Avdan kömür sahası özelinde çok damarlı kömür kaynaklarının modellenmesi
Modeling of multi-veined coal resources at Avdan coal site
Yazar: YUSUF TÜRKMEN
Danışman: DOÇ. DR. CÜNEYT ATİLLA ÖZTÜRK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Maden Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining
Dizin: Açık ocak madenciliği = Open pit mining ; Bilecik-Söğüt-Avdan = Bilecik-Söğüt-Avdan ; Kömür yatakları = Coal deposit

Özet:
Enerji, günümüzde olmazsa olmaz ihtiyaçlardan birisidir. Günden güne önemi artan birçok türü bulunan enerjinin en önemli türlerinden birisi de elektrik enerjisidir. İnsan hayatında ve gündelik yaşamda oldukça önemli bir yer tutan elektrik, gelişime katkı sağlamakla birlikte gelişmişlik seviyesinin artmasıyla elektriğe duyulan ihtiyaç da artmaktadır. Evlerde kullanılan birçok cihazın elektrikle çalışması, sanayide kullanılan makine ve ekipmanların neredeyse tamamının elektrik enerjisine ihtiyaç duyması bir yana, dijitalleşme ile birlikte kullanılan elektrikli ve elektronik aletlerinin sayısı günden güne çoğalmakta, bunlara duyulan ihtiyaç giderek fazlalaşmakta ve bütün bunlar hayatlarımızda vazgeçilemez bir yer tutmaktadır. Bütün bunların yanında, elektrikli araçlar gibi yenilikçi teknolojik gelişmelerin ilerlemesine bakıldığında, önümüzdeki yıllarda elektriğin, insan hayatı için oksijen kadar gerekli bir yer tutacağı yadsınamaz bir gerçektir.
Elektrik, evlerde, sanayide, hastanelerde, okullarda, devlet dairelerinde ve aklımıza gelebilecek hemen her yerde kullanıcısına bir priz ya da bir anahtar kadar yakınken, üretim ve iletim süreçleri olarak oldukça kapsamlı proseslerden geçmektedir. Elektrik enerjisi, birçok üretim yöntemi ile elde edilebilmektedir. Bunlar rüzgâr, güneş gibi yenilenebilir enerji kaynakları olabildiği gibi doğal gaz, kömür ve fosil yakıtlar gibi yenilenemeyen kaynaklardan elektrik üretimi halen oldukça yaygın kullanılan yöntemlerdendir. Son yıllarda yalnızca ülkemizde ve bölgemizde değil bütün dünyada yaşanan ekonomik krizlerin, savaşların, politik sürtüşmelerin ve enerji darboğazlarının neticesinde, enerjide dışa bağımlılığı azaltmanın hayati öneme sahip olduğu gerçeği, ciddi ve acı bir şekilde kavranmıştır. Bu sebepten, yerli kaynaklardan elektrik üretimi, ülkeler için en temel hedeflerden birisi haline gelmektedir.
Ülkemiz için elektrik üretim yöntemleri içerisinde fosil yakıtlardan elektrik üretimi oldukça yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. Ülkemizde gerek EÜAŞ gerekse özel sektör tarafından gerçekleştirilen elektrik üretiminde fosil yakıtların payı yaklaşık yüzde 60 oranındadır. Ancak ithal doğalgaz ve ithal kömür ile elektrik üretimi, fosil yakıtlardan elektrik üretimi içinde yüksek bir orana sahiptir. Yerli kömürden üretilen elektrik miktarı toplam üretilen elektrik miktarının yalnızca yüzde 14'üne denk gelmektedir. Yerli kömür kaynaklarının ekonomiye ve üretime kazandırılması, termik santrallerin yerli kömür ile beslenmesi ülkemiz enerji politikaları içerisinde mühim bir yer tutmaktadır. Bu sebeple, yerli kömür kaynaklarından işletilebilir verimliliğe sahip olanların tespiti, değerlendirilmesi, planlanması ve işletilmesi büyük önem arz etmektedir.
