Ü. Özer & A. Dağ Çukurova Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Maden Mühendisliği Bölümü Balcalı Adana

Transkript

1 KAYAMEK 4-VII. Bölgesel Kaya Mekaniği Sempozyumu / ROCKMEC 4-VIIth Regional Rock Mechanics Symposium, 4, Sivas, Türkiye Petrol boru hattı yakınında patlatmadan kaynaklanan titreşim ölçümlerinin değerlendirilmesi Evaluation of vibration measurement caused by blasting nearby a petroleum pipeline Ü. Özer & A. Dağ Çukurova Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Maden Mühendisliği Bölümü Balcalı Adana ÖZET: Bu çalışmada, petrol boru hattı yakınından geçen otoyol inşaatının bir bölümünde başarılı bir patlatma tekniği için patlatma tasarımı ve saha parametreleri detaylı olarak çalışılmıştır. Patlatma parametreleri, maksimum tanecik hızı (ppv) 5 mm/s yi geçmeyecek şekilde dizayn edilmiştir. 3 patlatma için titreşim bileşenleri ve ölçekli mesafeler detaylı olarak kaydedilmiş ve sahaya ait sarsıntı iletim (K) ve sönümleme katsayıları (β) sırasıyla 53 ve.47 değerleri ile r =.866 gibi güçlü bir korelasyonla belirlenmiştir. Elde edilen parametreler, beş adet deneme atımı ile test edilmiş, hesaplanan ve ölçülen değerler arasında r =.987 gibi güçlü korelasyon olduğu görülmüştür. Sonuçlar, patlatma kaynaklı titreşimlerin kabul edilebilir limitler içerisinde olduğunu göstermiş ve boru hattında patlatma kaynaklı bir hasarın olmadığına karar verilmiştir. ABSTRACT: In this paper, in order to achieve an effective blasting technique for cut-slopes of a part of Motorway, on a site close to a segment of the petroleum pipeline, blasting design and ground parameters were studied in detail. Blasting parameters were designed to being lower than 5 mm/sec peak particle velocity (ppv) value. Ground-vibrations components were measured for 3 blast events and scaled distance were recorded in detail. Ground transmission (K) and specific geological (β) constants based on site specific ground parameters were determined as 53 and.47 respectively with strong correlation (r =.866). Five trial shots have been performed to verify aforementioned parameters and strong correlation (r =.987) was also obtained between the established site specific parameters and ppv. The results showed that the ppv values were in accepted limits hence, blasting operations have been carried out without any damage to the pipeline. GİRİŞ Madencilik, baraj, otoyol ve tünel inşaatları sırasında patlatma sonucu oluşan temel rahatsızlıklar, titreşim, hava şoku ve kaya fırlamasıdır. Bütün bu problemler, yakın çevredeki yapılar ve endüstriyel tesisler üzerinde bazı hasarlara neden olabilirler (Kahriman ). Patlatma kaynaklı titreşimleri minimize etmek için uzun yıllardır kabul edilebilir yaklaşımlar üretmek için çalışmalar yapılmaktadır. Patlatma noktasına olan uzaklık ve gecikme başına kullanılan patlayıcı miktarının yer titreşimini etkilediği bilinmektedir. Parçalanma prensibine göre, yakın çevredeki malzeme tamamen kırılır ve yer değiştirir, genel olarak küçük bir plastik deformasyon ve kırılma bölgesi vardır. Kalan enerji yer içerisinde elastik bir dalga gibi yayılır. Eğer şarj yüzeye yakın ise, hava içerisinde de yayılma söz konusudur. Kısa alanda, bir dalga küresel olarak yayılır ve patlama noktasından uzaklaştıkça genliği düşer. Geniş alanda, yayılma prosesini diğer iki faktör etkiler: () dalga üç tür dalgaya ayrılır, bunlar