Zonguldak taşkömür havzasındaki ani gaz ve kömür püskürmesi olaylarının incelenmesi ve olaya eğilimli zonların belirlenebilirliğinin araştırılması /
Yazar: GÜNDÜZ ÖKTEN
Danışman: PROF. DR. SENAİ SALTOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü
Derece: Doktora, 1983
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining
Dizin: Ani püskürme = Sudden eruption ; Gaz püskürmesi = Gas eruption ; Kömür püskürmesi = Coal eruption ; Türkiye Taşkömürü Kurumu = Turkish Hard Coal Enterprise

Özet:
Kayaç içinde basınç altında bulunan gazın, aniden arı nın dayanımını aşarak onu parçalaması ve gaz tarafından ta şman kayaç parçalarının ocak imalâtını doldurması, Ani Gaz ve Kayaç Püskürmesi olarak isimlendirilmektedir. Kömür ve tuz ocaklarında karşılaşılan bu olaylar özellikle taşkömür madenciliğinde yoğunlaşmıştır. Bu çalışmada, Zonguldak Taşkömür Havzasında meydana ge len ani püskürme olayları incelenmiş ve olaya eğilimli zon- ları önceden belirleyebilmek amacıyla araştırmalar sürdürül müştür. Eldeki veriler, E.K.Î. Karadon ve Kozlu Bölgelerin de 1969 - 1980 yılları arasında, 52 kişinin ölümüyle sonuç lanan 33 olay meydana geldiğini göstermektedir. Bu olaylar da atılan kömür miktarı 700 ton' a, açığa çıkan metan mikta rı ise 11 000 m*' e kadar ulaşmıştır. Üretim düzeyi derin leştikçe olay sayısının arttığı ve bunlarında, özellikle tektonik de formasyona uğramış z onlar civarında yoğunlaştığı saptanmıştır. Olay sayısı bakımından, kalınlığı 1,25 - 2,25m» eğimi 45°- 65° arasında değişen damarlar önde gelmektedir. Olayı meydana getiren etkenler arasında en önemlileri; kömürün yapısal özellikleri, içerdiği gaz miktarı, kömürde ki gazın desorpsiyon hızı ve kaya basıncıdır. 0 halde, ani püskürmeye eğilimli zonları önceden belirleyebilmek için yukarıda sıralanan etkenlerin teker teker incelenmesi gere kir. Bu çalışmada da aynı yol izlenmiş olup, değişik kesim lerden alınan numuneler üzerinde, Batı Almanya'da Bergbau- Forschung GmbH, Westfaellsche Berggewerkschaftskasse araş tırma merkezlerinin laboratuvarlarında ve Î.T.Ü. Maden Fa kültesi Maden Mühendisliği Bölümü' nün laboratuvarında ölçme ler yapılmıştır. Ayrıca kaya basıncının arından uzaklığa bağlı olarak değişimini belirlemek amacıyla, ocak içinde ölçmeler sürdürülmüştür..Kömürün yapısal özellikleri başlığı altında, kömürleşme derecesi ve kömürün gevrekliği incelenmiştir. Kısa analiz sonuçları incelenen numunelerin yağlı ve gazlı kömür aşamasında olduğunu göstermiştir. Nem miktarı % 1 civarında değişmiş, kül miktarı ise çoğunlukla % 10'un altın da kalmıştır. Bu verilere dayanarak, damarların incelenen ke simlerde olayın meydana gelmesi için yeterli miktarda gazı adsorbe edebilecek niteliklere sahip olduğu söylenebilir. Kömürün gevrekliğini saptamak amacıyla, laboratuvarda numunelerin Darbe Dayanımları ölçülmüştür. Darbe Dayanım Sa yısı 0 - 100 arasında değişmekte olup, gevreklik arttıkça küçülerek sıfıra