KAYALARIN DELİNEBİLİRLİĞİ

Transkript

1 KAYALARIN DELİNEBİLİRLİĞİ Sondajcılık Uygulamalarına Giriş Adil ÖZDEMİR Jeoloji Yüksek Mühendisi Ankara 2012 i

2 ii Giriş JENERİK SAYFASI OLUŞTURULACAK ii

3 ÖNSÖZ Delinebilirlik; bir matkabın kayaç içinde belirli bir zamanda kayacı delerek ilerlemesidir. Bir diğer ifade ile kaya kütlesinde delik delme kolaylığıdır. Delme hızı ise kayaç içerisinde, m/dk, cm/dk veya mm/dk olarak ölçülür. Delinebilirlik ile delme hızı aynı kavram olarak tanımlanabilir. Delinebilirlik kolay ya da zor olarak delme hızı ise hızlı ya da yavaş olarak ifade edilir. Delinebilirliğe etki eden birçok parametre vardır. Bunlar makine ve ekipmana bağlı parametreler (sondaj makinasının tipi, dönme hızı, baskı kuvveti, matkap tipi vb.), delme işlemine bağlı parametreler (delme yöntemi, makinanın çalışma performansı ve bakımı, sondörün deneyimi vb.) ile jeolojik parametreler (kaya tipi, kayaların mekanik özellikleri, süreksizlikler, mineral bileşimi) dir. Makine, ekipman ve delme işlemine bağlı parametreler kontrol edilebilir parametreler olup, jeolojik ve mühendislik özelliklerine bağlı parametreler ise kontrol edilemeyen parametrelerdir. Kaya delinebilirliğinde kontrol edilemeyen parametrelerin belirlenmesi (jeolojik ve mühendislik özelliklerinin), sondaj çalışmasında kullanılacak delme yöntemi, matkap türü, matkap dönme hızı, matkap üzerine uygulanacak yük miktarı, delme dizisi niteliği, pompa türü, dolaşım sıvısı/hava hızı ve hacmi, personel vb. gibi kontrol edilebilen parametrelerin en iyi şekilde seçilebilmesine (tasarım aşamasında) imkan vermektedir. Ayrıca, elde edilen veriler maliyet tahmininde ve sondaj çalışma sürelerinin planlanmasında kullanılabilecektir. Bu kitapta, Sondaj, Kayaların, Delinebilirlik, Mühendislik Özellikleri anahtar terimleri esas alınarak konu incelenmiş ve Kayaların Delinebilirliği ne sondajcılık uygulamaları açısından bir giriş yapmak amaç edinilmiştir. iii

4 Yazarın Yüksek Lisans Tezi nin çalışmasının bir ürünü olan bu çalışmanın sonuçlanmasında en önemli paya sahip olan, müracaat ettiğim her konuda beni içtenlikle karşılayan ve bilgi birikimini benimle paylaşan tez hocam sayın Doç.Dr.Nihat Sinan IŞIK a (Gazi Üniversitesi Teknoloji Fakültesi İnşaat Mühendisliği Bölümü), mesleki yaşamımda yine kıymetli tecrübelerinden faydalandığım çok değerli hocam Prof.Dr. M.Yener ÖZKAN a (ODTÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü) Prof. Dr. Celal KARPUZ (ODTÜ Maden Müh. Bölümü) ve manevi destekleriyle beni hiçbir zaman yalnız bırakmayan ve onlardan çaldığım vakitler için beni affetmelerini beklediğim çok değerli eşime ve çocuklarıma teşekkürü bir borç bilirim. Adil ÖZDEMİR Jeoloji Yüksek Mühendisi Aralık 2011, Ankara iv

5 İÇİNDEKİLER Sayfa No ÖNSÖZ... iii TEŞEKKÜR... iv İÇİNDEKİLER... v ÇİZELGELER LİSTESİ.....vii ŞEKİLLER LİSTESİ... viii RESİMLERİN LİSTESİ... ix 1. GİRİŞ SONDAJ YÖNTEMLERİ Döner Sondaj Yöntemleri Kırıntılı döner sondaj yöntemi Karotlu döner sondaj yöntemleri Döner-Darbeli Sondaj Yöntemleri SONDAJ MATKAPLARI VE KAYA DELME MEKANİZMALARI Sondaj Matkapları Kırıntı örnek almaya uygun matkaplar Karot örnek almaya uygun matkaplar Kaya Delme Mekanizmaları Üç konili matkapların kaya delme mekanizmaları Elmaslı matkapların kaya delme mekanizmaları PDC matkapların kaya delme mekanizmaları SONDAJI ETKİLEYEN FAKTÖRLER Kayaların Jeolojik ve Mühendislik Özellikleri Dokusal özellikler Fiziksel ve mühendislik özellikleri Sondaj Parametreleri (Çalışma Koşulları) Üç konili matkapların çalışma koşullarını etkileyen faktörler Elmaslı matkapların çalışma koşullarını etkileyen faktörler v

6 Sayfa No 5. DELİNEBİLİRLİĞİN DEĞERLENDİRİLMESİ Kaya Delinebilirliğinde Sertliğin ve Aşındırıcılığın Etkisi Kaya Dokusunun Delinebilirliğe Etkisi Dayanım Özelliklerinin Kaya Delinebilirliğine Etkisi Bir Kaya Delinebilirliği Kriteri Olarak Krater Oluşumu Bir Kaya Delinebilirliği Kriteri Olarak Spesifik Enerji Delinebilirlik Analizinde Kullanılan Sayısal ve Deneysel Yöntemler Laboratuar deneyleri ile delme hızı tahmini YARARLANILAN KAYNAKLAR vi

7 ÇİZELGELERİN LİSTESİ Sayfa No Çizelge 4.1. Kayaçların Dokularına Göre Sınıflandırılması Çizelge 4.2. Doku ve Tane Boyu ile Delinme Hızı Arasındaki İlişki Çizelge 4.3. Kaya Formasyonu ile Delinme Arasındaki İlişki Çizelge 4.4. Kırılma Şekline Göre Delinme Durumu Çizelge 4.5. Tek Eksenli Basınç Dayanımlarına Göre Kayaçların Sınıflandırılması Çizelge 4.6. Mohs Sertlik Değerleri Çizelge 4.7. Mohs Sertlik Değerlerine Göre Kayaçların Sınıflaması Çizelge 4.8. Mohs Sertlik Skalasını Kullanan Yönteme Göre Kayaçların Aşındırıcılık Ortalama Sertlikleri Çizelge 4.9.Rosiwall Sertlik Skalası Çizelge 4.10.Rosiwall Sertlik Skalasını Kullanan Yönteme Göre Kayaçların Aşındırıcılık-Ortalama Sertlikleri Çizelge Bazı Yaygın Kayaç Tiplerinin Kuvars ve Silika İçerikleri Çizelge 4.12.Cerchar Aşınma İndeksi Kayaç Sınıflaması Çizelge Formasyona Uygun Matkap Seçimi Çizelge Kesintilerinin Kuyu Dışına Atılması İçin Gereken Hız Çizelge Kayaların Genel Özelliklerine Uygun Elmaslı Matkap Aralıkları Çizelge Tek Eksenli Basınç Dayanımı ile Yüzeyden Taneli Elmaslı Matkap Değerleri Arasındaki İlişki Çizelge 5.1. Kaya Koparma İşlemi İçin Spesifik Enerji Değerleri Çizelge 5.2. DRI Sınıflandırması vii

