Yeraltı kömür ocaklarında kömür tozunun karakterizasyonu ve patlayabilirliğinin araştırılması
Investigation of the characterization and explosability of coal dust in underground coal mining
Yazar: EMRE GÜNAY
Danışman: PROF. DR. KEMAL BARIŞ
Zonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining
Dizin: Yer altı kömür madenleri = Underground coal mines

Özet:
Madencilik uzun yıllardır dünyada büyük önem verilen ve diğer çalışma alanlarına kıyasla daha fazla emek ve sermaye gerektiren ve diğer sektörlerin ihtiyacı olan hammadde ve yan ürünlerin temininde önemli bir endüstri koludur. Ancak madencilik faaliyetleri, değerli madenlerin yeraltından çıkarılması, işlenmesi ve piyasaya kazandırılması aşamalarında iş sağlığı ve güvenliği açısından ciddi riskler taşımaktadır. Özellikle yeraltında karşılaşılan gazlardan sonra en önemli risk kömür tozlarından kaynaklı olan risklerdir. Kömür tozları yeraltında çalışanlar için ciddi sağlık problemlerine, işgücü kayıplarına ve çalışma alanında verimin düşmesine neden olabilmektedir. Ayrıca yeraltı çalışmalarında, bir etkenle havalanarak uygun konsantrasyona ulaşan kömür tozları bir ateşleme kaynağıyla tutuşması sonucu patlayarak daha tehlikeli ve ölümcül sonuçlar doğurmaktadır. Ayrıca kömür tozları, makine ve teçhizatın üzerinde birikerek kullanım ve ömürleri açısından sorunlara sebep olmakta, hatta makinelerin ısınarak sıcak yüzey oluşturdukları noktalarda tutuşmalara sebep olarak yangın ve patlama gibi büyük sorunlara neden olabilmektedir. Bu sebeple yeraltı çalışmalarında tozla mücadele büyük önem kazanmaktadır. 
Bu çalışmada, bir yeraltı taşkömürü bir yeraltı linyit ocağında üretim esnasında oluşan havada asılı kalabilen ve patlamaya neden olabilecek kömür tozlarının (float dust) miktarları belirlenmiştir. Ayrıca, yeraltından alınan kömür örneklerinin kısa analizleri yapılmış, tane boyutu analizleri yapılmış ve mineralojik analizleri yapılarak karakterizasyonu hakkında bilgi edinilmiştir. Çalışmada Hartmann Aparatı kullanılarak hazırlanan kömür tozlarının patlayabilir nitelikte olup olmadıkları araştırılmış, ayrıca kömür tozlarının sıcak yüzeylerde tutuşabilirlikleri ASTM standardına uygun şekilde incelenmiştir. Yapılan kısa analiz sonuçlarına göre ayaktan alınan linyit kömürünün nem içeriğinin %9,0 ile %13,80 arasında olduğu kül içeriklerinin ise %20 ile %38,21 arasında olduğu bulunmuştur. Taşkömürünün kısa analiz sonuçları ise nem miktarı %2-3 arasında değiştiği, kül içeriğinin ise %9,66 ile %19,50 arasında çıktığı görülmüştür. Tane boyutu analizleri deneylerin güvenilir olması amacıyla gerçekleştirilmiş ve tüm toz örneklerinin tane boyutlarının %90'ının 74 µm'nin altında olduğu belirlenmiştir. Ayrıca tane boyutu analizi linyit ocağında Genel Hava Çıkışı ve Kelebe Çıkışında biriken tozlardan alınan toz örneklerinin %90'ının 35 µm'nin altında olduğu görülmüştür. Mineralojik analiz için XRD ve XRF analizleri yapılmıştır. XRD analizlerine göre linyit kömüründe I.Kat ayak için Kuvars (SiO2), Kalsit (CaCO3) ve Dolomit ((CaMg(CO3))2) çıktığı görülmüştür. II.Kat ayakta ise Kuvars (SiO2), Kaolinit (Al2Si2O5(OH)4), Muskovit (KAl2Si3AlO10(OH)2) ve Ferropargasite NaCa2Fe4AlSi6Al2O22(OH)2) çıktığı görülmüştür. Taşkömüründe yapılan XRD sonuçlarına göre ise Acılık damarında; Kuvars (SiO2), Kalsit (CaCO3) ve Dolomit ((CaMg(CO3))2), Kaolinit (Al2Si2O5(OH)4) ve Klinoklor (Mg,Al,Fe)6(Si,Al)4O10(OH)8 çıktığı, Büyük damarında ise Kuvars (SiO2), Kalsit (CaCO3) ve Dolomit ((CaMg(CO3))2), Kaolinit (Al2Si2O5(OH)4), Klinoklor (Mg,Al,Fe)6(Si,Al)4O10(OH)8 ve Muskovit (KAl2Si3AlO10(OH)2) çıktığı görülmüştür. Yine aynı şekilde XRF sonuçları incelendiğinde her iki kömür damarında da benzer kimyasal bileşenler (SiO2, Al2O3, Fe2O3, SO3, CaO ve MgO) çıktığı görülmüştür.