yaklaşmaktadır. Olaylardan bazılarının mey dana geldiği kesimlerden alınan kömürlerde saptanan değerle rin 30'dan küçük olduğu görülmüştür. Buna karşın Kozlu Bölge sindeki farklı damarlara alt kömürlerde, değerler özellikle 35 - 58 arasında yoğunlaşmış (19 değerden 13' ü) sadece bir değer 30' un altında kalmıştır. Araştırmalar, ani gaz^ve kömür püskürmesi olaylarının genellikle desorbe olabilir gaz içeriği 9 m /t' dan daha bü yük damarlarda ortaya çıktığını göstermiştir. Bu çalışmada, kömür numuneleri üzerinde desorbe olan gaz miktarının zamana bağlı olarak değişimi ölçülmüş, elde edilen değerlerden yarar lanarak desorbe olabilir gaz miktarı hesaplanmıştır. Değer lerin büyük bir bölümü (50 değerden 41 'i) 6 nr/t'un altında kalmış, sadece üç değerin 9 nr/t olan sınır değeri aştığı görülmüştür. Kömürdeki gazın desorpsiyon hızı, belli ağırlıktaki kömür numunesi üzerinde: -Atmosfer basıncı altında desorbe olan gaz miktarının zamana bağlı değişimini ölçerek (k. değeri), -Sabit hacim içinde, desorbe olan gazın belli bir zaman süresi sonunda oluşturduğu basınç yükselmesini ölçerek (A Pq/60 değeri), -Sabit hacim içinde, devreye verilen yüksek basınçlı ga zın adsorplanması nedeniyle belli bir zaman süresi sonundaVI oluşan basınç düşüşünü ölçerek ( AP değeri), belirlenmek- tedir. Bu değerleri esas alarak kömür damarlarının ani püskür meye eğilimli olduğunu söyleyebilmek için, kt)0t75» AP0/g0)l5 mmHg ve AP "/0,30 bar şartları sağlanmalıdır, ölçmeler so nucunda elde edilen kt değerleri (50 değerden 42' si) 0,60-0,70 arasında yoğunlaşmış olup, sadece bir tanesi 0,79 ile tehli keli bölgeye girmiştir. A Pq/sq değerleri genellikle 0-10 mmHg arasında değişim göstermiş (51 değerden 37' si), altı ta nesinin 15 mmHg'yı aştığı saptanmıştır. AP değerleri için- de altı tanesinin ( 44 değerden 6* sı) 0,30 bar' dan daha kü çük olduğu görülmüştür. Kaya basıncının arından uzaklığa bağlı olarak değişimi* kömür damarı içinde yapılan sondajlar sırasında elde edilen bulgulara [Kırıntı geliri (İt/m), ilerlemede karşılaşılan güçlükler vb.] dayanarak belirlenmiştir, ölçmeler E.K.Î. Kozlu Bölgesi -425/22926 ve -482/211009 Sulu Başyukarılarda sürdürülmüş olup, kırıntı geliri arın önünde bulunan 6 m ge nişliğindeki şerit içinde 5 - 5 İt/m arasında değişmiştir. Bu miktarın 6. metreden sonra artmaya başladığı, 6 İt/m ola rak tanımlanan (42 mm'lik burguların kullanılması halinde) amir değeri aştığı bazen birkaç katına ulaştığı gözlenmiş tir. Ayrıca ilerleme hızının azalması, burguların sıkışması, kaya basıncının tanımlanan bölgede kömürün basınç direncini aştığını ortaya koymaktadır. Çalışmada incelenen farklı kesimlerden hangilerinin ani püskürme tehlikesi taşıdığını belirleyebilmek için, elde edilen bütün veriler sistemli bir şekilde değerlendirilmiş tir. Değerlendirme sonuçları incelenenler arasında sadece -401/22926 Acılık Üst Taban Yolunun ani püskürmeye eğilimli bir zon içinde bulunduğunu göstermiştir.