8 ŞEKİLLERİN LİSTESİ Sayfa No Şekil 1.1. Kaya Delinebilirliğini Etkileyen Parametreler... 3 Şekil 1.2. Kaya Delinebilirliğine Etki Eden Jeolojik Özellikler... 4 Şekil 2.1. Başlıca Sondaj Yöntemleri... 6 Şekil 2.2. Düz Dolaşımlı Döner Sondaj Yöntemi... 8 Şekil 2.3. Ters Dolaşımlı Döner Sondaj Yöntemi... 8 Şekil 2.4. Konvensiyonel Karotlu Sondajın Genel Modeli Şekil 2.5.Wire-Line Karotlu Sondajın Genel Modeli Şekil 2.6. Diğer Sondaj Yöntemleri Şekil 3.1. Konili Matkap Yapısı Şekil 3.2. Konili Matkap Terminolojisi Şekil 3.3. Çelik Dişli Üç Konili Matkap Şekil 3.4. Tungsten Karbid Dişli Üç Konili Matkap Şekil 3.5. Parmak, Balık Kuyruğu Ve Kanatlı Matkaplar Şekil 3.6. Kırıntı Örnek Almaya Uygun PDC Matkaplar Şekil 3.7. Karot Örnek Almaya Uygun PDC Matkaplar Şekil 3.8. Yüzeyden Taneli Elmaslı Matkap Şekil 3.9. Emprenye Elmaslı Matkap Şekil Kırıntı Örnek Almaya Uygun Elmaslı Matkaplar Şekil Vidyeli Matkabın Yapısı Şekil Kazma Etkisi İle Formasyonda Krater Oluşturma Evreleri Şekil Ezerek Parçalama İşlemi Şekil Delme İşleminde Kuvvetler Dengesi Şekil Elmaslı Matkapların Delme Mekanizmaları Şekil PDC Matkapların Delme Mekanizması Şekil PDC Kesici Elemanlarının Kayayı Sıkıştırma veya Baskı Kuvvetlerinden Ziyade Makaslama Mekanizması İle Parçalaması Şekil Makaslama ve Baskı Düzleminin PDC Kesici Elemanı İle İlişkisi viii

9 Sayfa No Şekil 4.1. Gerilme-Deformasyon Eğrisine Bağlı Spesifik Tahrip Enerjisi Grafiği Şekil 4.2. Cerchar Deneyi Aşındırıcılık Değerleri İle Mohs Sertlik Skalası Arasındaki İlişki Şekil 4.3. Değişik Koşullarda Matkap Yükü İle Kaya Parçalanması Arasındaki İlişki Şekil 4.4. Delme Hızı Üzerinde Matkap Baskısının Etkisi Şekil 4.5. Delme Hızı İle Matkap Dönüş Hızı Arasındaki İlişki Şekil 4.6. Yoğunluk ve Viskozitenin Delme Hızı Üzerindeki Etkisi Şekil 4.7. Tij İle Kuyu Duvarı Arasındaki Anülüs Alanı Şekil 4.8. En Uygun Sondaj Sıvısı Dolaşım Hızı ve Miktarı Değerleri Şekil 5.1. İndisler Arasındaki İlişkiler Şekil 5.2. Darbeli Sondajda Delme Hızı İle Doku Katsayısı Arasındaki İlişki Şekil 5.3. Dayanım Özellikleri İle Doku Katsayısı Arasındaki İlişki Şekil 5.4. Delinebilirlik İçin Teorik Ve Deneysel Eğriler Arasındaki İlişki Şekil 5.5. Sahada Sondaj Sırasında İlerleme Hızı - Enerji Tüketimi Matkap Ağırlığının Şekil 5.6. Eğriler Yardımı İle Delinebilirlik İndeksinin Bulunması Şekil 5.7. Talaş Oluşumu Şekil 5.8. Kırılganlık Deneyinin Şematik Görünümü Şekil 5.9. Minyatür Delme (Sievers) Aletinin Şematik Görünüşü Şekil Delme Hızı Oranı (DRI) Tayininde Kullanılan Diyagram RESİMLERİN LİSTESİ Sayfa No Resim 4.1. Shore Skeleroskop Aleti Resim 4.2. Cerchar Deney Aleti Resim 5.1. Mikromatkap Deney Düzeneği Resim 5.2. Diş batırma Deney Düzeneği ix

10

11 1. GİRİŞ Mühendislik ve araştırma-geliştirme çalışmalarında ulaşılmak istenen başlıca hedef gerek tasarlanan sistemin, gerekse geliştirilmek istenen ürünün maksimum performansa sahip olmasıdır. En iyi sonuçların elde edileceği şartları ortaya koyabilmek için öncelikle performansı belirleyen özellik belirlenir ve bu özelliği etkileyen faktörler incelenir. Ardından bu faktörlerin performansı belirleyen özellik üzerindeki etkilerinin tespit edilmesi ve en uygun kombinasyonun bulunması için (kontrol edilemeyen faktörler de gözetilerek) deneyler yapılır. Yapılan deneyler sonucunda elde edilen performans göstergesi değerlendirilerek optimum şartlar tespit edilir. Bu yaklaşım çerçevesinde yapılan deneyler sisteme sorulan soru, deney sonuçları da sistemin verdiği cevap olarak algılanabilir. Kritik olan nokta ise doğru cevabı alabilmek için doğru sorunun sorulmasının gerekliliğidir [Savaşkan ve diğ., 2004]. Günümüzde, insanoğlunun artan nüfusu nedeni ile gereksinimlerini karşılamak için yeraltı zenginliklerinin önemi daha da artmıştır. Yeraltı zenginliklerini insanoğluna ulaştırmak yani insanoğlunun kullanımına sunmak için ilk önce bu zenginliklere ulaşılması gereklidir. Bunun için yeraltı zenginliklerini kaplayan örtü tabakasının aşılması gereklidir. Yine aynı şekilde yerüstü ulaşımının yetersiz kaldığı durumlarda yeraltından ulaşımın gerekliliği ortaya çıkmıştır. Yerüstünden yeraltına bir yol yani bir geçidin açılması ve bu geçidin açılması içinde örtü tabakasının delinmesi gerekliliktir. Sadece yeraltındaki zenginliklere erişmek veya yeraltında yapılar oluşturmak için değil, yeryüzünde kayaca bağlı yapılar oluşturmak içinde kayaların delinmesi gereklidir. Kısacası, kayaların delinmesini gerektiren her durumda delinebilirlik kavramı ortaya çıkmaktadır. Delinebilirlik; bir matkabın kayaç içinde belirli bir zamanda kayacı delerek ilerlemesidir. Bir diğer ifade ile kaya kütlesinde delik delme kolaylığıdır. Delme hızı ise kayaç içerisinde, m/dk, cm/dk veya mm/dk olarak ölçülür. Delinebilirlik ile delme hızı aynı kavram olarak tanımlanabilir. Delinebilirlik kolay ya da zor olarak delme hızı ise hızlı ya da yavaş olarak ifade edilir. Delinebilirliğe etki eden birçok parametre vardır. Bunlar makine ve ekipmana bağlı parametreler (sondaj makinasının tipi, dönme hızı, baskı kuvveti, matkap tipi v.b.), delme işlemine bağlı parametreler (delme yöntemi, makinanın çalışma performansı ve bakımı, sondörün deneyimi v.b.) ile jeolojik parametreler dir (kaya tipi, kayaların mekanik özellikleri, süreksizlikler, mineral bileşimi). Makine, ekipman ve delme işlemine bağlı parametreler kontrol edilebilir parametreler olup, jeolojik ve mühendislik özelliklerine bağlı parametreler ise kontrol edilemeyen parametrelerdir [Özdemir, 2007]. 1

12 2 Sondaj Yöntemleri Delinebilirlik tayinlerinde, bu faktörlerden sadece bir tanesi değiştirilerek o faktörün delme hızı üzerindeki etkisi gözlenir. Delinebilirlik tayininde, farklı formasyonlar için ölçülen değerler karşılaştırılabilir olmalı, aynı ekipman ve eşit şartlar altında delme hızı ölçümü yapılmalıdır. Sondaj işlemi, birçok faktörden etkilenen karmaşık bir olaydır (Şekil 1.1). Matkap türü ve çapı, dönme hızı, baskı kuvveti, tork ve dolaşım sıvısı kontrol edilebilen parametrelerdir. Diğer yandan kayanın fizikomekanik özellikleri ve jeolojik koşullar (süreksizlikler, tabakalanma durumları, tane boyutu, matriks yapısı, gözeneklilik, çimentolanma derecesi ve aşındırıcı mineral oranı gibi kontrol edilemeyen faktörler) kaya delinebilirliğinde etkili olmaktadır (Şekil 1.2). Kayaların delinebilirliği ilerleme hızı, matkap aşınma miktarı, matkap ömrü ve diş batma gibi miktarı çeşitli kavramlarla tanımlanabilmektedirler. Kaya delinebilirliğinde kontrol edilemeyen parametrelerin belirlenmesi (jeolojik ve mühendislik özelliklerinin), sondaj çalışmasında kullanılacak delme yöntemi, matkap türü, matkap dönme hızı, matkap üzerine uygulanacak yük miktarı, delme dizisi niteliği, pompa türü, dolaşım sıvısı/hava hızı ve hacmi, personel vb. gibi kontrol edilebilen parametrelerin en iyi şekilde seçilebilmesine (proje aşamasında) imkan vermektedir. Ayrıca elde edilen veriler maliyet tahminlerinde ve sondaj çalışma sürelerinin planlanmasında kullanılabilecektir [Özdemir, 2007]. Delinebilirliğe etki eden kaya yapısına bağlı faktörler, kayanın oluşum sürecinden formasyonundan, Mohs sertliğine, tek eksenli basınç dayanımından kayacın birim hacim ağırlığına, kaya kütlesinin yapısal özelliklerinden (kırıkların durumu, çatlaklar v.b.), kayacın dokusal özelliklerine kadar birçok değişkene bağlıdır. Sondaj yöntemi sınıflaması birkaç kritere göre yapılabilir. En mantıklı sınıflama, kaya parçalanması için gerekli enerji türüne göre yapılabilir. Kayalarda birçok amaç için sondaj yapılır ve bu amaçla geliştirilen birçok yöntem, kayalarda başarıyla delme işlemleri gerçekleştirmiştir.