farklı hızlarda hareket eder; () ortam içerisindeki tabakalar gibi değişimler, daha uzaklara dağılma ve yayılmada etkilidirler (Kahriman ). Yapılar yanındaki kontrollü patlatmalarda, yer titreşimleri, uygun dizayn edilmiş delik düzeni, gecikme düzeni ve kabul edilebilir gecikme başına şarj miktarı, oluşacak hasarları önleme bakımından önemlidir. Bu çalışmanın temel amacı, petrol boru hattının bir bölümü yakınında yapılan ve patlatmanın kaçınılmaz olduğu bir kazı çalışması sırasında boru hattına hasar vermeyecek patlatma tasarımı yapmak ve patlatma sonucu titreşim ölçümlerinin değerlendirilmesidir. Bu amaçla yapılan çalışmada sahaya ait sarsıntı iletim K ve sönümleme β katsayıları güçlü bir korelasyonla belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar ppv değerlerinin kabul edilebilir limitler içerisinde olduğunu göstermiş ve

2 boru hattında patlatma kaynaklı bir hasarın olmayacağı gözlenmiştir. geçiyor olması kontrollü patlatma çalışması yapılmasını zorunlu kılmıştır (Şek. ). ÇALIŞMA ALANININ TANITIMI Çalışma alanı Adana iline 8 km mesafedeki Yumurtalık ilçesi yakınlarındadır (Şek.). Çalışmanın yapıldığı bölgede, kaya, 37. kg/cm² lik tek eksenli basınç dayanımı ve 45.7 lik Schmidt çekici değerine sahip bazalt formasyondan oluşmaktadır. Kazı çalışmasının başlangıcında, kazı sistemi olarak hidrolik kırıcı seçilmesine karşın, formasyonun yapısından kaynaklanan kazı zorluğu ve aşırı derecede makine yıpranmalarından dolayı kazı hızı oldukça yavaş ve maliyet oldukça yüksek oluşmuştur. Bu nedenle sorunlu olan bu bölgenin patlatma ile geçilmesine karar verilmiştir. Ancak, bu bölgenin yanından, kazı sahasından daha düşük kotta bulunan Kerkük-Yumurtalık petrol boru hattının Aegean Sea Mediterranean Sea MERSİN Black Sea ANKARA TURKEY ADANA Mediterranean Sea ADANA Yumurtalık Ceyhan Şekil Çalışma alanı yer gösterme haritası OSMANİYE İskenderun HATAY Study area SYRIA Elevation (m) Kot 85 7 Kazı alanı Excavation area Otoyol aksı Motorway axis Surface BoruPipe Hattı line Horizontal Distance (m) Yatay mesafe Topoğrafya Şekil Çalışma alanından bir kesit 3 PATLATMA PARAMETRELERİ Patlatma yapılmasına karar verilen bölgede, boru hattının bulunması nedeni ile patlatmanın amacının, kayayı tamamen kırmak yerine, kayayı olduğu yerde yalnızca gevşetmek olması gerektiği düşünülmüştür. Bu amaçla, patlatma çalışmasında patlayıcı olarak ANFO, yemleyici olarak jelatin dinamit ve gecikmeli kapsül kullanılması kararlaştırılmıştır. Diğer patlatma parametreleri ise aşağıdaki gibi belirlenmiştir, i) Dilim kalınlığı :.5 m ii) Delikler arası mesafe :.5 m iii) Delik çapı : 76 mm iv) Delik boyu : m v) Delik eğimi : Düşey vi) Gecikme aralığı : 7 ms 4 ÇALIŞMA PROSEDÜRÜ Boru hattının hasar görmemesi için boru hattı, tarihi bir yapı gibi düşünülmüş ve Çizelge de tanımlandığı gibi kabul edilebilecek maksimum tanecik hızı 5 mm/s olarak kabul edilmiştir. Bu durum Şekil 3 de Nobel s Explosives Company Limited (ICI) tarafından gecikme başına patlayıcı miktarı ve tanecik hızı ilişkisi şeklinde tanımlanmıştır. Teorik patlatma dizaynı 5 mm/s tanecik hızının geçilmeyeceği şekilde yapılmış ve deneme atımları ile test edilmiştir. Elde edilen bulgular, tanecik hızının kabul edilen limiti geçmediğini göstermiş ve patlatma çalışmasına geçilmiştir. 3 adet patlatma gözlenmiş ve titreşim ölçümleri Instantel MiniMate Plus model titreşim ölçer ile yapılmıştır.