Kömür, madencilik üretim yöntemleri ile üretimi gerçekleştirilen bir yeraltı kaynağıdır. Madencilik faaliyetlerinin riski yüksek olmakla birlikte ekonomik olup olmadığı da üretim planlamaları için oldukça önemlidir. Bir maden yatağının işletilmesinin optimum koşullarda gerçekleştirilebilmesi için öncelikle düzgün bir planlamaya ve modellemeye ihtiyaç duyulmaktadır. Yeraltındaki kaynağın tespiti, fizibilitesi, analizi, modellenmesi ve kalitesinin belirlenmesi, üretim aşamalarından önce yapılması gereken işlemlerdendir. Böylelikle kaynağın miktarı ve kalitesi, buna paralel olarak ekonomik açıdan ve verimlilik açısından işletilebilir olup olmadığı, işletilebilir ömrü, işletme yöntemi gibi kilit sorulara cevap bulunmuş olacaktır.
Sahada öncelikle jeolojik araştırmalar ve çalışmalar gerçekleştirilmektedir. Yeraltındaki kaynağın tespiti için sondajlar yapılmaktadır. Sondajlardan elde edilen karot numuneleri jeolojik açıdan incelenmekte ve bu sondajlarda yer alan formasyonlar ile litolojiler belirlenmektedir. Her bir sondaj için kot değerleri ile birlikte cevher, kömür ve yan kayaç tanımlamaları yapılmaktadır. Sondajlarda yer alan cevher ya da kömür numuneleri analiz edilmektedir. Analiz sonuçlarında maden yatağının sondajlarda yer alan kısımlarının kalite değerleri tayin edilmektedir. Tüm bu veriler kayıt altına alınmakta ve modelleme çalışmalarında kullanılmaktadır.
Maden yataklarının planlanmasında ve kaynak modellemede entegre madencilik yazılımları kullanılmaktadır. Bu yazılımlar, sondaj verilerinden üç boyutlu katı model oluşturulabilmesini ve ocak tasarımının yapılabilmesini sağlamaktadır. Maden yataklarının üç boyutlu modellenmesinde kullanılan yazılımlardan birisi de yerli bir program olan NETPROMine yazılımıdır.
Bu çalışmada, Avdan kömür sahasına ait sondaj verilerinden yola çıkılarak sahada yer alan kömürün NETPROMine programı ile modellemesi gerçekleştirilmiştir. Ayrıca sahadaki kömürün kalite değerleri jeoistatistiksel kestirim yöntemleri ile modellenmesi amaçlanmıştır.
Sondaj verileri incelenmiş, düzenlenmiş, litoloji ve ham örneklem verileri ile karşılaştırılmış, değerlendirilmiş ve NETPROMine programına yüklenenilecek dosyalar haline getirilerek uygun formatta hazırlanmıştır. Sondaj verileri programa yüklenmiş, sondajlarda yer alan litolojik tanımlamalar da litoloji dosyası yüklenerek gerçekleştirilmiştir. Kömür için ham örneklem kayıtları, kalori, kül, kükürt, nem ve uçucu madde değerlerinden oluşmaktadır. Sahadaki kömüre ait kalite parametreleri NETPROMine'a tanımlanmış ve ham örneklem verileri de programa yüklenmiştir.
Sondajlarda yer alan kömürün ortalama litolojik kalınlığı 1,05 metre olarak hesaplanmıştır. Jeoistatistiksel kestirim işlemleri için gerekli olan örneklem verisinin elde edilebilmesi için kompozitleştirme işlemi gerçekleştirilmiştir. Kompozit uzunluğu 1,20 metre olarak belirlenmiştir.
Kompozitleştirme işleminden sonra sahada yer alan kömürün kalori, kül, kükürt, nem ve uçucu madde değerlerine ait histogramlar, hem ham örneklem verisi için hem de kompozit veri için incelenmiş ve karşılaştırılmıştır. Ayrıca kalori değerinin kül, kükürt, nem ve uçucu madde yüzdesi karşısındaki değişimi saçılım grafikleri ile incelenmiş ve beş farklı eğilim için korelasyonları hesaplanmıştır.