13 Sondaj Yöntemleri 3 Şekil 1.1. Kaya delinebilirliğini etkileyen parametreler [Thuro, 1997 den değiştirilerek] Kaya delmede birçok yeni yöntem deneyimlerle elde edilmiştir. Bunlardan en başarılı olan pratik uygulama mekanik parçalama işlemidir. Daha çok yumuşak kayaçların kesilmesinde uygulansa da bu yöntem yüksek basınçlı su püskürtmek suretiyle yapılmaktadır. Kayaca mekanik etki uygulama darbe veya dönme hareketi olmak üzere temelde 2 yöntemle yapılır. Bu iki etki birleştirilerek karma bir yöntem olan döner-darbeli sondaj yöntemi geliştirilmiştir. Sondaj, matkapla kayacın etkileşim yüzeyinin farklı kesme kuvvetlerinin etkisiyle parçalanmasıdır. Sondajın etkinliği, diğer bir deyişle sondaj matkabının delme hızı, matkap-kayaç ara yüzeyine uygulanan enerji türüne bağlıdır [Karanam ve Misra, 1998].

14 4 Sondaj Yöntemleri Şekil 1.2. Kaya delinebilirliğine etki eden jeolojik özellikler [Karaman, 2008] Herhangi bir sondaj yönteminin 3 ana fonksiyonel bileşeni vardır: 1. Sondaj Enerjisi (Kaynak) 2. Takım-Sondaj Dizisi (İletici) 3. Matkap (Uygulayıcı) Bunlara dördüncü bir bileşen olarak sondaj sıvısı eklenebilir. Sondaj sıvısı, kuyuyu temizleme, kırıntıları atma, matkabı soğutma ve aynı zamanda kuyu duvarlarını sağlam tutma görevindedir. Bu üç ana bileşen enerjinin kullanımıyla ilişkilidir. Bu kullanım şu şekilde olur; 1. Delgi, ilk hareketi verir. Enerjiyi orijinal şeklinden (hidrolik sıvı, havalı, elektrik veya yanmalı motor) mekanik hale çevirir. 2. Sondaj dizisi (tij vb.), enerjiyi matkaba aktarır.

15 Sondaj Yöntemleri 5 3. Matkap, sistemdeki enerji uygulayıcısıdır. Mekanik olarak kayaca etki eder ve delmeyi sağlar. Sondajda, matkabın kaya kütlesine girmesi iki ayrı işlem içerir. Bunlar; 1. Matkap-kayaç etkileşim yüzeyinde kaya kütlesini parçalamak 2. Sondaj boyunca kırılan formasyon parçalarını kaldırmak Bu iki işlem sondajın performansını etkiler. Sondaj aletinin uyguladığı gerilim, kayacın dayanımını aştığı anda, matkabın deliciliği başarıya ulaşmış olur. Kayacın delinmeye karşı gösterdiği bu direnç; delinme dayanımıdır. Fakat bu, bilinen dayanım parametrelerine eşdeğer bir dayanım türü değildir. Dahası, yaratılan gerilim alanı, istenen şekil ve boyutta bir delik oluşturabilmek için, delme işlemi yapılan yere doğrudan bir gerilimle uygulanmalıdır. Bu gerilimler doğada dinamik haldedir (zamana bağımlıdır). Fakat, delme sürecinde statik koşullara çok yakın ihmal edilebilir değerler alınır [Karanam ve Misra, 1998].

16 2. SONDAJ YÖNTEMLERİ Günümüz sondaj yöntemleri dönme ve darbe işlemine göre ikiye ayrılabilir (Şekil 2.1). Bunlar ; 1. Döner Sondaj Yöntemleri 2. Döner-Darbeli Sondaj Yöntemleri Şekil 2.1. Başlıca sondaj yöntemleri 6

17 Sondajı Etkileyen Faktörler Döner Sondaj Yöntemleri Döner sondaj yöntemleri, kırıntılı ve karotlu sondaj yöntemleri olarak ikiye ayrılabilir Kırıntılı döner sondaj yöntemleri Baskı (yük) altında dönen bir matkabın kesici dişleri aracılığıyla formasyonu parçalaması sonucu oluşan formasyon parçalarının bir dolaşım sıvısı (çamur veya su) ile dışarı atılması işlemidir. Bu yöntemde dönme ile koparma işlemi egemen olup, ilerleme baskı ve tork aracılığı ile sağlanmaktadır. Bu yönteme çamurlu sondaj yöntemi de denilmektedir. Kırıntılı döner sondaj yöntemi, sondaj sıvısının dolaşım şekline göre bünyesinde iki alt yöntemi barındırmaktadır. Bunlar; 1. Düz dolaşımlı döner sondaj yöntemi 2. Ters dolaşımlı döner sondaj yöntemi Düz dolaşımlı döner sondaj yöntemi Bu yöntemde, sondaj sıvısı olarak genellikle çamur kullanılmaktadır. Pompa ile havuzdan alınan sıvı takım içerisinden geçerek kuyu duvarı ile takım arasındaki boşluktan yükselir ve kuyu dışarısına çıktıktan sonra kanallar aracılığıyla tekrar havuza gönderilir (Şekil 2.2). Ters dolaşımlı döner sondaj yöntemi Bu yöntemde, sondaj sıvısı olarak genellikle çamur kullanılmaktadır. Havuzdaki çamur, yerçekimi ve kanallar vasıtasıyla kuyu ağzına gelir. Takım ile kuyu duvarı arasından kuyu tabanına kadar iner ve kuyuyu doldurduktan sonra matkap deliklerinden takım içerisine girer. Takım içerisine giren bu çamur bir pompa aracılığı ile emilerek tekrar havuzu boşaltılır (Şekil 2.3).

18 8 Sondajı Etkileyen Faktörler Şekil 2.2. Düz dolaşımlı döner sondaj yöntemi Şekil 2.3. Ters dolaşımlı döner sondaj yöntemi

19 Sondajı Etkileyen Faktörler Karotlu döner sondaj yöntemleri Karotlu sondajlar, kaya ve zeminlerin mühendislik özelliklerinin belirlenmesi (çatlak, dolgu, eklem sistemleri vb.) ve laboratuarda bir takım deneylerin yapılabilmesi veya bir maden sahasının aranması, değerlendirilmesi ve işletilebilirliğinin araştırılması amacıyla özel ekipmanlar kullanılarak yapılan sondajlardır. Karotlu sondaj yöntemleri, konvensiyonel (Şekil 2.4) ve wire-line (Şekil 2.5) sondaj yöntemleri olarak ikiye ayrılır. Karotlu sondaj çalışmalarında, karot alınabilmesi için kuyu içi ve dışarısında kullanılmak üzere değişik özellikte ekipmanlara gereksinim duyulmaktadır. Basit olarak takımın en alt ucunda bulunan matkap, sondaj makinasının morseti tarafından ve takım aracılığı ile döndürülmektedir. İlerleme için gerekli olan baskı, sondaj makinasının morseti tarafından takım üzerine uygulanmaktadır. Matkabın formasyon içerisine girmesi ile delme işlemi başlar. Matkabın içi boş olduğu için delinen formasyonun bir bölümü, silindir şeklinde kesilerek önce matkabın daha sonrada matkabın üst kısmında bulunan karotiyer içerisine girer. Bu silindir şeklindeki formasyon örneğine, karot adı verilmektedir. Belli bir uzunluğu olan karotiyer dolduğu zaman, tüm takım çekilerek kuyu dışarısına alınmaktadır. Matkap veya karotiyerin iç kısmında bulunan segman, karotu sıkı bir şekilde kavrayarak tutar ve manevralar sırasında karotun karotiyer içerisinden çıkmasını engeller. Matkabın formasyonu kesmesi sırasında, takım içerisinden pompa aracılığıyla su veya sondaj sıvısı basılmaktadır. Sondaj sıvısı, matkabın soğumasını ve kuyu tabanında yer alan kırıntıların kuyu dışarısına atılmasını sağlar. Konvensiyonel takımların tamamı, karot çapından bağımsız olarak aynı temel uygulama özelliklerini taşır ve karotun karotiyerden çıkartılması için karotiyer her dolduğunda takımın kuyudan tamamen çekilmesi gereklidir.