3 Çizelge Maksimum parçacık hızı ve yapılarda hasar limiti (Langefors & Kihlström 973) (Paşamehmetoğlu ve diğ 995 den alınmıştır) ppv Hasar (Maksimum parçacık hızı) (mm/s) 5 Hasar alt sınırı, görünür hasar yok, hatta eski binalarda bile %5 den az 7 Hafif hasar, sıva çatlağı, ciddi şikayetlerin başlangıcı 35 Tahkimatsız galerilerde göçük 635 Kayada kırılma başlangıcı 54 Kayanın kırılması m (ft) 3 Tanecik hızının 5 mm/sn den büyük olamayacağı bölge No particle velocity greater than 5. mm/sec ( in/sec) Diğer yandan çoğu yaklaşımın önerdiği maksimum tanecik hızı () numaralı denklem ile bulunmuştur. β ppv = K SD () Burada, K sahaya ait sarsıntı iletim, β ise sönümleme katsayılarıdır. Elde edilen no lu eşitliğin güvenilirliğini saptamak için elde edilen korelasyonun.7 den az olmaması gerekmektedir. Eğer.7 den az ise verilerle ilgili bazı sorunlar veya çelişkiler var demektir. Bu durumda çalışmanın veya verilerin yeniden gözden geçirilmesi veya ilave çalışmaların yapılması gerekmektedir (Kahriman ). Bununla birlikte enine (V T ), boyuna (V L ) ve düşey (V V ) dalga hızları kullanılarak bileşke hız, 3 numaralı eşitlik ile belirlenmiştir. V = V + V + V (3) R T L V Mesafe DISTANCE Increasing probability of particle velocity in excess of 5. mm/sec ( in/sec) (lb) 5 5 kg Gecikme CHARGE Başına PER Patlayıcı DELAY Miktarı Şekil 3 Mesafe ve gecikme başına şarj miktarı ilişkisi (ICI) Patlatma kaynaklı yer titreşiminin belirlenmesi için bir çok değerli araştırmacılar ampirik ilişkiler önermişlerdir (Dowding 985; Adhikari ve diğ. 989; Roy 989; Singh & Roy 993; Hao ve diğ. 998; Rustan 998; Wu ve diğ. 998; Kim & Lee ; Liang ve diğ. ; Triphaty & Gupta ; Korichi & Bensaker 3; Dhakal & Pan 3). Bu çalışmaların hepsi ölçekli mesafe ve tanecik hızı ilişkisini baz almışlardır. Bu noktadan hareketle, patlatma noktası ve ölçüm istasyonu arası uzaklıklar ölçülmüş ölçekli mesafe, gecikme başına şarj miktarının fonksiyonu olarak () numaralı denklem ile bulunmuştur. R SD = () W d Tanecik hızının 5 mm/sn yi aşma olasılığı olan bölge Burada, SD ölçekli mesafe, R ölçüm istasyonu ve patlatma noktası arasındaki uzaklık (m) ve W d gecikme başına şarj miktarını ifade etmektedir. 4. Ölçüm sonuçlarının değerlendirilmesi Patlatmadan kaynaklanan tanecik hızlarını ölçmek amacı ile boru hattı güzergahı üzerinde uygun noktalar, ölçüm istasyonu olarak seçilmiştir ve titreşim ölçer bu noktalara yerleştirilerek ölçüm yapılmıştır. 3 adet atım gözlenmiş ve bu patlatmalara ait veriler kaydedilmiştir. Elde edilen kayıt sonuçları, gecikme başına şarj miktarları, ölçüm noktasının uzaklığı, ölçekli mesafe değerleri Çizelge de sunulmuştur. Bileşke hız 3 no lu eşitliğe göre hesaplanmış ve maksimum tanecik hızı bileşeni belirlenmiştir. Kullanılabilir bir ilişki elde edebilmek amacı ile veri seti için enine, boyuna, düşey, maksimum ve bileşke hız değerlerinin ölçekli mesafe ile olan ilişkileri, regresyon analizi ile belirlenmiştir. Regresyon analizi, basit, logaritmik, üstel ilişki olarak irdelenmiştir. Bu irdeleme sonucunda 4 numaralı denklemin en güçlü korelasyonu verdiği görülmüştür..47 R ppv = 53, (r =.866) (4) W Bu korelasyonla ampirik olarak elde edilen K ve β saha sabitleri sırası ile 53 ve.47 dir. Bu bağıntı, enine tanecik hızı ölçüm değerleri ile elde edilen ve en iyi korelasyonu veren bağıntıdır. Her bir tanecik hızı bileşeninin ölçekli mesafe ile olan ilişkileri Şekil 4 de verilmiştir. Çizelge 3 ile de her bir bileşene ait olarak elde edilen saha sabitleri sunulmuştur.

