Uzunayak göçük bölgesinde kömürün kendiliğinden yanmasının deneysel yöntemle araştırılması
Experimental investigation of spontaneous combustion of coal in longwall goaf
Yazar: SEFA KUKUL
Danışman: DOÇ. DR. KEMAL BARIŞ
Zonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining

Özet:
Bu çalışmada, Türkiye Taşkömürü Kurumu (TTK), Karadon Müessesesi Karadon İşletmesi Acılık damarından (-360/-460) ve Gelik İşletmesi Kurul damarından (-160/-260) kömür, tavan ve taban taşı örnekleri alınmış ve kendiliğinden yanma deneyleri gerçekleştirilmiştir. Deneyler tasarlanırken deney koşullarının bir uzunayak göçük bölgesindeki koşulları temsil etmesine çalışılmıştır. Ayaklardan alınan kömür örnekleri ve tavan-taban taşı örnekleri kullanılarak göçük bölgesinin laboratuvar ortamında modellenmesine çalışılmıştır. 
Çalışma kapsamında gerçekleştirilen deneysel çalışmalar, Zonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, ZEDEM (Zonguldak Endüstri Destekleme Merkezi) Kömür Oksidasyonu ve Havalandırma Laboratuvarı'nda gerçekleştirilmiştir. Kendiliğinden yanma deneylerinde kullanılan deney seti bir reaktör, ona bağlı bir termoçift, kömür sıcaklığının kaydedilmesi için bir dijital termometre, reaktöre hava sağlayacak bir mini pompa, akış miktarını ayarlamak için bir akış ölçer ve sıcaklık kontrollü bir fırından oluşmaktadır.
Laboratuvarda yapılacak deneylerin bir uzunayak arkasındaki göçük bölgesini temsil edebilmesi amacıyla kömür örnekleri -2,36+1,70mm, -1,70+1,00 mm, -1,00+0,50 mm, 
-0,50+0,075 mm ve -0,075 mm olmak üzere beş farklı boyut gurubunda hazırlanmıştır. Bunun yanı sıra alınan taban taşı örnekleri +4,75 mm boyutunda, tavan taşı örnekleri ise -1,00+0,50 mm, -0,50+0,075 mm ve -0,075 mm boyutlarında hazırlanmıştır. Hazırlanan taban taşı, kömür ve tavan taşı örnekleri paslanmaz krom-nikel reaktör içerisine; reaktör tabanına 25 gr taban taşı, üzerine farklı boyutlarda kömür örneği ve en üste farklı boyutlarda kömür ve tavan taşı karışımı olacak şekilde yerleştirilmiş ve deneyler gerçekleştirilmiştir. Deneyler sırasında reaktörün içine yerleştirildiği sıcaklık kontrollü fırının sıcaklık artış hızı tek boyutlu kömür örnekleri için 15°C/saat, karışım kömür örnekleri için ise 30°C/saat olarak ayarlanmıştır. 
Deneyler sonucunda genel itibariyle Gelik İşletmesi Kurul damarına ait örneklerin Karadon İşletmesi Acılık damarına ait örneklere göre kendiliğinden yanma açısından daha aktif olduğu söylenebilir. 
Kurul damarına ait örneklerle yapılan deneylerde bulunan kesişim noktası sıcaklıkları 
228-241°C arasındayken, Acılık örnekleri ile yapılan deneylerde bulunan kesişim noktası sıcaklıkları 229-243°C arasındadır. Kurul damarı örnekleri ile gerçekleştirilen kendiliğinden yanma deneylerinin beş tanesinde, Acılık damarı örnekleri için gerçekleştirilen deneylerin ise altı tanesinde kesişim noktası sıcaklıkları tespit edilememiş dolayısıyla FCC indeks değerleri de hesaplanamamıştır. Kurul damarı örnekleri için hesaplanan FCC indeksleri 1,02-2,16 dak-1 arasında değişim göstermiş olup bu değerler Acılık damarı örnekleri için 1,13-2,05 dak-1 arasında bulunmuştur. 
Tane boyutunun deneylerde en etkili parametre olduğu düşünülmektedir. Deney sonuçları incelendiğinde -0,075 mm, -0,50+0,075 mm ve -1,00+0,50 mm boyut guruplarının daha yüksek miktarlarda kullanıldığı deneylerde kömür sıcaklığı fırın sıcaklığını kesmiş olduğu açıkça görülmektedir.  
