Kollu GAM ın Cevher Kazısında Kullanımının Araştırılması...

[ozguryolcu]

Giriş

Teknolojik gelişmelere paralel olarak, yüksek yatırımlar gerektiren madencilik sektöründe, en
uygun verimlilik düzeyini yakalamak ve işletme maliyetlerini düşürmek için hazırlık ve üretim
gibi her aşamada, makine ile kazı kaçınılmaz hale gelmiştir. Bu görüşün ışığı altında, ülkemizdeki yeraltı madenlerinde de uygulanan üretim yöntemlerinin yeniden gözden geçirilerek daha verimli ve maliyeti düşürücü sistemlere geçişin hızlandırılması gerekmektedir.
Bununla beraber dünya metal madenleri piyasasında metal fiyatları gittikçe düşmektedir
(Sullivan v. diğ., 2001). Bu yüzden birçok maden kapanma tehlikesi ile karşı karşıya kalmıştır.
Maliyetleri düşürmek ve verimliliği artırmak amacı ile yeni mekanize üretim sistemleri araştırılmaya başlanmış, Şekil 1’de üniteleri gösterilen kollu makinelerin hareket kaabiliyetlerinin yüksekliği ve birçok cevher üretim yöntemiyle birarada çalışabilme özelliği, üretim aşamasında kullanılması fikrini ortaya çıkarmıştır. Makine ile cevher kazısı yapılan birkaç uygulamada da oldukça başarılı sonuçlar elde edilmiştir (Atlas Copco-Robbins 1996, Breitrick, 1998).



Şekil 1 Bir kollu makine ve üniteleri


Metal cevheri kazısında bu tür makinelerin kullanılmaları ve üretim yöntemlerinin de bu
makinelere göre modellenebilmesi için herşeyden önce, kazılması düşünülen cevher formasyonun mekanik ve kazılabilirlik özelliklerinin belirlenmesi gerekir. Bunun için de bir dizi arazi ve laboratuvar çalışmasına gerek vardır:

Arazide yapılan çalışmaların temel amacı cevher ve yankayaç hakkında bilgi toplamak, yerinde
deneyler yapmak (Schmidt Çekici gibi) ve laboratuvarda yapılacak deneyler için formasyonu
temsil eden numuneler almaktır. Laboratuvar deneyleri ise, kaya mekaniği ve
kazı mekaniği deneyleri olmak üzere iki gruba ayrılırlar:

Kaya mekaniği deneyleri; tek eksenli basınç dayanımı deneyi, Brezilian (endirekt çekme dayanımı) deneyi, Cerchar aşındırıcılık deneyi, statik ve dinamik elastisite modülü testleri,
Schmidt Çekici gibi deneylerdir. Kazı mekaniği deneyleri ise gerçek boyutlu keskilerin kullanıldığı tam boyutlu doğrusal kazı seti ile yapılan kesilebilirlik deneyleridir. Bu deneylerde kayacı kesmek için gerekli olan kesme kuvvetleri (FC, FN) ve sarfedilen spesifik enerji (SE) belirlenir. Kazı deneyleri sonrasında ortaya çıkan pasaların bir elek seti ile elenerek parça boyut dağılımı tespit edilir. Buradan pasa irilik katsayısı (PİK) hesaplanır. Tüm bu faaliyetler kollu galeri açma makinaları veya benzer makinaların -cevher kazısındakullanımlarının araştırıldığı bu çalışmada uygulanmış ve aşağıdaki amaçlar hedeflenmiştir:

• Kollu galeri açma makinaları ve geniş arınlı sürekli kazıcıların dünyada cevher üretiminde
kullanımlarıyla ilgili detaylı kaynak araştırması,

• Araştırma için seçilen Türkiye’deki yeraltı madenlerine genel bir bakış; maden yataklarının,
üretim yöntemlerinin ve organizasyonlarının incelenmesi,

• Türkiye’deki kömür dışında kalan yeraltı madenlerinde kollu galeri açma makinelerinin veya geniş arınlı kazıcıların cevher kazısında kullanılabilirliğinin araştırılması,

• Seçilen pilot madenlerde, cevherlerin kesilme karakteristiklerinin kayaçlardan ne kadar
farklı olduğunun kazı mekaniği açısından saptanması ve incelenmesi, kesme deneylerinden
elde edilecek ortalama kesme ve normal kuvvetlerin aralarındaki ilişkisinin ne olduğunun
araştırılarak birim m3 kazı için harcanan enerji ile ilintisinin tespit edilmesi,

• Bu madenlerde kullanılan cevher üretim yöntemlerindeki verimliliği artırmak ve maliyetleri
düşürmek için yapılması gerekenlerin kollu galeri açma makineleri veya geniş arınlı kazıcıların
kullanımı açısından irdelenmesi ve gerekirse (verimli kazı yapıldığı tespit edilirse) üretim
yöntemi öngörüsünün yapılması.

