Soma Darkale kömür sahasında tasmanlaşmış uzunayak kömür panosunun yer altı su seviyesi gözönünde bulundurularak mikrogravite modellemesi
Mi̇crogravi̇ty modelli̇ng of subsi̇ded longwall mi̇ne panel at the Soma Darkale coalfi̇eld consi̇deri̇ng groundwater level
Yazar: ERSİN BÜYÜK
Danışman: PROF. DR. ABDULLAH KARAMAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Jeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Jeofizik Mühendisliği = Geophysics Engineering

Özet:
Soma linyit yatakları Türkiye'deki en önemli linyit kömürü üretim sahalarından biridir. Sahadaki linyit kömürü çoğunlukla kapalı işletme, yer yer açık işletme tekniği ile işletilmekte ve uzunayak madencilik yöntemi ile kömür üretim faaliyetleri sürdürülmektedir. Bu sahada gerçekleştirilmiş olan bir çalışmada tasmanlaşmış bir kömür panosu üzerinde alınan mikrogravite ölçümlerinin çok karakteristik bir şekilde kısa dalga boylu ve hızlı değişimler gösterdiği vurgulanmıştır. Yaklaşık 160-200 m derinden kömürün alınmasıyla tasmanlaşmanın bu derece kısa dalgaboylu bir anomaliye sebep olup olamayacağı kuşkusu önceki çalışmalarda dile getirilmiştir. Bu çalışmada yoğunlukları farklı prizmalardan düşey modeller kullanılarak uzunayak panosunun ve tasmanlaşmış yapının gravite model tepkisi hesaplanmış ve gerçek ölçümlerle kıyaslanmıştır. Modeli oluştururken sahada önceden yapılan sondaj bilgileri derlenmiş ve anlamlı bir model oluşturmada kullanılmıştır. Tasmanlaşma sonrası sadece panoyu dolduran örtü katmanı gözönüne alınarak üretilen modeller kömür panosu üzerinde pozitif anomali vermesine karşın, gerek dalgaboyu gerekse anomali ölçülen gravite değerleri ile uyumsuz olduğu gözlenmiştir. Gravite ölçülerinde gözlemlenen kısa dalgaboylu anomalilerin kaynağının daha sığda olması gerekliliğinden hareketle yer altı su seviyesindeki değişintinin modellere dahil edilmesi gerekliliği ortaya çıkmıştır.
Uzunayak madenciliğinde tasmanlaşmanın bir sonucunda oluşan çatlaklar ve ikincil porozite ile kömür panosu üzerinde yer altı su seviyesinde ciddi bir düşüşün olabileceği bilinmektedir. Gravite modellemesi yeraltısu seviyesindeki düşüş gözönüne alınacak şekilde yeniden oluşturulup ve üretilen tasmanlaşma modelinin üzerine eklenmiştir. Ne yazıkki, sahada tasmanlaşma sonrası yeraltısu seviyesini gösteren herhangi bir hidrojeolojik çalışma yapılmamıştır ancak sadece tasmanlaşmadan sonra alınan düşey elektrik sondaj verileri mevcuttur. Bu verilerden yararlanılarak çok kaba bir yeraltısu seviyesi oluşturulmuştur ve yeraltı su seviyesindeki düşüş kütle kaybı olarak gravite modeline dahil edilmiştir. Görünür özdirenç ve özdirenç ters çözüm eğrileri referans alınarak üretilen su seviyesinin gravite modeline dahil edilmesiyle birlikte anomali değişimindeki belirsizlikler giderilmiş anomali büyüklüğü ve dalgaboyları gözlemsel gravite verileri ile daha tutarlı hale gelmiştir. 
Bu modelleme çalışması gösteriyor ki, yeraltısularındaki seviye değişiminin gravite modeline dahil edilmesi ile derindeki panonun gravite etkisi daha belirgin hale gelmektedir. Bu yaklaşım üretim sonrası ortaya çıkan birçok probleme rahatlıkla uygulanabileceğini ortaya koymuştur. Kömür pano pozisyonunun belirlenmesi problemi üretim kaynaklı olduğu düşünülen hasar olması yada sınır ihlali olması durumunda ortaya çıkmaktadır. Kömür üretiminden sonra topoğrafyada yatay ve düşey hareketler sonucunda ortaya çıkan tasmanlı yapı yerleşim yerlerinde olursa, alt ve üst yapıda, binalarda çatlaklar oluşması yada elektrik direklerinin devrilmesi gibi ciddi hasarlara neden olabilir; Pano poziyonunun belirlenmesini gerektirecek olan ve bu çalışmayla cevabı bir ölçüde bulunan bir diğer problem ise sınır ihlali ile kömür üretiminin yapılmasıdır. Uygulamada talebi zamanında karşılamak için parçalara ayrılan kömür sahalarında üreticiler komşu ruhsat sahasına girebilmektedir. Kömür panosunun geometrisini ve panodan üretilen kömürün miktarını makul bir hassasiyetle sondajla belirlemek oldukça zor ve maliyetlidir. Böyle durumlarda jeofizik yöntemlerin kullanımı daha pratik ve ekonomik olabilmektedir. Bu modelleme çalışması gösteriyor ki; bu tip problemlerle şahıs veya kurumlar arasındaki anlaşmazlıkların pano üzerinde alınan gravite ölçüleri ile rahatlıkla giderilebilir.

