Kollu galeri açma makinelerinin veya benzer makinelerin cevher kazısında kullanımlarının araştırılması
Investigations into application of boom type machines for mineral excavation
Yazar: HAKAN TUNÇDEMİR
Danışman: PROF. DR. NUH BİLGİN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yeraltı Maden İşletmeciliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2002
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining
Dizin: Cevher = Ore ; Cevher zenginleştirme = Ore dressing ; Galeri açma makineleri = Roadheading machine ; Kazı makineleri = Excavation machinery ; Kazı mekaniği = Excavation mechanic ; Üretim = Production

Özet:
KOLLU GALERİ AÇMA MAKİNELERİNİN VEYA BENZER MAKİNELERİN CEVHER KAZISINDA KULLANIMLARININ ARAŞTIRILMASI ÖZET Son zamanlarda tüm dünyada oluşan eğilimler, çevresel kısıtlamalar ve diğer piyasa şartlan madencilik şirketlerini daha karlı ve rekabet edebilir olmaya zorlamıştır. Karlı işletmeciliğin yollarından biri, cevher üretimi ve galeri kazısı aşamasında kollu makineler, sürekli kazıcılar, hidrolik kırıcılar ve tam cephe tünel açma makineleri gibi mekanik kazıcılar kullanmaktır. Bu makinelerle sürekli kazı işlemi gerçekleştirilebildiği için mekanik kazıcılarla donatılmış madenlerde üretim maliyetlerinin düşeceği, verimliliğin ve rekabet gücünün artacağı düşünülmektedir. Bu çalışma, Devlet Planlama Teşkilatı tarafından desteklenen bir araştırma projesinin parçasıdır. Ayrıca, I.T.Ü. Araştırma Fon Saymanlığı tarafından bir proje ile desteklenmiştir. Çalışmada, Türkiye madencilik endüstrisi, rezervler, üretimleri, ithalat ve ihracat, organizasyon ve mekanik kazıcıların geçmişteki üretimleri açısından özetlenmiştir. Çalışmanın ana amacı, Türkiye'nin bazı yeraltı madenlerinde cevher üretimi aşamasında hızlı kazı teknolojilerinin kullanımının mümkün olup olmadığım araştırmaktır. Bunun için Türkiye madencilik endüstrisi genel olarak gözden geçirilmiştir. Bir çok maden ziyaret edilmiş ve madenler hakkında bilgi toplanmıştır. Bu madenlerin bazılarından 11 büyük kayaç bloğu alınmış ve kesilebilirlik özelliklerini belirlemek ve üretim hızı tahminleri yapmak için tam boyutlu laboratuvar kesme deneylerine tabi tutulmuştur. Araştırma sırasında öncelikle, konu hakkında literatür çalışması yapılmış ve daha önce cevher kazısında kullanılan kollu makinelerin performansları, çalışma koşullan hakkında bilgi verilmiştir. Piyasa şartlarında ne gibi standartlar (cevher boyut dağılımı, tenor, fiyat vb.) arandığı belirlenmiştir. Bundan sonra çalışma konusuna uygun olan madenler seçilmiş, arazide ve laboratuvarda bir dizi araştırma faaliyetleri yapılmıştır. Arazide yapılan çalışmalar; işletme hakkında bilgi toplama, yerinde yapılan deneyler ve numune alma gibi ana başlıklar altoda toplanmışlardır. İşletmenin kime ait olduğu, coğrafi konumu, buldum haritası, cevher yatağının tipi ve jeolojisi, işletmenin tanıtımı başlığı altoda ele alınmıştır. Yerinde yapılan deneyler de Schimidt Çekici'dir. Ocak içerisinde cevher kayası ve yankayaç üzerinde belirlenen değişik noktalarda Schimidt Çekici testi uygulanmış ve sertlik değerleri belirlenmiştir. Son olarak da ocağı temsil eden cevher numuneleri, kazı aynalarından ve yankayaç numuneleri de hazırlık galerilerinden alınmıştır. Laboratuvarda yapılan deneyler ise kazı mekaniği deneyleri ve kaya mekaniği deneyleri olmak üzere ikiye ayrılmıştır: XXKaza mekaniği deneyleri; gerçek boyutta keskilerin kullanıldığı "doğrusal kazı seti" (LCM) ile yapılan kesme deneyleri ve bu deneylerde elde edilen paşalar için yapılan elek analizleridir. Kaya mekaniği deneyleri ise basınç dayanımı (UCS), çekme dayanımı (BTS), dinamik elastisite modülü deneyi, statik elastisite modülü deneyi ve Cerchar aşındırıcılık deneyi olarak beş başlık altında toplanmıştır. Yapılan kaya mekaniği deneyleri sonucunda ele alman madenlerin basınç dayanımları 29 - 82 MPa, çekme dayanımları 2,2 - 5,7 MPa, statik elastik modülleri 3,5 - 2,1 GPa, dinamik elastik modülleri 3,7 - 76,4 GPa, Schmidt çekici sertlik değerleri 28 - 59, Cerchar aşındırıcılık indeksi değerleri 0,8 - 3 arasında değişmektedir. Bieniawski'nin 1989'da yaptığı sınıflamaya göre bu cevher kayacı ve yankayaçlar orta sert ve sert kayaç grubuna