Materyal ve metod Mekanik kazıcılar ve cevher kazısında uygulamaları

Yeraltında kazı işlemleri genel olarak klasik kazı (delme-patlatma) ve mekanize kazı olmak
üzere ikiye ayrılır. Delme-patlatma ile kazıda çok iri parça açığa çıktığından, yöntem diğerlerine nazaran daha verimli olanı diye tanımlanabilir. Fakat ilerleme hızının sınırlı oluşu,
titreşimlerin açığa çıkması, aşırı söküm yaparak tahkimat ve emniyet problemleri çıkarması bu
yöntemin uygulanışını sınırlamaktadır (Özdemir, 1994). Bununla beraber, tüm işletme maliyetleri göz önüne alındığında, açılan tünel uzunluğu arttıkça mekanik kazıcılar daha verimli kazı yaparlar. Bu yüzden uzun boylu ve sürekli tünel ya da galeri kazısında tercih edilirler (Pakes, 1991).

Hakan TUNÇDEMİR*, Nuh BİLGİN
İTÜ Maden Fakültesi, Maden Mühendisliği Bölümü, 34469, Ayazağa, İstanbul

[ozguryolcu]

Şekil 2. Klasik-mekanize kazı karşılaştırması

Şekil 2’de klasik kazı ile mekanize kazıyı karşılaştırmak için, en önemli mekanize kazı işletme
parametreleri olan spesifik enerji (SE) (birim hacimdeki kayacı kazabilmek için gerekli olan
enerji (kWh/m3)), keskiler arası mesafe (s) ile kesme derinliği (d) arasındaki oran (s/d) ve hem mekanize kazı hem de klasik kazı parametresi olan parça boyutu (cm) ve pasa hacmi (m3/km) arasındaki ilişki irdelenmiştir. Şekil 2’de (I). bölgede A noktası mekanize kazıda en düşük enerji harcanarak kazı yapılan optimum s/d noktasının yerini göstermektedir.
Yani herhangi bir kayaç kazısı için dizayn edilen bir kesici kafada keskiler arası mesafenin en
uygun olduğu aralık ve kesme derinliğinin en uygun olduğu derinlik değerlerinde, en düşük spesifik enerji değeri elde edilmektedir (A noktası). Bu yüzden A noktasının altında kalan alan
klasik kazı bölgesi olarak tanımlanabilir. Şekile göre klasik kazı daha avantajlı görünmektedir.
Ancak tüm maliyetler gözönüne alınırsa; kazı uzunluğu arttıkça, mekanik kazıyla daha ekonomik kazı yapıldığı unutulmamalıdır.


Şekil 2’de (II). bölge mekanize yada klasik kazı sırasında elde edilen pasaların parça boyutu
arttıkça, bu pasayı parçalamak için harcanan enerjinin de azaldığını gösteren bir bölgedir.
Yani klasik yöntem ile kazıda daha büyük parçalar elde edilirken mekanize kazı yönteminde
elde edilecek parçaların büyüklüğü ancak, optimum s/d noktasında oluşan spesifik enerjinin
meydana gelmesinde rol oynayan pasa parça büyüklüğü kadar olacaktır. Bu durumda oluşan
parça büyüklüğü B noktasının apsisinden daha büyük olamaz. Bu yüzden B noktasının solunda
kalan bölge klasik kazı bölgesi, sağında kalan bölge de mekanize kazı bölgesi olacaktır.
Şekil 2’de (III). bölge parça boyutunun arttıkça pasa hacminin de arttığını göstermektedir. Ancak mekanize kazıda pasa hacmini sınırlayan faktörler vardır: teorik olarak pasa hacmi keskiler arası mesafe (s) ile kesme derinliği (d)’nin oluşturduğu köprü alanı ve kazı uzunluğunun oluşturduğu pasa hacim geometrisinden daha büyük olamaz. Bu yüzden C noktasında bir sabitleşme söz konusudur. Ancak bu noktadan sonra klasik yöntem ile kazı bölgesine geçildiğinden parça boyutu da büyüyecek, pasa hacmi de artacaktır.
Şekil 2’de (IV). bölge pasa hacmi ile optimum s/d arasındaki ilişkiyi göstermektedir. Mekanize
kazıda en düşük spesifik enerjinin harcandığı optimum s/d noktasında, en yüksek pasa hacmi
elde edilir (D noktası). Elde edilen bu pasanın parça boyutları da mekanize kazı için en büyük
parça boyutları olacaktır. Klasik kazıda “s” patlayıcı madde delikleri arası mesafeyi “d” de
deliklerin derinliği olarak düşünülürse; patlatma sonrası oluşacak pasa hacmi kesikli çizgi boyunca artacak, yine parça boyutu da bu kesikli çizgi boyunca büyüyecektir.
Mekanik kazıcılar için performans tahmini Mekanik kazı, güvenli ve ekonomik olmasının
yanında, selektif madencilik yapılabilmesi, esnek kullanım şartlarına sahip ve hareket kabiliyetinin yüksek olması, sert ve aşındırıcı kayaçları kazabilme yeteneğinden dolayı tercih edilmektedir.