20 10 Sondajı Etkileyen Faktörler Şekil 2.4. Konvensiyonel karotlu sondajın genel modeli [Özdemir, 2009] Wire-line karotlu sondaj tekniğinin esasını, delme işlemi sonucunda elde edilen karotun kuyu dışarısına alınması için, tijlerin kuyu dışarısına çıkarılmasına gerek olmaması oluşturmaktadır. Wire-line karotlu sondajlarda kullanılan tijler, dış tüp ile aynı ölçüdedir ve iç tüp tijlerin içerisinde kolayca hareket edebilmektedir. Wire-line sondaj tekniğinde, iç tüp karot ile dolduktan sonra, ince bir çelik halata bağlı olan ve over shot (olta) adı verilen ekipman kuyuya indirilir. Over shot, iç tüp başlığının üst kısmında bulunan ve çam ağacı adı verilen parçayı kavrar. Halat kuyu dışarısına çekildiğinde, iç tüpün dış tüp içerisinde sabit bir şekilde durmasını ve geriye kaçmamasını sağlayan sustalar kapanır ve iç tüp serbest kalır. Daha sonra halat çekilmeye devam edilerek karotla dolu ve over shot ile tutulmuş olan iç tüp, tijlerin içerisinden kuyu dışarısına alınır. İç tüp boşaltılarak bakım ve kontrolü yapıldıktan sonra, tijler içerisinden halatla kuyu tabanına gönderilir. Kuyuda su varsa, iç tüp doğrudan doğruya tijlerin içerisinden atılır. Su kaçağı var veya kuyu kuru ise, over shot çelik halat ile indirilir. İç tüp dış tüp içerisine oturduğunda, iç tüp başlığında bulunan sus-

21 Sondajı Etkileyen Faktörler 11 talar kendiliğinden açılarak iç tüpün sabitlenmesini ve geriye doğru gitmesini önler. Bu işlem sonrasında, karotlu sondaj çalışmasına devam edilir. Şekil 2.5. Wire-line karotlu sondajın genel modeli [Özdemir, 2009]

22 12 Sondajı Etkileyen Faktörler 2.2. Döner-Darbeli Sondaj Yöntemleri Döner-darbeli sondaj yöntemi, darbenin matkaba iletilme şekline göre kuyudibi ve yerüstü çekiçli yöntem olarak ikiye ayrılabilir. Ayrıca, değişik formasyonlarda yaşanan sondaj güçlüklerini önlemek, her tür formasyonu güvenli bir şekilde delebilmek ve örnek alınabilmesini sağlamak amacıyla koruma borusu eşliğinde sondaj, burgulu sondaj, ters dolaşımlı kuyudibi tabancası ile sondaj vb. gibi özel sondaj yöntemleri de geliştirilmiştir (Şekil 2.6). Şekil 2.6. Diğer sondaj yöntemleri [Özdemir, 2009]

23 3. SONDAJ MATKAPLARI VE KAYA DELME MEKANİZMALARI 3.1. Sondaj Matkapları Sondaj matkapları, formasyonlardan örnek alma şekline göre iki grupta incelenebilir. 1. Kırıntı örnek almaya uygun matkaplar 2. Karot örnek almaya uygun matkaplar Kırıntı örnek almaya uygun matkaplar Bu matkaplar, üzerlerine uygulanan baskı (yük) ve dönme hareketi yardımıyla temasta oldukları formasyonu delerler. Bu delme işlemi, bir kesme ve öğütme işlemidir. Kesme ve öğütme işlemleri sonucunda oluşan kırıntılar, su ve sondaj çamuru veya diğer taşıyıcılar (hava vb.) ile kuyu dışına (yerüstüne) taşınırlar. Bu tür matkaplara, karotsuz ilerleme matkapları da denilmektedir. Üç konili matkaplar Üç konili matkaplar gövde, koniler ve koni yataklarından oluşmaktadır (Şekil 3.1 ve Şekil 3.2). Üç konili matkaplar, çelik ve tungsten karbid dişli olmak üzere ikiye ayrılır (Şekil 3.3 ve Şekil 3.4). Konili matkaplar aşınmaya dayanıklılığı artırılmış çelik alaşımlardan imal edilmektedir. Çamurlu ve havalı sondaj çalışmalarda kullanılabilecek özelliktedirler. Her tür formasyona uygun tipleri bulunmaktadır. Döner sondaj yönteminde en çok kullanılan matkap tipidir. 13

24 14 Sondajı Etkileyen Faktörler Şekil 3.1. Konili matkap yapısı Şekil 3.2. Konili matkap terminolojisi

25 Sondajı Etkileyen Faktörler 15 Şekil 3.3. Çelik dişli üç konili matkap Şekil 3.4. Tungsten karbid dişli üç konili matkap Parmak, balık kuyruğu ve kanatlı matkaplar Bu tip matkaplar, genellikle yumuşak ve taneli formasyonların delinmesinde kullanılmaktadır. Tek parça, birkaç veya daha fazla parçanın birleştirilmesiyle imal edilen matkaplardır (Şekil 3.5).

26 16 Sondajı Etkileyen Faktörler Parmak Balık kuyruğu Üç kanatlı Şekil 3.5. Parmak, balık kuyruğu ve kanatlı matkaplar PDC matkaplar PDC matkaplar petrol, jeotermal ve patlatma deliği sondajlarında başarıyla kullanılmaktadır. PDC matkaplar, pahalı olmalarına rağmen dikkatli kullanılmaları durumunda ömürleri oldukça uzun olmakta ve sondaj maliyetini önemli derecede düşürmektedirler [Özdemir, 2009]. PDC matkapların hem kırıntı hem de karot örnek almaya uygun türleri bulunmaktadır (Şekil 3.7 ve Şekil 3.8). Şekil 3.6. Kırıntı örnek almaya uygun PDC matkaplar

27 Sondajı Etkileyen Faktörler 17 Şekil 3.7. Karot örnek almaya uygun PDC matkaplar Karot örnek almaya uygun matkaplar Sondaj işlemi sırasında, bir taraftan delme işlemi devam ederken diğer taraftan da formasyondan kesilen malzemenin silindir boru şeklindeki örnek alıcı (karotiyer) içerisine girmesi sağlanır. Karot örnek alıcı (karotiyer) kullanılan sondaj çalışmalarında kullanılan matkaplara, karot örnek almaya uygun matkap denilmektedir. Elmaslı matkaplar Karotiyerlerin (karot örnek alıcı) ucunda yeralan, kesme işlemini yapan, yapısında doğal veya yapay elmasların bulunduğu matkaplara elmaslı matkap denilir. Bir elmaslı matkap üç ana birimden oluşmaktadır. Bunlar; 1. Elmas taneleri 2. Gövde 3. Matris Elmaslı matkapların hem kırıntı hem de karot örnek almaya uygun türleri bulunmaktadır (Şekil 3.8, Şekil 3.9, Şekil 3.10). Karot örnek almaya uygun elmaslı matkaplar, elmas tanelerinin matrise işlenme şekline göre ikiye ayrılmaktadır. Bunlar;

28 18 Sondajı Etkileyen Faktörler 1. Yüzeyden taneli elmaslı matkaplar 2. Emprenye elmaslı matkaplar Vidyeli matkaplar Tungsten karbid e sondajcılık dilinde vidye denilmektedir. Kesici yüzeyine vidye taneleri yerleştirilerek imal edilen, yumuşak formasyonların delinmesi için kullanılan matkaplara vidyeli matkap (vidye kron) denilmektedir ve bu matkaplar karotlu sondaj çalışmalarında kullanılmaktadır (Şekil 3.11). Şekil 3.8. Yüzeyden taneli elmaslı matkap Şekil 3.9. Emprenye elmaslı matkap

29 Sondajı Etkileyen Faktörler 19 Şekil Kırıntı örnek almaya uygun elmaslı matkaplar Şekil Vidyeli matkabın yapısı 3.2. Kaya Delme Mekanizmaları Üç konili matkapların kaya delme mekanizmaları Konili matkaplar, formasyonu matkap üzerine verilen baskı ve tork ile parçalar. Parçalanma olayı, iki türlü olmaktadır [Göktekin, 1991]; 1. Kazarak parçalama 2. Ezerek parçalama Kazarak parçalama, kolay delinebilen formasyon matkaplarının formasyonu parçalama şeklidir. Bu parçalama türünde, matkabın dişleri kayaca gömülür ve dönmenin etkisiyle dişler kayacı iterek talaş kaldırır gibi ince yapraklar halinde formasyondan parçalar koparır (Şekil 3.12). Özellikle kil türü formasyonlarda bu tür parçalanma söz konusudur [Göktekin, 1991].