Abstract:
Plötzliche Ausbrüche von Gestein und Gas sind durch einen Ausstoss mehr odar weniger grosser Mengen von Gestein und Gas aus dem Mass iv gekennzeichnet. Diese Erscheinungen treten in zahlreichen auslaendisclien Revieren verschiedener Bergbauzweige auf. Besonders zahlreich sind sie im Kohlen- bergbau. In dieser Arbeit wurden zuerst die Gasausbrüche, die im türkischen Steinkohlengebiet Zonguldak, stattgefunden haben, unterşucht. Nach den Angaben waren zwischen den Jabren 1969 - 1980 in den Schachtanlagen Karadon und Kozlu von der Steinkoblenbergbauverein Ereğli, 33 Faelle mit plötzlichen Kohle-und Gasausbrüehen registriert worden. Die Auswurfs- mengen schwankten von einigen Tonnen bis zum 700 Tonnen und die freigesetzten Gasmengen erreichten Volumina bis zu 11 000 Kubikmetern. Es wurde dabei festgestellt, dass diese Ereignisse mit wachsender Teufe zunahmen und me 1st an solchec Stellen auftraten, wo die Floze durch die tektonlschen Bean- spruchungen intensiv zerriittet worden waren. Sie geschahen haeufiger in den 4-5°- 65° geneigten Flözen mit Maechtigkeiten von 1,25 - 2,25 m. Eine weitgehende Untersuchung nach den Erlosfaktoren brachte hervor, dass fur einen Kohle-und Gasausbruch in erster Linie die Eigenschaften der Kohle, der Gasinhalt der Kohle, die Desorptionsgeschwindigkeit des Gases aus der Kohle und der Gebirgsdruck massgebend sind. Durch die For- schung dieser Faktoren kann die ausbruchsgefaehrliche Zone früh erkannt werden. Fiir diesen Zweck wurden an den ProbenVIII aus den verschiedenen Flözen vom Steinkohlengebiet Zonguldak an den deutschen Forschungsanstalten (Bergbau - Porschuhg GmbH und Westfaelische Berggewerkschaftskasse) und an der Bergbau fakultaet der technischen Universitaet Istanbul Untersuçhungen durchgeführt. Unter den Eigenschaften der Kohle werden der Inkohlungs- grad und die Brüchigkeit geprüft. Da das Mikroporenvolumen und damit die innere Ober- flaeche der Steinkohle mit zunehmendem Inkohlungsgrad sich ebenfalls vergrössert, nimmt das Gasaufnahmevermögen der Kohle mit wachsendem Inkohlungsgrad zu. Von den Ergebnissen der Kurzanalysen (im lufttrockenen Basis) ist zu erkennen, da8s die untersuchten Proben die Fett-und Gaskohlen sind. Ihre Wassergehalte schwanken urn 1 % und ihre Aschegehalte liegen im allgemeinen unter 10 %. Diese Angaben zeigen, dass die Proben hochinkohlt sind; weswegen die Flözteilen »Is ausbruchsverdaechtig angesehen warden, Um die Brüchigkeit (Impact Strength Index) festzu- stellen, wurden die Proben nach ihrer Schlagfestigkeit unter- sucht. Dieser Index schwankt sich zwischen 0 - 100. Mit der Abnahme dieses Wertes wird die Kohle brüchiger. Die Versuche an den aus den Ausbruchsorten entnommenen Proben zeigen, dass der Bruchigkeitsindex unter 30 bleibt. Die aus den verschiedenen Flözteilen der Schachtanlage Kozlu stammenden Proben lassen jedoch Indexwerte besonders (13 von 19 Werten) zwischen 35-58 bestimmen. Nur an einer einzigen Stella war ein Wert unter 30 festzustellen. Der Grenzwert des desorbierbaren Gasinhaltes, über dem die Gasausbrüche stat t finden können, liegt nach den auslaendischen Untersuçhungen um 9 w/t. Zur Bestimmung deö desorbierbaren Gasinhaltes der Kohle ( qd ) wirdIX die Gasabgabe in Abhaengigkeit von der Zeit geme s sen. Mit Hilfe dieses Verfahrens können die Kennwerte k^ und v, er- mittelt werden. Der Wert q. ist proportional zu der Grösse v^, die den spezifischen Gasdesorptionsstrom fur 1 min nach der Entspannung der Probe aus dem Sorptionsgleichgewicht darstellt. Der Proportionalitaetsfaktor ist eine Zeitkonstan- te, die fur gewaehlte Kornfraktion 0,40 - 0,63 mm einen Wert von 29*4 min annimmt. Es gilt also zwischen diesen Werten folgende Gleichung : q,. 