Fırın sıcaklığındaki artış hızının da deney sonuçlarında etkili olduğu söylenebilir. Sıcaklık artış hızının 30°C/saat olarak ayarlandığı deneylerde kömür örneklerinin 110°C-220°C arasındaki ortalama  sıcaklık  artışları 15°C/saat ile  kıyaslandığında 2  kattan fazla artmıştır. Ayrıca, fırın sıcaklık artış hızının 30°C/saat olduğu deneylerde hesaplanan FCC indekslerinin de iki kattan fazla arttığı gözlenmiştir.  
Her ne kadar tüm deneylerde kömür örnekleri için hesaplanan FCC değerleri bu kömürlerin kendiliğinden yanmaya hiç yatkın olmadığını (FCC hesaplanamayan deneyler) ya da yatkınlıklarının "düşük" (0-5 dak-1 aralığında) olduğunu işaret ediyor olsa da bu sonuç kömürlerin kendiliğinden yanmayacağı şeklinde yorumlanmamalıdır. Zira, uygun şartlar ve yeterli zaman olması durumlarında tüm kömürlerin kendiliğinden yanma riskine sahip olduğu bir gerçektir. Bu durum FCC değeri hesaplanmayan deneylerdeki kömür sıcaklık profillerinden açık şekilde anlaşılmaktadır.

Abstract:
In this study, coal and rock samples were taken from the mines of the two collieries of Turkish Hardcoal Enterprise, Karadon Mine Acılık (-360/-460) and Gelik Mine Kurul seams (-160/-260) and spontaneous combustion tests were performed. Tests were designed so that they represent the conditions in goaf of a longwall. It was attempted to model the goaf area using the coal samples as well as rock samples taken from the roof and the floor. 
The experimental studies conducted within the context of this research were performed in Coal Oxidation and Conditioning Laboratory of the Faculty of Engineering at Zonguldak Bülent Ecevit University. The test set which was used during the experiment consists of a reactor, a thermocouple attached to the reactor, a digital thermometer to record the temperature of the coal, a small pump to supply air to the reactor, a flow meter to adjust the flow rate and a temperature controlled oven.
In order to be tests to represent the goaf area behind a longwall, the coal samples were prepared and classified into five different particle size groups as -2,36+1,70mm, -1,70+1,00 mm, -1,00+0,50 mm, -0,50+0,075 mm and -0,075mm. Moreover, the rock samples taken from the floor was classified into +4,75 mm size group while the samples taken from the roof were classified into three different size groups as -1,00+0,50 mm, -0,50+0,075 mm and -0,075 mm. The coal and the rock samples prepared were placed into the chromium-nickel reactor to perform the spontaneous combustion tests in a way that the 25 g of floor rock sample is put on the bottom, coal in different size groups over it and coal and rock sample mixtures in different size groups on the top. During the tests rate of temperature rise in the oven was set to 15°C/min for single coal samples at the middle while it was set to 30°C for the mixtures of different sizes of coal.
Crossing point temperatures found in the tests performed with Kurul seam samples changed between 228 and 241 °C while they were found between 229 and 243°C for the tests performed with Acılık seam samples. Crossin point temperatures were not observed for some of the tests (five for Kurul samples and six for Acılık samples) and thus related FCC values could not be calculated. The FCC index values were found between 1,02 and 2,16 min-1 for Kurul samples and 1,13-2,05 min-1 for Acılık samples.
In general, the results showed that the samples taken from the Gelik Mine Kurul seam were more active than those taken from the Karadon Mine Acılık seam in terms of spontaneous combustion tendency. 
It is considered that the effect of particle size is the most effective parameter in the tests. As the test results are examined it is clearly seen that coal temperature crossed the oven temperature for the tests where coals having particle sizes of -0,075 mm, -0,50+0,075 mm and -1,00+0,50 mm were used more. 
It can be said that rate of temperature rise of the oven is also effective on the results. In tests where the rate of temperature rise in the oven is set to 30°C/h, the average temperature rise of coal samples between 110 °C and 220 °C was almost two times more than that of coal samples in tests where the rate of temperature rise in the oven is 15°C/h.
Even though all the FCC index values calculated for the coal samples indicates that the liability of coal samples to spontaneous combustion is either low (0< FCC <5) or not liable (for the coal where FCC index values could not be calculated) this result should not be interpreted in a way that no spontaneous combustion event can occur for such coals. Because in cases where there are suitable conditions and enough time it is a fact that a spontaneous combustion event can be encountered for all types of coals. This is clearly understood from the temperature profiles of coals in tests where FCC values could not be calculated.