Bir jeolojik formasyonun kayaç kütlesi özellikleri (çatlak sayısı ve sıklığı, yataklanma düzlemleri, doğrultuları, hidrojeolojik şartlar, yatak geometrisi vb.) ve sağlam kaya özellikleri (kesilebilirlik, aşındırıcılık, dayanım, doku vb.) mekanik kazıcıların seçiminde, performans tahminlerinde ve kesici kafa dizaynlarında başlıca parametreleri oluşturur.
Herhangi bir formasyonu kazmak için kullanılacak bir mekanik kazıcının performans tahmini
kazının ekonomikliğinin belirlenmesinde ana faktörlerden biridir. Kazı performansı tahmininde
değişik metotlar vardır. Gerçekçi sonuçlar için kestirim bir kaç metot uygulanarak yapılmalıdır.
Bu metotlar; tam boyutlu kesme deneyleri, küçük boyutlu kesme deneyleri (karot kesme),
ampirik yaklaşımlar, yarı teorik yaklaşımlar ve arazide gerçek bir makine kullanımı olarak
bölümlere ayrılabilir. Doğrusal kazı seti ile bir kayaç numunesi keserken pratikte kullanılan bir keskiye etkiyen tam boyutlu keski kuvvetleri ölçülür. Bu kuvvetler, mekanize kazıcı ve keski seçiminde, kesme geometrisinin belirlenmesinde, performans ve maliyet tayininde kullanılır. İlgili kayacı parçalamak için gerekli olan kesme, normal kuvvetler ve spesifik enerji değerleri farklı kesme derinliği ve keskiler arası mesafelerde belirlenir ve daha sonra (1) bağıntısında verilen eşitlikle mekanik bir kazıcı için net ilerleme hızı (ICR) m3/h olarak hesaplanabilir (Rostami v. diğ., 1994). Bu eşitlikte P kesici kafanın kesme gücü (kW), SEopt (kWh/m3) kesme deneyleri sırasında en verimli kazı yapılan durumda elde edilen spesifik enerji değeri, k ise enerji transfer katsayısıdır.



Küçük boyutlu kesme deneyleri arazide ve laboratuvarda bir çok kayaç üzerinde yapılan
deneyler ve gözlemler sonucunda oluşturulmuş, en yaygın olarak kullanılan yöntemdir (Mc
Feat-Smith ve Fowell 1977, 1979).

Ampirik performans tahmin modelleri, temel olarak geçmiş deneyimlere ve daha önce bu
konuda yapılan çalışmalardan elde edilen verilerin istatistiki analizlerinin yorumlanmasına
dayanır. Çok yaygın bir şekilde kullanılan bu yöntem, birçok tünelde veri toplama çalışmalarına
dayandırılan bir yaklaşım ile tamburlu, spiral tipli kollu makine ve hidrolik kırıcıların anlık kazı hızı tahmin edilebilmektedir (Bilgin v. diğ., 1988, 1990, 1996, 1997, Hartman v. diğ., 1992, Eskikaya v. diğ., 1998). Bu yöntemde, kazıcı makinelerin performansının basınç dayanımına
ve RQD’ye bağlı olarak değiştiği anlaşılmış ve (2) eşitliği ile gösterilen kayaç kazılabilirlik
indeksi (RMCI) ile ifade edilmiştir.



Bu indeks kullanılarak roadheader için net kazı hızı (ICR) (m3/h), eşitlik (3)’teki gibi hesaplanır.
Burada P, beygir gücü olarak makine gücüdür.



İstanbul Metrosu’nda yapılan kazılarda 33 kW’lık bir güce sahip hidrolik kırıcı kullanıldığı
sırada toplanan verilerden de bir hidrolik kırıcı performans tahmin yöntemi geliştirilmiştir. Buna
göre net kazı hızı (m3/h); eşitlik (4)’teki gibi hesaplanır:

Hakan TUNÇDEMİR*, Nuh BİLGİN
İTÜ Maden Fakültesi, Maden Mühendisliği Bölümü, 34469, Ayazağa, İstanbul

[ozguryolcu]

Yarı teorik performans tahmin yöntemlerinde bilgisayarla tasarlanarak oluşturulmuş bir model
kullanılır. Bir çok makine üreticisi, araştırma enstitüsü ve danışman firmalar bu amaç için
geliştirilen kendi bilgisayar modellerini geliştirmişlerdir (Çopur, 1999; Hurt v. diğ., 1982; Rostami ve Özdemir, 1994;).

Gerçek bir makine ile performans tahmininde, kullanılmış ya da yeni bir makine kiralanır ve
kullanılması düşünülen bir madende test edilir (Örneğin Carlin East Altın madeni Breitrick,
1998). Bu, çok pahalı ve zaman alıcı bir yöntem olmakla birlikte, en doğru performans tahmini
yapılabilen bir yöntemdir.