30 20 Sondajı Etkileyen Faktörler Şekil Kazıma etkisi ile formasyonda krater oluşturma evreleri [Özdemir, 2009] a. Diş ile formasyon temasında formasyonun elastik şekil değiştirmesi b. Dişin temas ettiği yüksek gerilme bölgelerinde kesme çatlakları oluşumu c. Kesme çatlaklarının yüzey boyunca ilerlemesi ile parçalanma Ezerek parçalama, kolay delinemeyen formasyonlardaki parçalama şeklidir. Matkap dişleri, formasyon üzerine formasyonun tek eksenli basınç dayanımından daha fazla bir kuvvetle basar. Dişin bastığı yerdeki formasyon ezilerek ince toz haline gelir ve buraya gömülen dişin yükünü çevreye iletir. Oluşan kayma gerilmesi, formasyonun kayma dayanımını yenerek formasyonun parçalanmasını sağlar [Göktekin, 1991]. Böylece dişin altında bir krater oluşur (Şekil 3.13) Şekil Ezerek parçalama işlemi [Özdemir, 2009] 1. Dişin formasyona batması 2. Formasyonun tek eksenli basınç dayanımının yenilmesi 3. Tek eksenli basınç dayanımının yenilmesi ile kayma gerilmesi oluşması 4. Kayada krater oluşumu ve delme işleminin gerçekleşmesi

31 Sondajı Etkileyen Faktörler 21 Formasyonun parçalanması için gerekli olan enerji dişe gelen yüke, dişin formasyona çarpma hızına ve formasyon üzerinde kalma süresine bağlı olduğu için dişlerarası açıklığı fazla olan matkaplarda delme işi daha hızlı olur. Çünkü, dişler yüzeye daha hızlı çarparlar ve çarptıkları yüzeyde kalma süreleri daha fazladır [Özdemir, 2009] Elmaslı matkapların kaya delme mekanizmaları Elmaslı matkapların delme işlemini gerçekleştirebilmesi için, üzerlerine bir yük (baskı) uygulanması ve matkabın ekseni etrafında döndürülmesi gerekmektedir. Delme işlemi, matkabın baskı altında döndürülmesi sonucunda oluşan makaslama kuvvetinin kayacı plastik deformasyona uğratması ile gerçekleşmektedir. Bu makaslama kuvveti, matkap üzerine uygulanan baskı ve dönme işlevlerinin bileşkesidir [Heinz, 1985]. Şekil 3.14 de görüldüğü gibi, elmaslı matkabın verimli bir delme operasyonu yapabilmesi için bu baskı ve döndürme kuvvetleri arasındaki ilişkinin iyi bir şekilde ayarlanması gereklidir. Delme olayının anlaşılabilmesi için, matkabın kesme yüzeyinin iyi bir şekilde incelenmesi gereklidir. Matkabın kayayı delme yeteneği, kayanın sertliği ve dayanımına bağlıdır [Özdemir, 2009]. Şekil Delme işleminde kuvvetler dengesi [Sunay, 1966] Elmaslı matkapların başlıca 3 ana kaya delme mekanizması bulunmaktadır. Bunlar [Heinz, 1985];

32 22 Sondajı Etkileyen Faktörler 1. Yontma 2. Basınçla gevşetme 3. Kazıma ve aşındırma Yontma Yumuşak kayalarda elmas tanesi (taş), kaya ile temas ettiğinde kaya üzerinde yeterli derinlikte ve yerel bir makaslama gerilmesi oluşturur. Elmas tanesi, baskı altında döndürüldüğünde tarla sürmede kullanılan pulluğun oluk açması gibi kayada bir oluk oluşturur. Bu aşamada, normal yük kesme yükünden daha fazladır. Elmas taneleri matrise, birinin açtığı oluğu arkadan gelen tanenin derinleştirmesini sağlayacak şekilde yerleştirildikleri için bu işlemler sonucunda kayanın delinmesi sağlanır (Şekil 3.15A). Basınçla gevşetme Delinen kayanın basınç dayanımının yüksek olduğu ve her elmas tanesine delmeyi sağlayacak yeterli miktarda baskının verilmediği durumlarda, elmas tanesinin kayayı kesmesi kayada basınçla gevşeme şeklinde olur. Kesme sırasında bir elmas tanesi, kaya üzerinde bir noktadan geçerken tanenin izi basınç gevşemesi sebebiyle kayada çatlama oluşur. Ardarda ve yan yana gelen tanelerin oluşturacakları izlerin artması ve derinleşmesiyle delme işlemi gerçekleşir. Yüksek kapasiteli sondaj makinalarında, yumuşak kaya matkapları kullanıldığında basınç gevşemesi nedeniyle yerel yenilmeler oluşturularak delme işlemi gerçekleştirilir. Kaya yüzeyinde, yaklaşık mikron derinliğinde çatlaklar oluşur. Dönme işleminin etkisiyle elmas tanesi kaya yüzeyini tahrip etmeden geçmemektedir (Şekil 3.15B). Kazıma ve aşındırma Kazıma ve aşındırma şeklindeki delme işlemi genellikle çok sert kayalarda ve çok yüksek dönme hızlarıyla birlikte çalışıldığında oluşmaktadır. Kazıma ve aşındırma mekanizması, kayanın basınçla gevşetilmesine benzemektedir.

33 Sondajı Etkileyen Faktörler 23 Elmas tanesi fazla miktarda parçalanmış bir bölgeyi çapraz olarak geçtiğinde, kesme derinliğinin çatlak derinliğine oranla çok küçük olduğu gözlenmektedir. Üç delme işleminde de bahsedildiği gibi, delme işleminde kayanın yenilmesi karmaşık bir işlemdir. Yontma tipi kesme ve basınçla gevşetme mekanizması yumuşak kayalar dışındaki bütün kayaçlarda etkili olup, birbirine benzemektedir. İlk olarak basınç gevşemesi nedeniyle çatlak oluşmakta ve çatlak büyüdüğünde kırıntılar kopmaktadır. Bununla birlikte, her seferde elmas tanesi belirli bir bölge üzerinden geçerken kayacı ezmekte ve bu ezilme işlemi kayanın alt yüzeyine de yansımaktadır (Şekil 3.15C). Delme işleminde hangi mekanizmanın gerçekleştiği, elmas tanesi cinsine, kayanın tane boyutu, sertliğine ve tek eksenli basınç dayanımına bağlıdır. Çatlak yayılma şekli, muhtemelen kayanın tane boyutunun bir işlevidir. Şekil Elmaslı matkapların delme mekanizmaları [Heinz, 1985]

34 24 Sondajı Etkileyen Faktörler PDC matkapların kaya delme mekanizmaları PDC matkaplarda, dişlerin kayayı kesmesi esnasında değişik safhalar vardır (Şekil 3.16). İlk aşamada, matkap dişleri ile kaya üzerinde bir makaslama kuvveti oluşturulur (Şekil 3.17). Bu makaslama kuvveti, kayacın dayanımı yenilinceye kadar artmaya devam eder ve bu esnada kırılma olmaz. Kayanın dayanımından fazla bir makaslama kuvveti uygulandığında kay a- dan parçalar kopar ve kuvvette bir düşüş olur. Böylece bir döngü tamamlanmış olur. Bundan sonra dişler serbest yüzeyde batmaya başlar. Şekil 3.18 de makaslama ve baskı (yük) düzleminin PDC kesici elemanı ile ilişkisi görülmektedir. PDC matkaplar birincil olarak makaslama hareketleriyle kayayı kesmekte olup, diğer matkaplar (örneğin taşlı, elmas ve emprenye elmas) kayayı kırma ve ezme olayları ile delmektedir (Şekil 3.19). Şekil PDC matkapların delme mekanizması [Ersoy, 2008] Şekil PDC kesici elemanlarının kayayı sıkıştırma veya baskı kuvvetlerinden ziyade makaslama mekanizması ile parçalaması [Ersoy, 2008]

35 Sondajı Etkileyen Faktörler 25 Şekil Makaslama ve baskı (yük) düzleminin PDC kesici elemanı ile ilişkisi [Ersoy, 2008] PDC matkapları kayayı makaslama hareketi ile keserek parçalamaktadır. Diğer matkaplar, örneğin elmas ve konili matkaplar kayayı kırarak, sıkıştırarak ve öğüterek parçalamaktadır. Makaslama hareketi ile kesme işlemi, sıkıştırma, kırma ve ezme işleminden daha az enerji tüketmektedir. Böylece sondajda, PDC matkaplarında daha az matkap baskısı uygulanmaktadır.