Yeraltında yapılan ölçümler sonucunda ise, linyit ocağında bir vardiyada oluşan havada asılı toz yoğunluklarının 12,33 mg/m3 ile 81,46 mg/m3 arasında ve ton başına oluşan havada asılı toz miktarlarının ise 7553 mg ile 36349 mg arasında olduğu belirlenmiştir. Ayrıca, yeraltı taşkömürü ocağında yapılan ölçümlerde havada asılı toz yoğunluklarının 53,52 mg/m3 ile 555,96 mg/m3 arasında değiştiği ve ton başına havada asılı toz miktarlarının ise 31721 mg ile 511280 mg olduğu tespit edilmiştir. 
Hartmann aparatı ile yapılan deneyler sonucunda hem linyit hem de taşkömürü tozlarının patlayabilir nitelikte olduğu belirlenmiştir. Her ne kadar Hartmann Aparatı test amaçlı da olsa elde edilen konsantrasyon değerleri kendi içinde karşılaştırılabilir niteliktedir. Linyit kömürü, nemli durumda ortalama 181,6 g/m3, nemsiz durumda 103,6 g/m3 konsantrasyonlarda patladığı görülmüştür. Linyit kömürünün patlamasını engellemek için Hartmann Aparatında yapılan deneyler sonucu kullanılması gereken taş tozu oranı ise her iki kat içinde %60 oranında çıktığı tespit edilmiştir. Taşkömüründe ise her iki kömür damarı içinde nemli durumda ortalama 78,97 g/m3, nemsiz durumda ortalama 77,60 g/m3 konsantrasyonunda patladığı tespit edilmiştir. Taşkömürü tozunun patlamasını engellemek için Hartmann Aparatında yapılan deneylerde Büyük damarı için kullanılması gereken taş tozu oranı %70, Acılık damarında ise nemli durumda %70, nemsiz durumda ise %80 çıktığı tespit edilmiştir. 
Taşkömürü örneklerinin nem içerikleri düşük olduğundan (ortalama %2,5), bu örneklere ait orijinal nemli kömür tozları ve nemi giderilmiş kömür tozları karşılaştırıldığında patlamaya yol açabilecek alt sınır konsantrasyonları açısından örnekler arasında önemli bir fark bulunmadığı belirlenmiştir.  Ancak çalışmada kullanılan linyit kömürü örneklerinin görece olarak yüksek nem içeriğine sahip olmasının (ortalama %10) bu kömürlerin orijinal nemli ve nemi giderilmiş toz örnekleri için tespit edilen patlayabilir konsantrasyon alt sınırları arasında neredeyse %80'e varan bir fark oluşturduğu belirlenmiştir. Bu durumda, yeraltı galerilerinde biriken patlayabilir nitelikteki kömür tozlarının nemli hale getirilmesinin kömür tozu patlamalarıyla mücadele açısından oldukça önemli olduğu açıktır.
Bunun yanı sıra, kömür tozu örneklerinin sıcak yüzeylerde tutuşabilirlik deneyleri sonucunda linyit kömürüne ait tozların ortalama 190°C'de, taşkömürüne ait kömür tozlarının ise ortalama 210°C'de tutuştuğu tespit edilmiştir. Ayrıca çalışmada elde edilen sonuçlara göre toz tabakasının incelmesi durumunda (yarıya indirildiğinde) tutuşma sıcaklığının 20°C'lik bir artış gösterdiği, toz tabakasının kalınlaşması durumunda (iki katına çıkarıldığında) ise 20°C'lik bir azalma gösterdiği gözlemlenmiştir.

Abstract:
Mining is an important industry branch in the supply of raw materials and by-products that have been given great importance in the world for many years and that requires more labor and capital compared to other working areas and that other sectors need. However, mining activities carry serious risks in terms of occupational health and safety in the stages of extracting precious metals from underground, processing and bringing them to the market. Especially after the gases encountered underground, the most important risk is the risks arising from coal dust. Coal dust can cause serious health problems, loss of workforce and decrease in productivity in the working area for those working underground. In addition, in underground works, coal dusts that reach the appropriate concentration by being ventilated by a factor explode as a result of ignition with an ignition source, resulting in more dangerous and deadly results. In addition, coal dust accumulates on the machinery and equipment, causing problems in terms of use and life, and even causing fire and explosion at the points where the machines get hot and form a hot surface, causing major problems such as fire and explosion. For this reason, dust control in underground works is of great importance.