Kaya mekaniği ve kazı mekaniği deneyleri

Kayaçların kazılabilirlik özelliklerini tespit etmek için bu güne kadar bir çok araştırma yapılmış,
bazı temel kurallar belirlenerek, kazı mekaniği prensipleri ortaya konulmuştur. Ancak krom, trona, bakır, selestit gibi cevherlerin kesilebilirlik özellikleri bu güne kadar tam olarak
açıklığa kavuşmamıştır. Bu tür cevherlerde kristal boyutlarının, kristaller arası yapı gibi
özelliklerin, kesme mekaniğini etkileyeceği çok açıktır. Genelde metal cevherleri aşındırıcı oldukları için mekanik kazıcılar doğrudan metal cevheri üretiminde kullanılamamaktadır. Bunun
için öncelikle cevher numuneleri kazılabilirlik deneylerine tabi tutulmakta ve kazı makinelerinin
tariflenen cevherlerde kullanılabilmeleri için imalatçı firmalara gerekli bilgiler sağlanmaktadır.
Bu amaçla Kayseri Pınarbaşı-Pulpınar kromit madeninden yüksek (roş 1) ve orta (roş 2)
dereceli tenör içeriğine sahip iki ayrı cevher numunesi (% 46-50, % 42-46 Cr2O3) ve harsburjit yankayaç numunesi, Eskişehir Kavak kromit madeninden düşük tenörlü (%20-25
Cr2O3) bir cevher numunesi ve serpantin yankayaç numunesi, Beypazarı tronadan cevher ve
Çayeli bakırdan sarı ve siyah cevher numunesi, Sivas Barit Maden’den selestit, jips ve anhidrit
numuneleri mekaniksel özellik tespiti ve kazılabilirlik deneyleri yapmak üzere İ.T.Ü. Maden
Fakültesi laboratuvarlarına getirilmiştir. Numuneler, Şekil 3’te elemanları gösterilen tam
boyutlu doğrusal kazı setinde bulunan kayaç kutusuna beton ile sabitlenerek yerleştirilmiş ve
bir Sandvik S35-80H kalem uçlu keski kullanılarak kesme deneylerine tabi tutulmuştur.
Kesme deneyleri, yüzey düzleştirildikten sonra derinlik d=5mm ve 10mm olacak şekilde
Şekil 3’te gösterilen derinlik ayarı hidrolik silindiri ile, keskiler arası mesafe ise bu derinliğin 1,
2, 3, 5 katı ve yardımsız olacak şekilde yanal hareket silindirleriyle ayarlanmış, dinamometre
üzerine yerleştirilmiş birim deformasyon ölçerlerle belirlenen kesme kuvvetleri ise bir data
iletim kutusu ile bilgisayar verisi olarak kaydedilmiştir.



Şekil 3. Doğrusal kazı seti ve üniteleri


keskiler arası mesafe (s) arasındaki optimum oran, ortalama kesme (FC, kg, kN) ve normal
(FN, kg, kN) kuvvet miktarı, maksimum kesme (F’C, kg, kN) ve normal (F’N, kg, kN) kuvvet
miktarı, birim mesafede elde edilen pasa hacmi (Q, m3/km) belirlenir. Bu işletme parametreleri
bilindiğinde formasyonu kazmak için seçilecek bir makinenin birim hacimdeki kayacı kazabilmek
için sarfedeceği optimum enerji miktarı (SEopt) (5) eşitliği ile belirlenebilir (Roxborough,
1973, Bilgin, 1989, Rostami v. diğ., 1993).



Bu amaçla, ele alınan madenler için yapılan kaya mekaniği deneylerinde elde edilen sonuçlar
Tablo 1’de görüldüğü gibidir. Basınç ve çekme dayanımı deneyleri ELE 3000 hidrolik test makinesinde sırasıyla 55-110 mm (NX) ve 55-55 mm boyutlarındaki karot numuneler
kırılarak yapılmış ve bu sırada oluşan kırılma yükleri ölçülmüştür. Statik elatisite modülü
aynı test aletine yerleştirilmiş bir NX numunenin üzerine konulan yük hücresiyle beraber
yüklenmesi ve kırılma anına kadar oluşan düşey (gerilme) ve yatay (deformasyon) yerdeğiştirmenin bir milimetrik kağıda x-y kaydedici ile çizilmesi sonucu oluşan gerilme-deformasyon grafiğinin yorumlanması ile bulunmuştur.

Dinamik elastisite modülü deneyi, enine (P) ve boyuna (S) dalgaların ölçülmesi için kullanılan
Pundit cihazıyla yapılmıştır. Bir NX karot numunesi içinden bir verici ve alıcı ile enine ve
boyuna dalgalar geçirilir ve bunların geçiş hızı ölçülür. Bu hızlar kayacın içerisindeki boşluklara
homojenliğine ve süreksizlik içeriğine bağlı olarak değişir. Schmidt Çekici deneyleri N tipi
bir çekiçle arazide cevher ve yankayaç formasyonları üzerinde birkaç farklı noktanın her birine
20 vuruş yapılarak gerçekleştirilmiş ve bu vuruşların son 10-15 değerlerinin ortalaması
alınarak Schmidt Çekici sertlik değeri belirlenmiştir. Cerchar aşındırıcılık indeks değerleri ise
160 kg/mm2 çekme dayanımı olan 90° tepe açılı konik bir uç 7 kg bastırma kuvveti ile düzgün
yüzeye sahip olması gerekmeyen bir numune üzerinde 1 cm çekilmiş ve ucun tepesinde oluşan
aşınma yüzeyi boyutlarının ölçülmesi ile bulunmuştur.