Abstract:
The Soma Darkale Coalfield in Manisa, is one of the major lignite production field in Turkey for about 100 years. Several E–W trending grabens characterize the Soma basin, which is located within the Western Anatolian extensional province. The coal seam at the site is at a depth of about 150–200 m having a thickness of 26 m at the north and 19 m at the south. The overburden strata above the coal seam consists of top soil, mostly limestone that outcrops at several localities, and marl that overlies the coal seam.
Lignite coal at the area is generally explioted by underground longwall mining and also ocasionally by surface mining methods. Longwall mining is an economical coal extraction method that allows nearly 100 % recovery of the coal from a rectangular panel. Coal is totally removed by longwall shearing machinery, which travels back and forth across the coalface. The shearer cuts a slice of coal from the coalface. The area immediately in front of the coalface is supported by a series of hydraulic roof supports, which temporarily hold up the roof strata and provide a working space for the shearing machinery and face conveyor. After each slice of coal is removed, the hydraulic roof supporting the face conveyor and the shearing machinery a is moved forward. As the immediate roof strata, the overburden rocks above the seam collapse into the goaf. The rocks above them lose support and sag to fill the void beneath them. The mechanism advances towards the surface, and the affected width-increase cause subsidence at the surface, that is  somewhat larger than the extracted panel. 
Subsidence over a mine panel produces two distinct zones of deformation: a static tensile zone above the sides of a panel and a dynamic tensile zone that follows behind the advancing mine face. Fractures in the dynamic tensile zone close due to compressional strain after the mine face passes. Nonetheless, static tensile zone fractures may remain open for several months after subsidence.
The microgravity data that we modelled in this study were obtained over a longwall coal mine panel in Soma Coalfield. An early study at the Soma Darkale Coal field emphasised that microgravity measurements carried out over a subsided coal panel exhibited anomalies having distinct short wavelengths as a characteristic feature The early study questiones the wavelength of the anomalies that may not be due to the coal extraction at depth of 160-200 m. In this study, the gravity response of a longwall mine panel and subsided overburden strata were modeled using vertical prisms having varying densities. We constructed the density model based on the well bore logs to obtain a meaningful gravity model. We consider in the model that the overburden strata replaced the coal seam after the panel subsidence. 
We assumed that a density increase occured within the goaf once the denser overburden rocks replaced the coal. This process is expected to produce a positive anomaly. Although the measured and calculated anomalies seems to mimic one another, the size and the wavelengths were found to be incomparable. We subsequently assumed that the water-level drop that occurs at shallower depths after the subsidence may be  responsible for the discrpencies between the observed and calculated anomalies. 
Several years of observations by mine hydrologists indicate that groundwater level over coal mine panel severely drops with increasing fractures, dilation of joints , and secondary porosity as a result of subsidence. After subsidence, fracturing and dilation  of joints and bedding planes cause an increas at storage coefficient, which gives rise to a drop in water-level. After mining has ceased, a mine may flood, producing a high permeable pathways that distorts regional groundwater flow, particularly if the mine is connected with others to form an extensive flow network. When entire mining areas are closed down, the rebound of regional water levels after long-term depression can create substantial mine water discharge problems. Longwall mining also affects the groundwater system through subsidence and strata movements. These movements are expressed in the deformation of existing fractures and the creation of new ones, changing the hydraulic properties of the strata and, consequently, the hydraulic gradients, heads and groundwater flow patterns, independently of drainage to the mine itself. 
The gravity model consisting of blocks that represents the subsided overburden strata was revised to account for the density change due to loss of water from the pore spaces. Unfortunately, by the time of the geophysical measurements, the water-level measurments had not been carried out, and we have no record of water-level data available that we can include in our gravity model. Therefore, we utilized dc-resistivity sounding data that was collected over the panel over the nort-south and east-west directions. We generated a geoelectrical cross sections along these directions and roughly delineate the conductive zones to use as the boundary of the water-bearing   blocks. The water-level within the model domain then was added to the gravity model by altering the densities. For the purpose, we assumed porosity value of 0.2 that causes density drop of 0.2 g/cm3. Once the density drop due to the water drainage from the pore spaces was included in the model, the size and the wavelengths of the anomalies between the observed and calculated anomalies became perfectly comparable.
The gravity modeling  approach accounting for the density drop due to the water drainage from the pore spaces indicated that the gravity anomaly of a panel at  moderate depths is subjected to amplification as the water-level responses to the subsidence. The anomalies with greater wavelengths that may be observed over subsided mine panel may not be noticable, whereas the presence of water and subsequent drainage after subsidence in a way changes the shape of the anomaly to be more visible and noticable. This is one of the most important outcome of this study, and several longwall mining related environmental, hazard, permit boundary infringement, and etc. problems can be resolved with the utility of this presented approach. This approach appears to be exteremely useful when the panel position or the coal production from a panel is in question.  
These types of legal cases arise especially when coal exploitation is carried out by several companies each seperated by a permit boundaries. In some other cases, hazard like demolished (or damaged) buildings after alleged coal exploitation from a panel at several meters depth conforms difficult-to-prove cases.  Previously, expensive drilling operations to obtain credible legal evidence as the common approach  used to be the primary reason to give up. The utility of geophysical methods in such cases seems practical and economical.