In this study, the amounts of coal dust (float dust) that can be suspended in the air and may cause an explosion, formed during the production of an underground hardcoal and an underground lignite mine, were determined. In addition, proximate, particle size and mineralogical analyzes of coal samples taken from underground were performed to characterize the samples. In addition, explosibility screening of the prepared coal dusts were investigated by using the Hartmann Apparatus and the dust samples were tested for determining their smoldering temperatures according to the relevant ASTM standard. According to the results of the proximate analysis, it was found that the moisture content of lignite coal taken from the face was between 9.0% and 13.80%, and the ash content was between 20% and 38.21%. Proximate analysis results of hard coal showed that the moisture content varied between 2-3%, and the ash content was between 9.66% and 19.50%. Particle size analyzes were carried out to verify the particle size of the samples were suitable for testing and it was determined that the particle size of the samples was below 74 µm (90%). In addition, the particle size analysis was also carried out for the dust taken from the main air return and connection gallery in the underground lignite mine it was seen that 90% of the dusts were below 35 µm. In the context of the study, XRD and XRF analyzes were performed for mineralogical analysis of the samples. According to XRD analysis, it was observed that Quartz (SiO2), Calcite (CaCO3) and Dolomite ((CaMg(CO3))2) were produced for the upper longwall slice in lignite coal. Quartz (SiO2), Kaolinite (Al2Si2O5(OH)4), Muscovite (KAl2Si3AlO10(OH)2) and Ferropargasite NaCa2Fe4AlSi6Al2O22(OH)2) were observed in the lower longwall slice. According to the XRD results made for hard coal, in Acılık Damar; Quartz (SiO2), Calcite (CaCO3) and Dolomite ((CaMg(CO3))2), Kaolinite (Al2Si2O5(OH)4) and Clinochlor (Mg,Al,Fe)6(Si,Al)4O10(OH)8 In the Büyük Damar, Quartz (SiO2), Calcite (CaCO3) and Dolomite ((CaMg(CO3))2), Kaolinite (Al2Si2O5(OH)4), Clinochlor (Mg,Al,Fe)6(Si,Al)4O10(OH)8 and Muscovite (KAl2Si3AlO10(OH)2) were observed. Likewise, when the XRF results were examined, it was observed that similar chemical components (SiO2, Al2O3, Fe2O3, SO3, CaO and MgO) were found in both coal seams.
As a result of the measurements made underground, it was determined that the float dust concentrations formed in one shift in the lignite mine were between 12.33 mg/m3 and 81.46 mg/m3 and the float dust amount formed per ton were between 7553 mg and 36349 mg. In addition, in the measurements made in the underground coal mine, it was determined that the float dust concentration ranged from 53.52 mg/m3 to 555.96 mg/m3, and the float dust amounts per ton were between 31721 mg and 511280 mg.
As a result of the experiments carried out with the Hartmann Apparatus, it was determined that both lignite and hard coal dusts are explosive. Although the Hartmann Apparatus is for testing purposes, the concentration values obtained are comparable within themselves. It was observed that lignite coal with original moisture content exploded at an average concentration of 181.6 g/m3 and 103.6 g/m3 with moisture-free condition. As a result of the experiments carried out in the Hartmann Apparatus to prevent the explosion of lignite coal, it was determined that the rate of stone dust that should be used was 60% in both layers. It was determined that hard coal exploded in both coal seams at an average concentration of 78.97 g/m3 in humid condition and 77.60 g/m3 in non-humid condition. In the experiments carried out in the Hartmann Apparatus to prevent the explosion of hard coal, it was determined that the stone dust ratio that should be used for the large vein is 70%, in the bitter vein it is 70% in damp condition and 80% in non-moisture condition. Since the moisture contents of the hardcoal samples used in the study is low (an average of 2,5%), it was found that there was no significant difference between the original samples and moisture-free samples in terms of lower limit of explosible concentrations. However, it was acquired that there was a significant difference (almost 80%) between lower limit of explosible concentrations for original and moisture-free lignite samples as the lignite samples have relatively higher moisture contents (an average of 10%). This finding suggests that increasing the moisture of the float coal dusts collected in underground galleries is a very effective way for combating coal dust explosions.
Moreover, smoldering temperature tests performed within the scope of the study showed that the lignite coal dust ignited at an average temperature of 190°C while the hardcoal dusts ignited at an average temperature of 210°C. It was found that a 20°C increase occurred in smoldering temperature of both coal dust if the thickness of the dust is decreased to one half while the temperature reduced by 20°C if the thickness of the dust is doubled.