position angle. According to the results of deformability tests, there is a difference between the Young's modulus measured parallel and perpendicular to the bedding planes. However, the rocks studied were generally defined as of low anisotropy from the view point of deformation. Comparing the values of G2 (independent modulus of rigidity) obtained from the test results with those calculated by using the emprical equations suggested by different researches, the results were fairly close for the low anisotropy cases and were different for the high anisotropy cases. VIIA BSTR ACT (continued) The variation of stresses accuring in the centre of a standart test sample used in the indirect tensile strength tests was determined by using FLAC (Fast Lagrangian Analysis of Continua) computer programme for stress analysis. In this section of study, the analysis carried out for the different anisotropy and position angles have shown that, particularly, for the rocks having medium and high strength anisotropy, the results derived from the indirect tensile strength do not represent the tensile strength of the rocks. The FLAC analyses have indicated that the failure zones and distribution of induced stresses occuring around an arched roof opening vary with both orientation angle and degree of anisotropy. For the conclusion, it is possible to claim that the sandstones of Zonguldak hardcoal basin represent low anisotropy with regard to strength and deformation. However, the degree of anisotropy is considerably high for the siltstones and claystones and, therefore, the anisotropic effect should be considered for the design in these rock units. Key words: Anisotropy, strength, deformation, failure criterion, coal measure rocks. Science Code: 607.01.02