Sondaj kayıtları ile litolojik veriler incelenmiş ve sahada yer alan kömürün Sekköy ve Yenidere formasyonu olmak üzere iki farklı formasyonda olduğu tespit edilmiştir. Kömürün her bir formasyon içerisinde damarlar halinde yataklandığı görülmüştür. İki farklı kömür zonu, birçok kömür damarı ile arakesme diye adlandırılan yan kayaçların katmanlar halinde bulunmasından oluşmaktadır. Üretim kaynaklı kirlenmenin önüne geçebilmek ve daha doğru bir kaynak kestirimi yapabilmek için kömürün damarlar halinde modellenmesine karar verilmiştir. Damar tanımları, her iki formasyon için, sondajlarda yer alan kömürün Z (kot) değerleri hesaplanarak yapılmıştır. Sekköy formasyonu için 12, Yenidere formasyonu için 9 farklı damar tanımı yapılmıştır.
Her bir damar için damar sınırları belirlenmiş ne NETPROMine'da çizilmiştir. Damar sınırları çizilirken sondajlar arası ortalama mesafe, sondaj etki alanı ve kömürün mostra verdiği yerdeki topoğrafya dikkate alınmıştır.
Kömürün katı modelinin oluşturulabilmesi için her bir damar için alt ve üst yüzeyler oluşturulmuştur. Yüzey oluşturma yöntemi olarak ters uzaklık kestirimi yöntemi tercih edilmiştir. Yüzeyler arası katı model oluşturma yöntemiyle kömür damarlarına ait katı modeller oluşturulmuştur. Kalite kestirim işlemi için gerekli olan blok modele ait parametreler, sahanın boyutları ve kömür damarlarının kalınlıkları göz önüne alınarak belirlenmiş ve katı modelden blok model üretilmiştir.
Jeoistatistiksel kestirim yöntemi olarak krigleme yöntemi tercih edilmiştir. Krigleme için gerekli olan variogramlar oluşturulmuştur. Öncelikle düşey kuyuiçi deneysel variogram, sonra her iki formasyon için yönsüz deneysel variogramlar ve tüm saha için yönsüz deneysel variogram incelenmiştir. Deneysel variogramların, küresel variogram modeline uygun olduğu belirlenmiş ve bu model için variogram parametreleri elde edilmiştir. Sahadaki anizotropiyi incelemek için variogram haritası incelemesi yapılmış ve sahanın izotropik olduğu tespit edilmiştir. Elde edilen her bir yönsüz variogram için ayrı ayrı krigleme işlemi yapılmıştır. Kriglemeler çapraz doğrulama yöntemi ile kontrol edilerek gerçek veriler ile kestirilmiş veriler karşılaştırılmıştır. Çapraz doğrulama sonucunda en yüksek korelasyon ve en düşük hatanın elde edildiği krigleme ile blok model üzerinde blokların kalori değerinin kestirimi gerçekleştirilmiştir.
Elde edilen kestirim sonuçları kalori aralıklarına göre tematik olarak verilmiştir. Ayrıca kalori aralıklarına göre hacim ve tonaj verileri, kalori tonaj değişimleri, ortalama kalori değerleri sunulmuştur.

Abstract:
Energy is one of the indispensable needs of our time, and its importance is increasing day by day. One of the most important types of energy, which comes in many varieties, is electrical energy. Electricity has a very important place in human life and daily life, and also contributes to development. With the increasing level of development, the demand for electricity is also increasing. Many household appliances, almost all machines and equipment in industry need electric energy. The number of electrical and electronic devices used in the process of digitalization is increasing day by day, and the demand for these devices is also increasing. If, in addition, we consider innovative technological developments such as electric vehicles, it is an indisputable fact that electricity will occupy a place in human life that is as necessary as oxygen in the years to come.
In homes, industry, hospitals, schools, government offices, and almost everywhere we can think of, electricity is as close as an electrical outlet or switch to the user. However, the processes for generating and transmitting electricity are quite extensive. Electricity can be generated from renewable and non-renewable sources. Wind and solar are examples of renewable sources. Natural gas, coal, and fossil fuels are non-renewable energy sources. As a result of the economic crises, wars, political tensions and energy shortages in the world in recent years, it has been recognized that it is imperative to reduce dependence on foreign countries for energy. For this reason, power generation from domestic resources is becoming one of the most important goals for countries.
Power generation from fossil fuels is a widely used method in our country. Fossil fuels account for about 60 percent of electricity generation in our country. Electricity generation using imported natural gas and coal has a high share. The share of electricity generated from domestic coal resources is only 14%. The integration of domestic coal resources into the economy and production, as well as the supply of thermal power plants with domestic coal, occupy an important place in our country's energy policy. For this reason, it is important to identify, evaluate, plan and operate domestic coal resources.