36 4. SONDAJI ETKİLEYEN FAKTÖRLER Sondaj işlemi, birçok faktörden etkilenen karmaşık bir olaydır. Matkap türü ve çapı, dönme hızı, baskı kuvveti, tork ve dolaşım sıvısı kontrol edilebilen parametrelerdir. Diğer yandan kayanın fizikomekanik özellikleri ve jeolojik koşullar (süreksizlikler, tabakalanma durumları, tane boyutu, matriks yapısı, gözeneklilik, çimentolanma derecesi ve aşındırıcı mineral oranı gibi) kontrol edilemeyen faktörler kaya delinebilirliğinde etkili olmaktadır. Sondaj birçok faktörce etkilenen karmaşık bir işlemdir. Bunlardan en önemlileri [Karanam ve Misra, 1998]; a. Matkap tipi ve geometrisi b. Uygulanan baskı ve dönme hızı c. Hava veya çamur püskürtmesi yapılan ortam ve püskürtme hızı d. Kaya özellikleri Bunlardan (a) ve (c) kontrol edilebilir sondaj parametreleriyken, (d) kontrol edilebilir bir parametre değildir. Sondaj yöntemlerinin performansı genelde kayaçların delinebilirliği ile ifade edilir. Bu, belirlenen bir kayaçta delmenin tahmini veya gerçek hızı olarak tanımlanır. Döner veya döner-darbeli sondaj yöntemlerinde, delinebilirlik indeksi, bu özelliğin bağıl kanıtı olarak göz önüne alınır. Delme indeksi, kullanışlı bir parametredir ve uygun sondaj tekniğini belirlemeye yardımcı olur. Yani, ortalama bir sondaj sonucu elde etmek için, döner sondaj veya döner-darbeli sondaj yöntemi kullanmak gibi. Aynı zamanda, delme işleminin standartlarını oluşturmada ve yapılan işin maliyetini ölçmede kullanılmaktadır. Ayrıca, tijlerin ve matkabın ortalama ömrünü belirlemeye de yardımcı olur. Kayacın delinebilirliğinin bilinmesi, sondaj matkap ve makinelerin üretiminin yapılması ve diğer mekanizmalar için büyük önem taşır. Kaya delinebilirliğinde kontrol edilemeyen parametrelerin belirlenmesi (kaya özelliklerinin), sondaj çalışmasında kullanılacak delme yöntemi, matkap türü, matkap dönme hızı, matkap üzerine uygulanacak yük miktarı, delme dizisi niteliği, pompa türü, dolaşım sıvısı /hava hızı ve hacmi, personel vb. gibi kontrol edilebilen parametrelerin en iyi şekilde seçilebilmesine (tasarım aşamasında) imkan vermektedir. Ayrıca elde edilen veriler maliyet tahminlerinde ve sondaj çalışma sürelerinin planlanmasında kullanılabilecektir. 26

37 Delinebilirliğin Değerlendirilmesi Kayaların Jeolojik ve Mühendislik Özellikleri Kaya delinebilirliği üzerinde etkili olan jeolojik ve mühendislik özellikleri, dokusal özellikler, fiziksel ve mühendislik özellikleri olmak üzere iki grup altında toplanabilir [Özdemir, 2007] Dokusal özellikler Kayalar genel olarak, volkanik, sedimanter ve metamorfik olmak üzere 3 e ayrılırlar. Kaya malzemelerinin davranışları, yapılarını oluşturan minerallerin ve mineral taneleri arasındaki matriks malzemesinin özelliğine bağlı olarak farklılık arz etmektedir. Kayaların dokusal özellikleri de, kaya malzemesini oluşturan mineral taneleri ve matrikse bağlı olarak farklılıklar gösterir. Çizelge 4.1 de kayaların dokularına göre sınıflandırılması Goodman (1989) tarafından gerçekleştirilen çalışmadan alınarak verilmiştir. Kaya dokusu, Williams ve diğ. (1982) tarafından, kristalleşme derecesi, tane büyüklüğü veya taneleşme ve kayayı oluşturan bileşenler arasındaki yapı veya geometrik ilişkiler olarak tanımlanmıştır. Bunun yanında, Howarth ve Rowlands (1987) ise, taneler arası ilişkiler ve tanelerin geometrik özellikleri olarak tanımlamışlardır. Bu tanımlamalardan hareket ederek, kaya dokusunun, kaya malzemesini oluşturan tanelerin birbirilerine bağlanmalarının sağlanabildiği ortamlar olarak tanımlamak mümkündür.

38 28 Delinebilirliğin Değerlendirilmesi Çizelge 4.1 Kayaların dokularına göre sınıflandırılması [Goodman, 1989]

39 Delinebilirliğin Değerlendirilmesi 29 Kayaların dokusal özelliklerinin tespitinde, kaya dokusunu oluşturan tanelerin geometrik özelliklerinin, ince kesitlerden alınan mikroskop görüntüleri ile tanımlanması gerekmektedir. Bu geometrik özellikler ise şu şekilde özetlenebilir; tane şekli, açısı, tanelerin birbirine bağlanma derecesi, tanenin özelliklerinin birbiriyle olan ilişkisi ve matriksin büyüklüğü. Kayaların dokusal özelliklerini belirleme konusunda Howarth ve Rowlands (1987) tarafından gerçekleştirilen çalışma son derece önemlidir. Bu çalışmada araştırmacılar, dokuyu oluşturan tanelerin şekilsel özelliklerinden faydalanarak doku katsayısı (TC) kavramını öne sürmüşlerdir. Bu durum kayaların dokusal özelliklerinin sayısallaştırılmasını sağlamış ve bu sayede kayaların mekanik özellikleri, fiziksel özellikleri ile dokusal özellikleri arasında bir ilişkinin var olup olmadığı konusunda araştırmalar yapmak mümkün olmuştur. Bunun yanında kayaların minerolojik, dayanım ve benzeri özellikleri ve TC arasındaki ilişkiler farklı araştırmacılar tarafından araştırılmış ve sonuçlar değerlendirilmiştir. Howarth ve Rowlands (1987) gerçekleştirmiş oldukları çalışma ile TC kavramını öne sürmenin yanında, kayaların tek eksenli basınç dayanımları, çekme dayanımları, elastik modülleri ve sondaj ilerleme hızları ile dokusal özellikler arasındaki ilişkileri araştırmışlardır. Yapılan çalışmalar sonucunda, özellikle sondaj ilerleme hızı ile TC arasında son derece yüksek bir korelasyon bulunmuştur. Bunun yanında, tek eksenli basınç dayanımı ve çekme dayanımı ile TC arasında da önemli korelasyona sahip ilişkiler bulunmuştur. Özellikle sert kaya grubuna ait kayalar üzerinde yapılan araştırmalar, TC ile çekme ve basınç dayanımları arasında son derece önemli ilişkilerin olduğunu göstermektedir. Kaya dokusu ve tane boyu, delinebilirliği etkileyen faktörlerden biridir. Tane boyları ince ve doku kompakt (yoğun) olduğu zaman delinebilirlik düşmektedir. İri tane boyuna ve daha gözenekli dokuya sahip kaya türlerinde ise delinebilirlik yüksektir. Tane şekli, delme hızı üzerinde etkili bir özelliktir. Köşeli taneli kayalarda yapılan ilerleme miktarı, yuvarlak taneli kayalarda yapılan ilerleme miktarından daha azdır. Ayrıca, köşeli tane içeren kayalarda, matkap aşınma miktarı da fazladır. Çizelge 4.2 de doku ve tane boyutuna göre delinme hızları verilmiştir.