Tablo 1. Ele alınan madenler için yapılan kaya mekaniği deney sonuçları


Kesme deneyleri sırasında oluşan pasaların, bir elek seti (0.125, 0.5, 2, 8, 25 mm) kullanılarak
analiz edilmesiyle optimum koşullarda oluşan pasa irilik katsayısı (PİK) değerleri de belirlenmiştir. 5 adet elek kullanılarak yapılan elek analizleri sonucu 6 ürün elde edilmiş ve bu ürünlerin kümülatif yüzde toplamları alınarak pasa irilik katsayısı değerleri bulunmuştur. Eğer bir kazı işlemi sonucunda kazılan malzemenin tamamı +25 mm üzerinde olsaydı, her bir elek grubu için kümülatif ağırlık yüzdesi 100 olacağından bu set için PİK değeri 600’den fazla olamazdı. Aynı mantıkla hareket edilecek olursa; eğer kazılan malzemenin tamamı -0,125 mm altında kalmış olsaydı, bu kez PİK değeri 100’den düşük olamazdı. Bu durumda 5 elek kullanılan
ve 6 ürün elde edilen bir elek setinde PİK sayısı en az 100 en fazla da 600 olmak zorundadır.

Kazılan malzemenin parça boyutu ne kadar büyükse malzeme o kadar ağır olacağından
PİK’te 600 sayısına doğru yaklaşacaktır. Kazılan malzemenin parça boyutu ne kadar küçükse
malzeme o kadar hafif olacağından PİK’te bu kez 100’e doğru yaklaşacaktır.

Sonuçlar ve tartışma

Kaya mekaniği deney sonuçları bir arada irdelendiğinde tenör ile basınç dayanımı, çekme
dayanımı gibi kaya mekaniği parametreleri, SE ve kesme kuvvetleri gibi kazı mekaniği parametreleri arasında herhangi bir doğrusal ilişki bulunamamıştır.

Geçmişte yapılan bazı çalışmalar, kazılan kayacın kırılganlığının basınç dayanımı ile çekme dayanımının çarpımı ve kesme kuvvetleri ile ilişkili olduğunu ortaya koymuştur (Çopur, 1999). Altındağ, 2000 senesinde, kayacın tek eksenli basınç dayanımı ile çekme dayanımı arasında oluşan doğrusal ilişki grafiğinin altında kalan alanın kayaç kırılganlığının bir ifadesi
olarak kullanılabildiğini ifade etmiştir. Bu alan bir dik üçgen alanı olduğundan (UCS×BTS/2)
olarak denklemleştirilmiştir.

Deneyler bu açıdan irdelendiğinde, d=10 mm’de elde edilen verilerde, SEopt değerlerinin
(UCS×BTS) ile yüksek korelasyonlu ve doğru orantılı olarak değiştiği (R2=% 86); (Şekil 4)
anlaşılmıştır. Anhidrit değişik yapısal özelliklere sahiptir. Önceden de tespit edildiği gibi,
beklenenden çok daha farklı kesme deney sonuçları elde edilmiştir (Bilgin, 1982). Bu
nedenle regresyon analizine dahil edilmemiştir. Buradan, orta sert ve sert cevher ve yankayaçlarında, basınç ve çekme dayanımının çarpımı, d=10 mm kesme derinliğinde elde edilen optimum spesifik enerji değerleri ile lineer ve doğru orantılı olarak değişir yargısına varılabilir. Bu tip cevher ve yankayaçların kazısında sarfedilecek enerji SE, bu kayaçların UCS×BTS çarpımı ile kestirilebilir. Bu da (6) eşitliği ile ifade edilmiştir (Çopur v. diğ., 2001).



Bunun yanısıra, üç ayrı içerikli kromit numunesi birarada irdelendiğinde, kazı enerjisi (SE) ile
pasa irilik katsayısı (PİK) değerleri arasında oldukça yüksek korelasyonlu lineer ve ters orantılı
ilişkiler tespit edilmiştir (Şekil 5). Bu ilişkiler eşitlik (7), ( ve (9)’da gösterildiği gibidir:

Hakan TUNÇDEMİR*, Nuh BİLGİN
İTÜ Maden Fakültesi, Maden Mühendisliği Bölümü, 34469, Ayazağa, İstanbul

[ozguryolcu]

Şekil 4. Kesme deneyi yapılan tüm numuneler için UCS×BTS ile SE arasındaki ilişki*Anhidrit değişik yapısal özelliklere sahip olduğu için kazı mekaniği kurallarına uygun sonuç
vermemektedir, bu nedenle regresyon analizine dahil edilmemiştir (Bilgin, 1982).


Şekil 5. Üç ayrı içerikli kromit için d=5-10 mm’de yapılan deneylerdeki PİK ve SE değerleri
arasındaki ilişki




Bu ilişkiler gözönüne alınarak pasa irilik katsayısı (PİK) ile özgül enerji (SE), keskiler arası
mesafe / kesme derinliği oranı (s/d) ve pasa hacmi (Q) arasında Şekil 6’da görülen genelleştirilmiş dörtlü grafik oluşacaktır.