girmektedirler. Tam boyutlu kesme deneyleri, değişik keskiler arası mesafe ve kesme derinliklerinde pratikte kullanılan bir keskiye etki eden kesme kuvvetlerini ve birim hacimdeki kayacı kazmak için gerekli olan spesifik enerjiyi ölçmek için kullanılmaktadır. Optimum spesifik enerji değerleri (kWh/m3) ise s/d'nin belli değerlerinden bulunur. Bu değerler mekanik kazıcıların performans tahminlerinde kullanılır. Yapılan kesme deneyi sonucunda elde edilen verilere göre ele alınan kayaçların optimum keskiler arası mesafe/kesme derinliği oram 2-5 arasında, optimum spesifik enerji değerleri ise 2,7 - 9,2 kWh/m3 arasında değişmektedir. Pınarbaşı-Pulpınar kromit madeni için yapılan hesaplamalar örnek olarak alındığında, eğer 100 kW'lik kesici kafa gücüne sahip bir kollu makine kullanılırsa, bu optimum değerler yıllık 345 612 t/yıl cevher üretimine karşılık gelmektedir. Ancak kromit madeninde en önemli üretim faktörlerinden biri parça boyutudur. Yüksek İçerikli ve iri boyutlu cevherler daha yüksek fiyatlarla satılabilmektedir. Bu amaçla 33 kW'lik bir güce sahip hidrolik kinci kullanılarak yapılacak kazada ise iri boyutlarda 328 956 t/yıl cevher üretimi yapılabileceği anlaşılmıştır. Bu çalışma, metal madenlerinde mekanik kazıcı kullanıldığında halihazırda kullanılan üretim yöntemlerine nazaran yaklaşık 2 - 3 kat daha fazla cevher kazasının verimli bir şekilde yapabileceğini göstermiştir. Geçmişte yapılan baza çalışmalar, kazılan kayacın kırılganlığının basınç dayanımı ile çekme dayanımının çarpımı ve kesme kuvvetleri ile ilişkili olduğunu ortaya koymuştur. Altındağ, 2000 senesinde, kayacın tek eksenli basınç dayanımı ile çekme dayanımı arasında oluşan doğrusal ilişki grafiğinin altında kalan alanın kayaç kırılganlığının bir fonksiyonu olarak kullanılabildiğini ifade etmiştir. Bu alan bir dik üçgen alam olduğundan ( UCS x BTS/2 ) olarak denklemleştirilmiştir. Bu çalışmalar göz önünde bulundurularak, ele alınan madenler için yapılan kaza mekaniği deneyleri sonucunda tespit edilen optimum spesifik enerji değerleri ile kaya mekaniği deneyleri sonucunda belirlenen basınç dayanımı x çekme dayanımı parametreleri arasında oldukça yüksek korelasyonlu (R2=0,86) bir ilişki olduğu saptanmış ve (1) eşitliği ile ifade edilmiştir. SEopt = 0,027 (UCSxBTS) + 0,67 (1) Doğrusal kazı seti ile yüksek, normal ve düşük içerikli kromit numuneleri üzerinde yapılan kesme deneyleri sonucunda elde edilen kaza enerjisi (SE) ile elek analizi yapılması (25, 8, 2, 0.5, 0.125 mm elekler) sonucu elde edilen pasa irilik katsayısı xxı(PİK) beraberce irdelendiğinde, aralarında oldukça yüksek korelasyonlu lineer ve ters orantılı bir ilişki olduğu belirlenmiş ve (2), (3), (4) eşitlikleri ile ifade edilmiştir. d=5-10 mm de yüksek içerikli kromit için (R2=0,91); SE= -0,057(PİK) + 27,54 (2) d=5-10 mm de normal içerikli kromit için(R2=0,79); SE= -0,075(PİK) + 39,73 (3) d=5-9 mm de düşük içerikli kromit için(R2=0,92); SE= -0,01 0(PİK) + 53,86 (4) Bu tez çalışması ile cevher kazısı için sarfedilen spesifik enerjinin kayaç mekanik özellikleri ve pasa irilik katsayısı ile kestirilebileceği ortaya konulmuştur. xxıı

Abstract:
INVESTIGATION INTO APPLICATION OF BOOM TYPE MACHINES FOR MINERAL EXCAVATION SUMMARY Global trends, environmental restrictions, and other market conditions forced, in the last decade, mining companies all over the world to be more profitable and competitive. One of the ways to be more profitable is to use mechanical miners, such as roadheaders, continuous miners, impact hammers and tunnel boring machines, for ore extraction and excavation of development drivages. Since these miners allow for continuous operation, it is expected that mechanization of mines with mechanical miners would increase productivity, decrease production cost and improve competitiveness. This study, is part of a research project supported by the Turkey Republic Prime Ministry State Planning Organization (DPT) and the Technical University of Istanbul Research Foundation Center. Within the scope of this study, information on Turkey's mining industry was summarized in terms of reserves, mine productions, exports and imports, performance of boom machines in past ore production, and mine