Kars- Kağızman kaya tuzunun mekanik özelliklerinin belirlenmesi ve topuk duraylılık analizi
Determination of mechanical properties of Kars-Kagizman rock salt and pillar stability analysis
Yazar: ZAHİR KIZILTAŞ
Danışman: PROF. DR. İHSAN ÖZKAN
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining

Özet:
Kars- Kağızman yeraltı kaya tuzu maden ocağında oda-topuk üretim yöntemi uygulanmaktadır. Maden ocağında kullanılan topukların duraylılığının incelenmesine odaklanan bu tez çalışması üç temel başlıkta incelenmiştir. Bunlar sırasıyla kaya tuzuna ait boyut ve şekil etkisinin belirlenmesi, kaya mekaniği deneyleri ve topuk tasarım analizleridir. Maden sahasından üniversite laboratuvarına getirilen 30 kaya tuzu bloğundan örneklerin hazırlanması için mazot kullanılmıştır. Çalışmanın ilk aşaması için farklı çaplarda (42 mm, 54 mm ve 93 mm) farklı H/D oranlarında (0.5, 1.0, 1.5, 2.0 ve 2.7) silindir örnekler, benzer şekilde farklı en (25 mm, 50 mm, 75 mm, 100 mm ve 125 mm) ve farklı H/W oranlarında (0.5, 1.0, 1.5, 2.0 ve 2.5) kare prizma örnekler hazırlanmıştır. Gerçekleştirilen tek eksenli basma dayanımı (TEBD) deneyleri sonucunda ölçek etkisinden arındırılmış silindir örnekler için çap boyutunun D ≥ 50 mm, boy ve çap oranının H/D = 2 olması gerektiği aynı şekilde kare prizma örnekler için en boyutunun W ≥ 50 mm, boy ve en oranının H/W = 2 olması gerektiği belirlenmiştir. Ölçek etkisinden arındırılmamış bir deney sonucunun ölçek etkisinden arındırılmış deney sonucuna çevrilmesi için düzeltme katsayısı (K) eşitlikler geliştirilmiştir. 
Bu tez çalışmasının ikinci aşamasında bir seri kaya mekaniği deneyleri yapılmıştır. Kaya tuzunun yoğunluk,  gözeneklilik, gözenek hacmi ve su içeriği değerlerinin sırasıyla 2.07 gr/cm3 , % 0.38, 0.5333 cm3 ve % 0.14 olduğu saptanmıştır. Nokta yükleme dayanımı indeks değerinin 1.508 MPa, anizotropi değerinin 2.24 olduğu belirlenmiştir. Suda dağılma dayanımına ait Id1 değeri % 51.85 ve Id2 değeri %22.97'dir. Kaya tuzu bloklarında gerçekleştirilen Schmidt sertlik deneylerinden tabakalara dik 23.3, tabakalara paralel için ise 17.5 olduğu genel ortalamasının ise 20.4 olduğu tespit edilmiştir. Ölçek etkisinden arındırılmış silindir örnekler (H/D = 2, D ≥ 50 mm)  ve kare prizma örnekler (H/W = 2, W ≥ 50 mm)  üzerinde gerçekleştirilen TEBD deney sonuçları sırasıyla 23.46 MPa ve 25.93 MPa olduğu belirlenmiştir. Farklı çaplarda gerçekleştirilen dolaylı çekme (Brazilian) dayanımı değerlerinin 93 mm, 54 mm ve 42 mm çaplı numuneler için sırasıyla 0.91 MPa, 1.62 MPa ve 2.80 MPa olduğu görülmüştür. Kaya tuzu için yapılan TEBD ve Brazilian deney sonuçları ile yapılan değerlendirmede kohezyon ve içsel sürtünme değerlerinin 2.85 MPa ve 58° olduğu saptanmıştır. Kağızman kaya tuzu için gerçekleştirilen tek eksenli deformabilite deneyleri sonucunda 93 mm çaplı numuneler için teğetsel, ortalama ve kiriş elastik modül ve Poisson oranları sırasıyla 1.54 GPa, 1.23 GPa, 1.15 GPa ve 0.20, 0.26,0.13 olduğu görülmüştür. Kağızman kaya tuzu için makaslama deneyleri 54 mm ve 93 mm çaplı örnekler için yapılmıştır. Her iki farklı çap değerlerinde elde edilen eklem kohezyon değerleri 0.14 MPa ve 0.1277 MPa ve eklem sürtünme açısı değerleri sırasıyla 24.17° ve 24.93° olduğu belirlenmiştir. 
Bu tez çalışmasının üçüncü aşamasında, Kars – Kağızman kaya tuz madeninde kullanılan mevcut topuk tasarımına yönelik ve parametrik analizler için farklı topuk genişliklerine ait analitik ve sayısal çözümlemeler yapılmıştır. Analitik çözümlemelerde, maden ocağındaki mevcut topuk genişliği için (wp = 10 m) topuk üzerinde düşey gerilmenin 5.96 MPa, topuk dayanımının 21.175 MPa ve buna bağlı güvenlik katsayısının ise 3.55 olduğu belirlenmiştir. Ayrıca analiz sonuçlarından kritik topuk genişliğinin (wp) 6.68 m seviyelerinde olduğu belirlenmiştir. İki boyutlu sayısal analizlerde Phase 2 programı kullanılmıştır. Yapılan analiz sonuçlarından ocakta kullanılan mevcut 10 m'lik topuk genişliği ve diğer topuk genişlikleri için Mohr-Coulomb elastik, elasto-plastik ve Hoek-Brown elastik koşullarda anlamlı benzer sonuçlara ulaşılmıştır. 10 m topuk genişliğine sahip topuk merkezinde (C noktası) ikincil büyük gerilme (σ1)  3.3 MPa, toplam yer değiştirme (U) değerlerinin ise 3 mm olduğu tespit edilmiştir. Maden ocağında kullanılan topuk boyutunun (wp =10 m ve hp =10 m) duraylılık açısından güvenli olduğu belirlenmiştir.