Bu grafikte; I. Bölgede A noktası; d=10 mm’de en yüksek pasa irilik katsayısı, en uygun keskiler arası mesafe ve en düşük spesifik enerjiye sahip olunan optimum kazının yapıldığı noktadır. A’ noktası ise d=10 mm’de en küçük pasa irilik katsayısı, en küçük keskiler arası mesafe ve en yüksek spesifik enerjiye sahip olunan noktadır. E noktası; d=5 mm’de en yüksek pasa irilik katsayısı, uygun keskiler arası mesafe ve en düşük spesifik enerjiye sahip olunan optimum kazının yapıldığı noktadır. E’ noktası ise d=5 mm’de en küçük pasa irilik katsayısı, en
küçük keskiler arası mesafe ve en yüksek spesifik enerjiye sahip olunan noktadır. III. Bölgede C noktası; d=10 mm’de en yüksek pasa hacminin optimum s/d oranında oluştuğunu gösteren noktadır. C’ noktası ise d=10 mm’de en küçük pasa hacminin oluştuğu s/d oranını gösteren noktadır. G noktası; d=5 mm’de enyüksek pasa hacminin optimum s/d oranında
oluştuğunu gösteren noktadır. G’ noktası ise d=5 mm’de en küçük pasa hacminin oluştuğu
s/d oranını gösteren noktadır. IV. Bölgede D noktası; d=10 mm’de en yüksek pasa irilik katsayısının optimum s/d oranında oluştuğunu gösteren noktadır. D’ noktası ise
d=10 mm’de en küçük pasa irilik katsayısının oluştuğu s/d oranını gösteren noktadır. H noktası; d=5 mm’de en yüksek pasa irilik katsayısının optimum s/d oranında oluştuğunu gösteren noktadır. H’ noktası ise d=5 mm’de en küçük pasa irilik katsayısını oluştuğu s/d oranını gösteren noktadır.

Pasa irilik katsayısı ile spesifik enerji arasında şekilden de görüldüğü gibi ters orantılı bir ilişki
vardır. Daha yüksek kesme derinliklerinde (d=10 mm) yapılan kesme deneylerinde elde
edilen SE değerleri daha düşük çıkarken; pasa irilik katsayısı değerleri doğal olarak daha yüksek çıkmıştır (I. Bölge A-A’ değerleri arası). Kesme derinliği ve pasa hacmi arttıkça, pasa
irilik katsayısı da artar. Keskiler arası mesafe arttıkça pasa irilik katsayısı artar ve optimum
s/d değerinde pasa irilik katsayısı en büyük değerini, spesifik enerji de en küçük değerini alır.


Şekil 6. SE, PİK, Q ve s/d arasındaki ilişkiyi gösteren genelleştirilmiş 4’lü grafik


Tüm bu yüksek korelasyonlu ilişkiler gözönüne alındığında orta sert ve sert kayaçların kazısı
sonucu elde edilen pasalar analiz edilerek, bu kayaçları kazmak için sarfedilecek enerji miktarının kestirilebileceği yargısına varılabilir.

Ele alınan madenlerin mekanik kazı açısından değerlendirilmesi

Bu çalışmada ele alınan kayaç numuneleri üzerinde laboratuvarda yapılan tam boyutlu kes-me
deneyleri ile her kayaç için en verimli kesme işleminin gerçekleştirildiği optimum kazı şartları,
maksimum kesme kuvvetleri ile ortalama kesme kuvvetleri arasındaki oranlar belirlenmiş
ve Tablo 2’de özetlenmiştir. Tablo 2’de verilen en iyi kesme durumundaki değerler kullanılarak daha önce bahsi geçen (1), (2), (3), (4) eşitlikleri yardımıyla net ilerleme hızı (m3/h) ve üretim miktarları (t/h) hesaplanmış ve performans tahmini yapılmıştır. Ele alınan her bir cevher ve yan kayaç için yapılan kestirimler Tablo 3’te özetlenmiştir.

Yapılan kaya mekaniği deneylerinden elde edilen verilerden de görüleceği gibi (Tablo 1)
Pınarbaşı-Pulpınar ve Kavak kromit cevher ve yankayaçları, orta sert ve sert kayaç sınıfına
girmektedir. Bu nedenle bu kayaçların kazısında 100 kW’lık kesici kafa kesme gücüne sahip
kollu makineler ya da 33 kW’lık hidrolik kırıcılar kullanılabilir (Bilgin, 1994). Yukarıda bahsedilen kazı gücüne sahip makineler kullanılarak yüksek tenörlü kromit için performans tahmini yapılacak olursa aşağıdaki gibi bir yol izlenecektir:

Tablo 3’e göre yüksek tenörlü kromit cevherinde d=10 mm’de yapılan kesme deneyleri
sonucunda SEopt= 3,9 kWh/m3 bulunmuştur. Krom cevher kayacını kesmek için 100 kW’lık
bir kollu makine kullanıldığında elde edilecek net ilerleme hızı (ICR) (1) eşitliğinden:



Bulunan net ilerleme hızı, yüksek tenörlü kromitin yoğunluğu (4.03 t/m3) ile çarpılırsa
üretilen tüvenan cevher miktarı 83 t/h olacaktır.