29»4.v. - 0,1. Die Messungen haben gezeigt, dass der grösste Teil der Messwerte (41 von 50 Werten) unter 6 nr/t liegen. Nur drei Werte iiberschreiten den Grenz- wert. Die Desorptionsgeschwindigkeit des Gases aus der Kohle konnte auf einer bestimmten Probenmenge; -durch die Messung der Gasabgabe in Âbhaengigkeit von der Zeit beim Atmosphaerendruck (k^-Wert), -durch die Messung der in einem konstanten Volumen innerhalb einer bestimmten Zeit nach der Entspannung aus der Sorptionsgleichgewicht stattgefundenen Druckerhöhung (aPq/6q- Wert), -durch die Messung des in einem konstanten Volumen innerhalb einer bestimmten Zeit wegen der Adsorption des Gases stattgefundenen Druckabfalle s (APQ -Wert), festgelegt werden. Es ist zu behaupten, dass die Kohle ausbruchsgefaehrlich ist, wenn ihre Desorptionsgeschwindigkeit und damit ihre kj., AP« /tzrs und APa_ -Werte eine bestimmte Grösse überschrei- t* 0/60 exp ten. Nach den Ergebnissen der Untersuchungen besteht erst dann Ausbruchsgefahr, falls die Werte k.^0,75, APq.^q) 15 mmHg sind. Ein erheblicher Anteil der kt -Werte (42 von 50 Werten) der untersuchten Proben liegen zwischen 0,60 - 0,70.Nur ein einziger Wert war mit 0,79 im gefaehrlichen Bereich zu zeichnen. Über 88 % der A PQ,g0-Werte (45 von 51 Werten) kleiner als 15 mmHg. Nur sechs Werte überşchreiten diese Grenze. Der Grenzwert für AP, ^er nach der Beziehung zwischen APo/60 und AIexD~ Wer-te festgelegt wird, liegt an den untersuchten Proben bei 0,30 bar. Demnach sollten also, die Kohlen mit AP_ - Werten unter 0,30 bar ausbruchs- verdaechtig angesehen werden. Der Vergleich der Messergebnis- se mit diesem Grenzwert hat gezeigt, daas 14 % der AP - Werte (6 von 44 Werten) unter 0,30 bar liegen. Die Grösse des Gebirgsdrucks hinter der Ortsbrust wurde durch die Testbohrungen in der anstehenden Kohle bestimmt. Dabei wurden die Messgrössen wie Bohrmehlmengen, Bohrwiederstaende und Korngrösse des Bohrkleins beobachtet. Für die erşten Bewertung des Testbohrens wurde nur der Bohr- wiederstand als qualitative Messgrösse verwendet. Das Fest- klemmen der Bohrgestaenge in einer bestimmten Laenge ist ein Anzeichen für den erhöhten Druck. Bei der naechsten Stufe wurde die Bohrmehlmenge als Messgrösse einbezogen; das Bohrklein wurde zu diesem Zweck aus jedem gebohrten Meter in einem Messbehaelter aufgefangen und die Men ge ge- messen. Der benutzte Bohrkopf von 42 mm Durchmesser schnei- det z.B. pro Meter Bohrloch rechnerisch ein Kohlenvolumen von 1,4 lt/m heraus. Dieses Volumen vergrössert sich durch die Zerkleinerung zu feinkörnigem Bohrklein und dadurch entstandene Auflockerung etwa urn 1,6 Fache. Die we it ere Erhöhung des Vo lumens auf 2,5 İt/m könnte dadurch erklaert werden, dass die Bohrstange beim Bohrvorgang durch Ausschlei- fen das Bohrloch aufweitet, und dabei Kohl enkl e in aus dem Wand lost. Für die Löcher mit 42 mm Durchmesser kann die kritische Bohrmehlmenge, die hochdruckzone kennzeichnet, mit 6 lt/m angegeben werden. Die Testbohrungen wurden im Aufhauen -425/22926 und -482/211009 van Flöz Sulu der Schacht-XI anlage Kozlu durchgeführt. Die Bohrmehlmenge hat sich bei den Messungen in der 6 m breiten Ortsbrust zwischen 3-5 İt/m geaendert. Nachher bat sie schlagartig zugenommen und erreichte abermals Vielfache des Grenzwertes. Ausserdem er- : höhte sich der Bohrwiederstand und die Bohrstangen klemmten sich fest. Nach dieser Feststellungen ist es zu bet önen, dass der Gebirgsdruck in der erörternden Zone die Druck- festigkeit der Kohle überschritten hat. Die durchgeführt en Untersuchungen brachten konkrete Ergebnisse, die zu der Früherkennug der,ausbruchsverdaechtigen Zonen dienen. cie allgemeine Auswertung der in-situ erhalte- nen Messergebnisse laesst zu erkennen, dass unter den unter- suchten Flözbereichen nur die Kopfstrecke -401/22926 im Flöz Acılık der Schachtanlage Kozlu in einer ausbruchsge- faehrlichen Zone aufgefahren wird.