Coal is an underground resource extracted by mining production methods. The risk of mining is high. Therefore, whether it is economical or not is very important for production planning. In order to operate a deposit under optimal conditions, proper planning and modelling is first required. Determination of underground resources (in terms of quality and quantity) and feasibility, analytical and modelling studies are among the procedures that should be carried out before the production phases. Based on these studies, the quantity and quality of the resource are determined, as well as the economics and efficiency of operation, the duration of operation, and the method of operation.
First, geological surveys and studies are carried out on site. Boreholes are drilled to determine the underground resource. Cores taken from these boreholes are analysed for geology, formations, and lithologies. Ore, coal, and country rock determinations are made for each drill hole along with elevation values. The ore or coal samples in the drill holes are analysed. As a result of the analysis, the quality values of the parts of the mineral deposit contained in the drill holes are determined. All these data are recorded and used in modelling studies.
Integrated mining software is used in mineral deposit planning and resource modelling. This software enables the creation of a three-dimensional solid model from the drilling data and the design of the quarry. One of the software used for three-dimensional modelling of mineral deposits is the domestic program NETPROMine.
In this study, based on the drilling data of Avdan coal site, the modelling of coal in the field is carried out using NETPROMine program. In addition, the quality values of the coal in the site will be modelled using geostatistical estimation methods.
The drilling data are analysed, evaluated, and prepared in a format for NETPROMine. The drilling data are loaded into the program. The lithological definitions in the drill holes are performed. Raw sample data sets of coal include values for calorie, ash, sulphur, moisture, and volatile matter values. The quality parameters of the coal in the field are defined in NETPROMine and the raw sample data are loaded into the program.
The average lithologic thickness of the coal in the boreholes is calculated to be 1.05 m. In order to obtain the sample data required for the geostatistical estimation procedures, a compositional procedure is performed. The composite length is determined to be 1.20 m.
After the composition process, the histograms of the calorie, ash, sulphur, moisture, and volatile matter values of the coal in the field are examined and compared for both the raw sample data and the composite data. In addition, scatter plots are used to examine the change of calorie value relative to changes in ash, sulphur, moisture, and volatile matter is examined with scatter plots and correlations are calculated for five different trends.
Drilling logs and lithologic data are examined. Coal in the field was found to occur in two different formations, the Sekköy and Yenidere formations. It is observed that the coal is deposited as veins in each formation. It consists of two distinct coal zones, many coal seams and intersections. In order to make an accurate resource estimate, it is decided to model the coal as veins. The veins are defined by calculating the Z-values (elevation) of the coal in the drill holes for both formations. For the Sekköy formation 12 different veins are defined and for the Yenidere formation 9 different veins are defined.
Vein boundaries are determined for each vein and plotted in NETPROMine. When drawing the vein boundaries, the average spacing between wells, the impact area of the wells, and the topography in which the coal is outcropped are considered.
In order to create a solid model of the coal, upper and lower surfaces are generated for each vein. The inverse distance estimation method is preferred as the surface generation method. Solid models of coal seams are created using the interfacial solid modelling method. The parameters of the block model required for the quality estimation process are determined considering the dimensions of the field and the thickness of the coal seams. The block model is created from the solid model.
The kriging method is preferred as a geostatistical estimation method. The variograms required for kriging are created. First, the vertical downhole experimental variogram, then the omni-directional experimental variograms for both formations, and the omni-directional experimental variogram for the entire field are examined. The experimental variograms are compared with the variogram models and the variogram parameters are determined. Variogram map analysis is performed to investigate the anisotropy in the field. As a result of the investigation, it is found that the field is isotropic. Kriging is performed separately for each omni-directional variogram. The accuracy of kriging is checked by the cross-validation test, and the estimated data are compared with the actual data. The estimation of the calorific value of the blocks is performed using the block model with kriging, where the highest correlation and the lowest error are obtained as the result of cross-validation.
The estimation results obtained are organized thematically according to the calorific value ranges. The volume and tonnage in each calorific value range are determined. In addition, volume and tonnage data by calorific value intervals, calorific value-tonnage changes, and average calorie values are presented.