40 30 Delinebilirliğin Değerlendirilmesi Çizelge 4.2. Doku ve tane boyu ile delinme hızı arasındaki ilişki [Wilbur, 1982] Fiziksel ve mühendislik özellikleri Kayaçların fiziksel özellikleri olarak anılan özellikleri, bir kayayı diğer kayalardan farklı kılan ve kayanın yapısına bağlı olarak değişen özelliklerin toplamı olarak tanımlanabilir. Bu özellikler kayanın oluşumuna ve doku ve bileşen kompozisyonuna bağlı olarak farklılık arz etmekte olup, kaya malzemesinin tanımlanmasında önemli roller üstlenmektedir. Mekanik özellikler ise, kaya malzemesinin dinamik ve statik yükler altındaki davranış modellerini temsil eden özellikler olarak sınıflandırılabilir. Mekanik özelliklerin tayini gerek laboratuar gerekse arazide gerçekleştirilen deneyler ile elde edilir. Delinebilirlik özellikleri ise, kaya yapılarında açılacak sondaj, tünel, galeri, kuyu ve benzeri yapıların açılması esnasında kaya malzemelerin delme işlemlerine ne derece direnç göstereceğinin anlaşılabilmesini tespit eden özelliklerdir. Bunun yanında kaya malzemelerin delinebilirliği, delme işlemini gerçekleştirecek olan makinelerin performansları üzerinde de etkili olmaktadır. Bu sebepten dolayı, makine performanslarını temsil eden parametrelerde kayaların delinebilirlik özellikleri ile birlikte değerlendirilebilir. Bir kayacın delinebilirliğinde incelenen önemli fiziksel ve mühendislik özellikleri; yoğunluk, birim hacim ağırlık, gözeneklilik (porozite), su emme, doluluk ve boşluk oranı, dayanım, sertlik, aşındırıcılık vb. dir.

41 Delinebilirliğin Değerlendirilmesi 31 Yoğunluk ve birim hacim ağırlık Yoğunluk (p) ve birim hacim ağırlığı (y) kayaların birim hacimlerinin ağırlığını vermesi açısından son derece önemlidir. Birim hacim ağırlık deneylerinin yanında delinebilirliğe etkisinden dolayı gözeneklilik (porozite) ve buna bağlı boşluk hacmi ve boşluk oranlarının hesaplanmasında fayda vardır. Kayadaki gözeneklilik artışı, kaya dayanımının azalmasına neden olmaktadır. Yüksek gözenekli kayaların delinebilirliği yüksektir. Süreksizliklerin durumu, kırıklar ve çatlaklar Kaya kütlesinin genel yapısı delme işleminin etkinliğinde önemli rol oynar. Kaya kütlesinin yapısı ile kaya delinebilirliği arasında önemli bir ilişki vardır. Eklemli kaya yapılarında sondaj yapmak, sağlam kaya yapılarına oranla çok daha zordur. Aşırı eklemli, süreksizlik araları açık bölgelerde sondaj yapmak beraberinde birçok sorun getirmektedir. Bu formasyonlarda, sondaj işlemi sırasında matkabın sıkışması delinebilirliğin düşmesi açısından en büyük etkendir. Eklem sistemlerindeki en önemli karakteristik özellik, süreksizlikler arasındaki mesafedir. Kayanın delinebilirliği, bu mesafeye bağlıdır. Süreksizlikler arası mesafe, kaya kütlelerinin kalitelerinin sınıflandırılmasında kullanılan önemli bir parametredir. Bu mesafe azaldıkça, delme ortamının sürekliliği de azalacak, bunun sonucunda, delinebilirlikte azalacaktır. Yapılan araştırmalarda elde edilen sonuçlara göre, 1 metre ve üzerindeki süreksizlikler arasındaki mesafelerde, delme işlemi daha etkili olmaktadır. 50 cm ve altındaki mesafelerde ise, delinebilirlik çok düşüktür [Hoseinie, 2008]. Delinebilirliğe etki eden süreksizlikler ile ilgili bir diğer önemli özellikte, süreksizliklerin açıklıkları ve bu açıklıkları dolduran dolgu malzemesinin varlığıdır. Arası kapalı çatlarlar veya eklemlerin olduğu durumların, delinebilirlik üzerine çokta olumsuz bir etkisi yoktur. Açık eklemlerin bulunması, matkabın eksenden sapmasına, temizlik elemanlarının (basınçlı hava, su vb.) buralardan kaçmasına ve matkabın kilitlenmesine neden olmaktadır. Süreksizlikleri dolduran dolgu malzemesi ana kayadan daha yumuşaksa, matkap bu süreksizlikler boyunca ilerlemek isteyeceğinden, delinebilirlik azalacaktır. Tam tersi durumlarda ise, delinebilirlik etkilenmeyecektir. Kısacası, süreksizlik dolgu malzemesinin delme işlemi yapılan kayadan daha sert veya aynı sertlikte olması delinebilirliğe olumsuz bir etki yapmayacaktır. Yapılan araştırmalarda, daha küçük yapılı dolgu malzemelerinin olduğu süreksizliklerde delinebilirliğin olumsuz yönde etkilendiği görülmüştür. Bu gibi durumlarda, delik dibindeki ufalanmış kayanın dışarı çıkması zorlaşmaktadır ve sonuçta yine delinebilirlik olumsuz yönde etkilenmektedir [Wilbur, 1982].

42 32 Delinebilirliğin Değerlendirilmesi Eklemlerin eğimi de delinebilirliği etkileyen faktörlerdendir. Eklemler sondajın sapmasına ve bunun sonucunda delme yükü ile delinme performansı olumsuz yönde etkilenmektedir. Dolgu malzemesi ile dolmuş eklem takımlarında eğime bağlı olarak delme işlemi sırasında ve sonrasında, kuyu içerisine dolabilir bu durumda matkabın sıkışmasına neden olabilir. Sondaj yönü ile eklem yüzeyi arasındaki açı artar ise, delinebilirlik kolaylaşabilir [Wilbur, 1982]. Çizelge 4.3 de kaya formasyonu ile delinme durumu arasındaki ilişki verilmiştir. Süreksizliklerin içerisinde daha küçük boyutlu kırık ve çatlaklarıda (mikroçatlak) sayabiliriz. Delinebilirlik tanımında kırıklar, bir çekiç darbesi ile kayacın nasıl kırılacağını ifade eder. Masif kırıksız kayalar daha yavaş delinirken, dayanımı düşük kayalar daha hızlı delinmektedir [Wilbur, 1982]. Çizelge 4.4 de kırılma şekline göre delinme durumu verilmiştir. Çizelge 4.3. Kaya formasyonu ile delinme durumu arasındaki ilişki [Wilbur, 1982]

43 Delinebilirliğin Değerlendirilmesi 33 Çizelge 4.4. Kırılma şekline göre delinme durumu [Wilbur, 1982] Tek eksenli basınç dayanımı Kayaların dayanım özellikleri, yaygın olarak dünyanın her tarafında standart olarak elde edilebilir olduklarından uzun zaman delinebilirlik ölçütü olarak kullanılmışlardır. Fakat tek eksenli basınç dayanımı kayacın aşındırıcılık, kırılganlık ve süreksizlik gibi özellikleri hakkında bir fikir vermemektedir. Dayanım, delinebilirliği etkileyen en önemli unsurlardan birisidir. Bu nedenle matkap çalışma koşulları, kaya dayanımlarına göre saptanmalıdır. Aksi takdirde, matkap çok kısa sürede ömrünü tamamlayacaktır. Kayanın tek eksenli basınç dayanımı arttıkça kaya delinebilirliği azalmaktadır. Kaya delinebilirliği çalışmalarında, kayaların dayanım özellikleri tek eksenli basınç, tek eksenli çekme (Brazilian) ve nokta yük deneyleri yapılmak suretiyle belirlenmektedir. Nokta yük dayanım testi, kayaların dayanımlarına göre sınıflandırılmasında ve anizotropilerinin belirlenmesinde yaygın olarak kullanılan bir indeks deneydir. Tek eksenli basınç dayanımı, kayaçların en önemli mühendislik özelliğidir. Tek eksenli basınç dayanımı birçok kayaç sınıflama sisteminde kullanılan en önemli parametredir. Çünkü kayacı oluşturan malzemenin sağlamlığı, genel kaya kütlesinin dayanımını arttırmaktadır. Tek eksenli basınç dayanımını etkilen önemli faktörlerin başında; kayacı oluşturan mineraller ve dağılımları, mikro çatlaklar, porozite, yoğunluk, elastisite v.b. gelmektedir. Düşük poroziteli kayaçlar genelde yüksek yoğunluk değerlerinde olmakla birlikte, yüksek basınç dayanımları, düşük yoğunluk değerli kayaçlar düşük basınç dayanımı vermektedir. Çizelge 4.5 de tek eksenli basınç dayanımlarına göre kayaların sınıflandırılması verilmiştir.