Tablo 2. Ele alınan kayaçlar için yapılan kesme deneylerinden elde edilen optimum sonuçlar



Tablo 3 Ele alınan kayaçlar için yapılan performans tahmini sonuçları


Eğer yüksek tenörlü kromit cevher kayacını kazmak için 33 kW’lık bir hidrolik kırıcı kullanılırsa,
bu kez elde edilecek net ilerleme hızı (IBR) eşitlik (2) ve (4)’ten bulunur;
Buna göre RQD % 100 ve yüksek tenörlü kromitin basınç dayanımı UCS= 32.2MPa alındığında,
RMCI eşitlik (2)’den ;



Bu değer, eşitlik (4)’te yerine koyulursa;



Bulunan net ilerleme hızı (IBR), yoğunluk (4.03 t/m3) ile çarpılırsa üretilen tüvenan cevher
miktarı 79 t/h olarak bulunur. Nizamoğlu (1978) ve Fowell (1993) yerinde yaptıkları
ölçmelerle keski sarfiyatının formasyonların Cerchar aşınma indeksleriyle (CAI) doğrudan
ilişki içerisinde olduğunu göstermiştir ve bunu bir grafikle ifade etmişlerdir. Bu grafikten faydalanılarak yapılan hesaplarla ele alınan her kayaç için keski tüketim oranları (keski /m3)
Tablo 3’teki gibi bulunmuştur.

Sonuçlar

3 ayrı krom, iki ayrı bakır cevheri, trona, harsburgit, serpantin, selestit, jips ve anhidritin
basınç dayanımları 29-82 MPa arasında değişmekte ve bu kayaçların Bieniawski’nin (1989)
yaptığı bir sınıflamaya göre orta sert ya da sert kayaç grubuna girdikleri anlaşılmaktadır.

Cevherin mekanik kazı yöntemleri ile verimli olarak kazılıp kazılamayacağının anlaşılması
için seçilen cevher ve yankayaçlarının laboratuvarda kesilebilirlik deneylerine tabi tutulması,
optimum kesme parametrelerinin belirlenmesi, önceden performans tahmin yöntemlerinin kullanılması veya gerçek bir makine ile pilot kazı yapılması gereklidir.

Hakan TUNÇDEMİR*, Nuh BİLGİN
İTÜ Maden Fakültesi, Maden Mühendisliği Bölümü, 34469, Ayazağa, İstanbul

[ozguryolcu]

Bu çalışma için ele alınan cevher ve yankayaçlar için yapılan kesme deneyleri ve performans
tahminlerine göre seçilen 100 kW kesici kafa gücüne sahip bir kollu makine veya 33
kW’lık bir hidrolik kırıcı kullanıldığında; örneğin yüksek içerikli kromit madeninde mevcut
üretimin (120.000 ton/yıl) yaklaşık 3 katı kadar daha fazla üretim (345.612 ton/yıl) yapılabileceği anlaşılmıştır.

Bir kromit madeninde kazı yöntemini sınırlayan en önemli faktörlerden biri parça boyutudur.
+25 mm büyüklüğünde elde edilen parça kromit daha yüksek fiyatlarla satılabilmektedir. Bu
durumda önemli olan hem üretim hızını artırmak hem de mümkün olduğu kadar çok, yüksek
içerikli parça cevher elde etmektir. Ampirik performans tahmin yöntemleri kullanılarak yapılan
hesaplamalar sonucunda “hidrolik kırıcı” kullanılması ile daha iri boyutlarda ve yüksek
üretim kapasitesi ile üretim gerçekleştirmenin mümkün olabileceği anlaşılmıştır.
Yapılan bu çalışmaların tümü, pahalı, uzun zaman alan ve teknolojik olarak gelişmiş bir
laboratuvar seti gerektiren tam boyutlu kesme deneyinden elde edilen spesifik enerji değerinin, kayacın basınç ve çekme dayanımından veya pasa irilik katsayısından, belirli bir doğrulukla, tahmin edilebileceğini ortaya koymuştur. Bu çalışma çerçevesinde kazı mekaniğine iki konuda katkı sağlanmıştır. Bunlardan birincisi, kazı sırasında çıkan malzemenin parça boyutu
ile harcanan enerji arasındaki ilişkinin, ikincisi ise bu enerjinin kayaç özellikleri ile nasıl değiştiğinin açıklanmasıdır.