organisation. The basic focus of this study is to investigate the possibility of using rapid excavation systems in some of the underground mines in Turkey. For this objective, first, the Turkish mining industry was generally reviewed. Many mine visits were carried out and information about the mines was gathered. Eleven large block rock samples were collected from some of the mines and subjected to full-scale laboratory cutting tests for cuttability assesment and production rate estimation. Research activities concerning this thesis can be separated into two groups: insitu and laboratory investigations. Insitu studies have been summarized above. Two different types of laboratory tests were carried out: rock mechanics and rock cutting tests. The rock cutting tests consisted of cutting tests and sieve analyses. Cutting tests were carried out using LCM (linear cutting machine) and a real life conical cutter. Sieve analyses were performed on yields excavated during the cutting tests. Five important types of rock mechanic tests were carried out: unconfined compressive strength (UCS), tensile (Brazilian) strength (BTS), dynamic elastic modulus tests, static elastic modulus tests and Cerchar abrasivity tests. The rock mechanic tests carried out on rock specimens showed that the uniaxial compressive strength tests changed between 29 and 82 MPa, tensile strength tests between 2,2 and 5,7 MPa, static elastic modulus tests between 3,5 and 2,1 GPa, dynamic elastic modulus tests between 3,7 and 76,4 GPa, Schmidt hammer rebound values between 28 and 59, Cerchar abrasivity index between 0,8 and 3. According to the Bieniawski RMR system (1989), these rocks can be classified as medium and hard strength. xxmFull scale cutting tests were used to measure the cutting forces of real life conical cutter and specific energy values ( energy spent to excavate a unit volume of the rock ), for different depth of cut (d) and cutter spacing (s). Optimum specific energy values in kWh/m3 are obtained for a specific value of s/d ratio. Optimum specific energy values are used in estimating the cutting performance of mechanical excavators. The rock cutting tests carried out on different rock samples taken from different mines showed that the optimum s/d values changed between 2 and 5, SE values between 2,7 and 9,2 kWh/m3. As an example these vaules represent a production rate of 345 612 t/year for Pmarbaşı-Pulpınar chromite mine if a roadheader having a cutting power of 100 kW is used. However it is important to note that the size of material cut by roadheaders dictates the economy of the end product since in chromite there is an optimum size of the material which gives a high price of the ore. A performance model previous used for impact hammers showed that an annual production rate of 328 956 t/year may be easily obtained ifan impact hammer having 33 kW braking power. This investigation proved that the productivity and efficiency of mineral production may be double even three times if mechanical excavators are used in metal mines compared currently used mining methods. Previous studies showed that brittlenes may be significiantly represented by the product of (( uniaxial compressive strength x tensile strength) 12). Therefore, the relationship between optimum specific energy and (Uniaxial compressive strength x Brazilian tensile strength) was analysed, and a significiant value of correlation coefficient was found (R2= 0,86). Based on this, the optimum specific energy can be predicted by using equation (1). SE0pt = 0.027 ( UCS x BTS ) + 0.675 (1) When the specific energy (SE) values obtained from cutting tests and the coarseness index values (PİK) obtained from sieve analysis were analysed together, a high correlation was discovered between them. This is shown in equations (2), (3) and (4). For high-grade chromite, d= 5-10 mm, (R2= 0,91); SE=-0,057(PİK) + 27,54 (2) For medium-grade chromite, d= 5-10 mm, (R2= 0,79); SE= -0,075(PÎK) + 39,73 (3) For low-grade chromite, d= 5-9 mm (R2= 0,92); SE= -0,01 0(PlK) + 53,86 (4) This thesis indicated that optimum specific energy values may be predicted from mechanical rock properties and coarseness index. xxiv