44 34 Delinebilirliğin Değerlendirilmesi Çizelge 4.5. Tek eksenli basınç dayanımlarına göre kayaların sınıflandırılması [ISRM, 1978] Kaya numunelerinde basınç dayanımı, üzerine uygulanan basınç kuvvetine karşı, kayaların kırılmadan önceki dayanma yeteneği olarak tanımlanır. Kısacası, kayaçların kırılmaya karşı gösterdikleri dirençtir. Düzgün geometrik şekilli numunelerin basınç dayanımlarının bulunmasında kullanılan en yaygın yöntemdir. Tek eksenli basınç dayanımı deneyleri ile birlikte deformasyon deneyi de yapılabilir. Deformasyon, delinebilirlik çalışmalarında kayacın davranışını kavrayabilmek açısından önemlidir. Deformasyon deneyi ile bulunabilecek bir diğer kavram ise spesifik tahrip enerjisi (Destruction Specific Energy, SEDES) kavramıdır. Delinebilirlik kavramına referans olabilecek bir kavram olan spesifik tahrip enerjisi (SE DES), deformasyon deneyi sonunda elde edilen a - e grafiğinin altında kalan alan olarak hesaplanır. Daha açık ifadeler ile tanımlamak gerekirse, kaya içinde yeni yüzeyler veya yeni çatlaklar için gereken enerji miktarıdır. Birimi genellikle kj/m 3 olarak ifade edilir [Ersoy, 2003]. Şekil 4.1 de gerilme-deformasyon eğrisine bağlı spesifik tahrip enerjisi grafiği verilmiştir. Şekil 4.1. Gerilme-deformasyon eğrisine bağlı spesifik tahrip enerjisi grafiği [Ersoy, 2003]

45 Delinebilirliğin Değerlendirilmesi 35 Sertlik Bir kayacın sertliği, kayanın minerallerini bir arada tutan bağ kuvveti dolayısıyla çizilmeye karşı gösterdiği dirençtir. Sertlik belirlemede, Mohs sertliği, Shore Scoleroscope indeksi, Schmidt çekici sertliği indeksi ve NBC koni delici sertliği, darbe dayanım indeksleri kullanılmaktadır. Mohs Sertlik Skalası (Çizelge 4.6 ve Çizelge 4.7) Avustralyalı mineralog Friedrich Mohs ( ) tarafından 1824 yılında önerilmiştir. Çizelge 4.6. Mohs sertlik değerleri [NAST, 1955] Mineral Sertlik Elmas 10 Korindon 9 Topaz 8 Kuvars 7 Feldspat 6 Apatit 5 Fluorit 4 Kalsit 3 Jips 2 Talk 1 Çizelge 4.7. Mohs sertlik değerlerine göre kayaların sınıflaması [Hoseinie, 2008]

46 36 Delinebilirliğin Değerlendirilmesi Shore Skeleroskopu ile yüzey sertliğinin ölçülmesi Bu yöntemde, belirli bir ağırlığa (~ 2,40 gr) sahip elmas veya sertleştirilmiş metal uçlu bir çekice, sabit bir (~ 25 cm) yükseklikten yatay durumda konumlandırılmış bir numune üzerinde serbest düşme yaptırılır. Bu çekiç, örneğin yapısına göre enerjisinin bir kısmını yüzeyde deformasyon oluşturacak şekilde numuneye aktarır kalan enerjisi ile de numune üzerinden zıplamaktadır. Çekicin zıplama yüksekliği, skeleroskobun kadranından okunmaktadır (Şekil 4.2). Numunelerin pratikte her noktada homojen bir yapı göstermeyeceği düşünülerek numunelerden en az 20 okuma yapılmaktadır. Bunun için numune yüzeyleri 5 mm aralıklara bölünerek numune yüzeyinin farklı noktalarından ölçümler yapılmaktadır. Ölçüm yapılacak numunelerin, en az 10 cm 2 yüzey alanına ve 1 cm kalınlığa sahip olması gerekmektedir [Karpuz ve Hindistanlı, 2006]. Shore sertlik değeri, yapılan ölçümlerin ortalaması olarak kabul edilmektedir. Resim 4.1. Shore skeleroskop aleti Delinebilirlik için uygun sertlik ölçümü, Shore Skeleroscope sertliğidir. Çünkü; Shore sertliği tane boyutu ve şeklini, tanelerin birbiriyle bağlanma oranı ve türü gibi kaya niteliklerini örneklemekte yani ölçümlerinde bu özellikleri yansıtmaktadır [Ersoy, 1998].

47 Delinebilirliğin Değerlendirilmesi 37 Aşındırıcılık Kayaların aşındırıcılığı, delme faaliyetlerinde önemli bir rol oynamaktadır. Kayanın aşındırıcılık özelliklerinin artması genel olarak, delme hızını düşürmekte ve buna bağlı olarak maliyetleri de olumsuz yönde etkilemektedir. Bu nedenle, son yıllarda kayaların aşındırıcılıklarının önceden belirlenmesine yönelik çalışmalar hız kazanmıştır. Bu çalışmaların genellikle kuvars miktarı, kuvars tane çapı, çimentolanma maddesinin sağlamlığı, aşındırıcı minerallerin geometrisi ve kayanın mekanik dayanımı üzerinde yoğunlaştırmış oldukları dikkati çekmektedir. Kayaların aşındırıcılığının ölçümü için ileri sürülen yöntemler Petrolojik Yöntemler ve Mekanik Yöntemler olmak üzere ikiye ayrılır [West, 1981]. Petrolojik yöntemler Petrolojik yöntemler, kayanın mineralojik bileşiminin sayısal tahminine ve kayanın içerdiği minerallerin sertliklerinin bilinen değerleri ile bunun kombine edilmesine bağlıdır. Kaya sertliğini belirlemede Mohs Sertlik Skalası ve Rosiwall Sertlik Skalası olmak üzere 2 tür yöntem kullanılmaktadır. Her iki yöntemde de mineralojik bileşim, kayanın bir örneğinin ince kesitlerinin petrolojik incelenmesiyle veya kaya 0.1 mm den daha küçük taneler içerirse X- ışınları difraksiyonu analizi ile belirlenmektedir. Her mineralin kaya içerisindeki oranı ile o mineralin sertliği çarpılmakta ve tüm kaya için sayısal bir değer vermek için bulunan değerler toplanmaktadır. Ortalama Sertlik olarak tanımlanan bu değer, kayanın aşındırıcılığının bir ölçüsü olarak kullanılmaktadır. Mohs sertlik skalasını kullanan yöntem Bu yöntemde, kayaların ortalama sertliğini belirleyebilmek için öncelikle kaya içerisindeki minerallerin hacimce yüzdeleri bulunmaktadır. Daha sonra kaya içerisindeki her mineralin Mohs sertlik skalasına göre sahip oldukları sertlik değeri ile hacimce oranları çarpıldıktan sonra bulunan değerler toplanmakta ve elde edilen sonuç kayanın ortalama sertliğini vermektedir. Mohs skalasını kullanan petrolojik yöntemin bazı örnekleri Çizelge 4.8 de verilmiştir. Çizelgede görülen kayaların aşındırıcılıklarına göre azalan bir sıra ile kumtaşı, granit, çamurtaşı ve kireçtaşı şeklinde sıralanmaktadırlar. Mohs sertlik skalasını kullanan yöntemin bir dezavantajı, sertlik numaralarını bildiğimiz şekilde sıralamanın yerine, miktarsal ölçümler şeklinde ele almasıdır. Mohs sertlik skalası; daha sert mineralin daha yumuşak olanı çizme yeteneğine dayalı bir sertlik skalasıdır. Bu skalanın kayalara değil sadece minerallere uygulanabilmesi önemli bir dezavantajdır [West, 1981].