Anahtar Kelimeler: Kağızman kaya tuzu, kaya mekaniği deneyleri, analitik ve sayısal analiz, topuk tasarımı

Abstract:
In Kars-Kağızman underground rock salt mine, room-pillar production method was applied. This thesis, which focuses on the study of the stability of pillars used in the mine, were examined under three main topics. These are determination of rock salt size and shape effect, rock mechanics experiments and pillar design analysis, respectively. Fuel oil was used to prepare samples from 30 rock salt blocks brought from the mine site to the university laboratory. For the first section of the study, cylindrical samples with different diameters (42 mm, 54 mm and 93 mm) at different H / D ratios (0.5, 1.0, 1.5, 2.0 and 2.7) and also square prism samples with different widths (25 mm, 50 mm, 75 mm, 100 mm and 125 mm) at different H / W ratios (0.5, 1.0, 1.5, 2.0 and 2.5) were prepared. According to the result of the uniaxial compressive strength (UCS) tests carried out, the scale size of the cylindrical specimens are D ≥ 50 mm and the height and diameter ratio should be H / D = 2. The similarly, for square prism samples are determined as W ≥ 50 mm and height of width ratio of H / W = 2. Correction coefficient (K) equations were developed in order to convert the result of a non-scale effect to a scale-free test result. 
In the second section of this thesis, a series of rock mechanics experiments were carried out. The density, porosity, pore volume and water content values of the rock salt were 2.07 g / cm3, 0.38%, 0.53 cm3 and 0.14%, respectively. The results of the point load strength index test were determined, as 1.508 MPa and the anisotropy value were 2.24. According to the slake durability test results, Id1 value is 51.85% and Id2 value is 22.97%. According to the Schmidt hardness tests performed in rock salt blocks, Schmidt hardness tests result under applying perpendicular to the layers were 23.3  and for applying condition parallel to the layers were 17.5, in addition, the general test results were found to be 20.4. The results of the UCS test performed on the cylinder samples (H / D = 2, D ≥ 50 mm) and square prism samples (H / W = 2, W ≥ 50 mm) non-scale effect were determined as 23.46 MPa and 25.93 MPa, respectively. The indirect tensile strength (Brazilian-UTS) test results carried out on samples prepared at different diameters were determined as 0.91 MPa, 1.62 MPa and 2.80 MPa for samples with 93 mm, 54 mm and 42 mm diameter, respectively. The cohesion and internal friction values were found to be 2.85 MPa and 58 ° based on UCS and UTS test results. As a result of the uniaxial deformability tests for Kağızman rock salt, tangent, mean and secant elastic modulus and Poisson ratios for the 93 mm diameter samples were found to be 1.54 GPa, 1.23 GPa, 1.15 GPa and 0.20, 0.26, 0.13 respectively. Direct shear strength tests for Kağızman rock salt were carried out for samples with 54 mm and 93 mm diameter. The cohesion values obtained from both different diameter values were 0.14 MPa and 0.1277 MPa in addition, the internal friction angle values for joint were 24.17 ° and 24.93 ° respectively. 
In the third section of this thesis, analytical and numerical analyzes were made for the current   design used in Kars - Kağızman rock salt mine and for the width of different pillars. In analytical analysis, it was determined for the currently used pillar width (wp =10 m) that the pillar stress formed on the pillar was 5.96 MPa, the pillar strength was 21.175 MPa and the safety factor was 3.55. In addition, the critical pillar width (wp) was calculated by analysis as 6.68 m. Phase 2 program was used in two dimensional numerical analysis. According to the results of the analyses, Mohr-Coulomb elastic, elasto-plastic and Hoek-Brown elastic conditions were found to be significantly similar. In the pillar center (point C) of the currently pillar width (wp = 10 m) used in mining, it was determined that the secondary maximum stress (σ1) was 3.3 MPa and total displacement (U) was 3 mm. The pillar size (wp = 10 m and hp = 10 m) used in the mine was determined to be stable in terms of stability.

Keywords: Kağızman rock salt, rock mechanic experiments, analytical and numerical analysis, pillar design