Semboller





Kaynaklar

Altındağ R., (2000). Darbeli Delmede Kırılganlık
Analizi. Yerbilimleri Geosound, 37, 161-169,
Aralık.
Atlas-Copco Robbins, (1996). TBM Excavates Drift
for Early Ore Production. Project Report Summary
Brochure.
Bieniawski Z. T., (1989). Engineering Rock Mass
Classifications. Wiley, New York. 251 sh.
Bilgin, N., (1982). The Cuttability Of Evaporites.
Bulletin of the İnternational Association Of
Engineering Geology, 25, 85-90.
Bilgin, N., (1989). İnşaat ve Maden Mühendisleri İçin
Uygulamalı Kazı Mekaniği, Birsen Yayınevi, 139-
140, İstanbul.
Bilgin, N., (1994). Yeraltı Kazılarında Mekanizas-
Yon, Ulaşımda Yeraltı Kazıları I. Sempozyumu,
TMMOB Maden Müh. Od. Yayını, 53, Aralık,
İstanbul.
Bilgin, N., Kuzu, C., Eskikaya, Ş. ve Özdemir, L.,
(1997). Cutting Performance of Jack Hammers
and Roadheaders in Istanbul Metro Drivages,
World Tunnel Congress 97, Balkema, ISBN 90
5410 8681, 455-460
Bilgin, N. Seyrek, T., Erdinç, E. ve Shahriar, K.,
(1990). Roadheaders Glean Valuable Tips For
Istanbul Metro. Tunnels And Tunneling, 22, 10,
29-32, October.
Bilgin, N., Seyrek, T. ve Shahriar, K., (1988).
Roadheader Performance in İstanbul, Golden Horn
Clean-Up Contributes Valuable Data. Tunnels And
Tunneling, 20, 6, 41-44, June.
Bilgin N., Yazıcı S. ve Eskikaya S., (1996). A Model
to Predict the Performance Of Roadheaders And
İmpact Hammers İn Tunnel Drivages. Proc.
Eurock 96, 715-720, Italy-Torino, Balkema.
Breitrick, M. E., (1998). Using a Roadheader for
Underground Gold Mining, Mining Engineering,
43-46, March.
Çopur H., (1999). Theoretical And Experimental
Studies of Rock Cutting with Drag Bits Towards
the Development of a Performance Prediction
Model for Roadheaders. Ph.D. Thesis, Colorado
School of Mines, 362 pp, USA-Colorado-Golden.

Çopur, H., Tunçdemir, H., Bilgin N., ve Dinçer T.,
(2001). Specific Energy as a Criterion for the Use
of Rapid Excavation Systems in Turkish Mines,
Trans. Inst. Min. Metall. (Sect.A: Min. Technol.),
110, A149-157, ISSN 0371-7844.
Eskikaya Ş., Bilgin N., Dinçer T. ve Özdemir, L.,
(1998). A Model to Predict the Cutting
Performance of Rapid Excavation Systems. Proc.
the Seventh International Symp. on Mine
Planning and Equipment Selection, 575 sf.,
Calgary, Balkema.
Fowell, R. J., (1993). The Mechanics of Rock
Cutting. Compressive rock engineering, Pergamon
press, 155-176.
Hartman, H. L., Breeds, C. D. ve Conway, J. J.,
(1992). Rapid Excavation, SME Mining
Engineering Handbook Chapter:22.1, 1876 sf.
Hurt K. G., Morris C. J. ve Mac Andrew K. M.,
(1982). The Design and Operation of Boom
Tunneling Machine Cutting Methods. 14th
Canadian Rock Mech. Symp., CIM Special 30,
54-58.
Mc Feat-Smith, I., ve Fowell R. J., (1977). Rock
Property Testing and Cutting Performance Of
Tunnelling Machines, Tunnels and Tunnelling,
29-32, March.
Mc Feat-Smith, I. ve Fowell R. J., (1979). The
Selection and Aplication Of Roadheaders For
Rock Tunnelling, Proceeding of rapid excavation
and tunnelling conference, 1, 261-269, USA.
McFeat-Smith I. ve Fowell R. J. (1977). Correlation
of Rock Properties and the Cutting Performance of
Tunnelling Machines. Proc. Conference on Rock
Engineering, The University of Newcastle Upon
Tyne, 581-602, UK.
Nizamoğlu, S., (1978). Contribution a L’etude du
Fonctionnement des Tunelliers “Plain Section” Et
Analyse de L’usure de Leurs Outils de Coupe.
These Pour Obtainer Le Grade de Docteur Ing.
Ecole des Mines, 139 sf., Nancy.
Özdemir, L., (1994). Mekanik Kayaç Kazısı
Prensipleri, Tünel ve Galeri Açma Meslek İçi
Eğitim Semineri, İ.T.Ü. Maden Fakültesi, Editör:
Prof. Dr. Şinasi ESKİKAYA, s.32, Ekim.
Pakes., G., (1991). Selection of Methods, World
Tunnelling, Nov., 32 pp.
Rostami J., Ozdemir L. ve Neil, D. M., (1994).
Performance Prediction: A Key İssue in
Mechanical Hard Rock Mining. Mining
Engineering, 1263-1267, November.
Rostami J. ve Ozdemir L., (1994). Roadheaders
Performance Optimization for Mining And Civil
Construction, Proceedings of the 13th annual
technical conference, Institute of Shaft Drilling
Technology (ISDT), 18-21, Las Vegas, Nevada,
April.
Rostami, J., Neil, D.M. ve Özdemir, L., (1993).
Roadheader Aplication for the Yucca Mountain
Experimental Study Facility, CSM, Final report,
Nevada, USA.
Roxborough, F.F., (1973). Cutting Rock with Picks,
The Mining Engineer, 445-454, June.
Sullivan, D.E., Sznopek, J.L. ve Wagner L.A.,
(2001). 20th Century U.S. Mineral Prices Decline
in Constant Dollars, USGS, Open File Report:
00-389. http://minerals.usgs.gov /minerals/.

Hakan TUNÇDEMİR*, Nuh BİLGİN
İTÜ Maden Fakültesi, Maden Mühendisliği Bölümü, 34469, Ayazağa, İstanbul