4 Çizelge. Kaydedilen ve hesaplanan titreşim değerleri ve veriler Tanecik Hızı (mm/s) Atım No Enine Düşey Boyuna Bileşke Maksimum Maksimum hıza karşılık gelen frekanslar (Hz) Mesafe (m) Gecikme başına patlayıcı (kg) Ölçekli mesafe (m/kg.5 ) PVR = 87,9.SD -,76 r =,8593 PVM = 74,3.SD -,66 r =,844 Tanecik Hızı (PV) (mm/sn) PVT = 53.SD -,47 r =,866 enine (PVT) düşey (PVV) boyuna (PVL) bileşke (PVR) maksimum (PVM) Üs (düşey (PVV)) PVV = 33,3.SD -,3465 r =,664 Üs (enine (PVT)) Üs (maksimum (PVM)) PVL = 49.SD -,667 Üs (bileşke (PVR)) r =,7858 Üs (boyuna (PVL)) Ölçekli Mesafe (SD) ( m/kg.5 ) Şekil 4. Ölçekli mesafe ve tanecik hızı bileşenleri arasındaki ilişki

5 Çizelge 3 Bütün patlatmalar için ölçülen hız bileşenleri, saha sabitleri ve korelasyon değerleri Saha Tanecik Hızı (mm/s) sabiti Enine Düşey Boyuna Bileşke Maksimum K β r madde kullanımını sınırlandırmaktadır. Titreşim ölçümü yapılarak, sahaya ait parametrelerin belirlenmesi ve kontrollü patlatma yapılması, patlatma operasyonlarının başarısı açısından oldukça önemlidir. USBM RI857 and ve OSMRE İncelenen 3 adet atım için oluşturulan mesafe ve gecikme başına şarj miktarı ilişkisi de Şekil 5 de verilmiştir. Bu ilişki ICI tarafından tanımlanan 5 mm/sn tanecik hızı limitini ifade etmekte ve şekil üzerinde de görüldüğü gibi bu limitin ihlal edilmediği anlaşılmaktadır. Atımlara ait ölçülen frekanslar USBM ve OSMRE ye göre analiz edildiğinde standartlar içerisinde kaldığı görülmüştür (Şekil 6). Elde edilen (4) numaralı bağıntının geçerliliğini test etmek amacı ile beş adet ilave test atımı yapılmış, ölçüm ile bulunan değerler, 4 numaralı bağıntının kullanılması ile elde edilen değerlerle karşılaştırılmıştır (Çizelge 4). Ölçülen değerler ile hesap yoluyla tahmin edilen değerlerin birbirlerine çok yakın olduğu görülmüş ve bu saha için elde edilen 4 numaralı ilişkinin rahatlıkla kullanılabileceğine karar verilmiştir. Deneme atımlarından elde edilen ölçüm verileri ve 4 nolu denklemi kullanarak hesap yolu ile tahmin verileri, regresyon analizi ile karşılaştırılmış ve r=.987 gibi güçlü bir korelasyon verdiği görülmüştür (Şek. 7). Mesafe (m) Şekil 5 Mesafe ve gecikme başına şarj miktarı ilişkisi (ICI a göre) 5 SONUÇLAR Tanecik hızının 5 mm/sn den büyük olmayacağı bölge Tanecik hızının 5 mm/sn den büyük olma olasılığı olan bölge Gecikme Başına Şarj Miktarı (kg) Patlatma sonucu oluşan çevresel sorunlar, madencilik ve kazı çalışmaları sırasında patlayıcı Particle Parçacık Velo Hız city ı (m (m m m /sn)ı /sc)ı Frequency Frekans (Hz) Longitudinal Boyuna Transversal Enine Düşey Vertical Şekil 6 Atımlara ait frekans analizi Bu öneminden dolayı 3 yıldan fazla süredir konu üzerinde çalışmalar devam etmektedir. Genel olarak şunlar söylenebilir; eğer 45 m mesafeden daha yakın mesafelerde bina, yapı, endüstriyel tesisin bulunduğu ortamlarda patlatma yapılması kaçınılmaz ise bina veya yapının durumu da göz önüne alınarak, delik düzeni, gecikme aralığı, uygun gecikme başına şarj miktarlarının kullanılması ve kontrollü patlatma yapılması, titreşim sorunlarının minimize edilmesi bakımından çok önemlidir. Kabul edilebilir tanecik hızı limitinin belirlenmesi ve deneme atımı ile bu limitin geçilip geçilmediğinin kontrol edilmesi kaçınılmazdır. Bu çalışmadan elde edilen sonuçlar özetle şöyle sıralanabilir; () kabul edilen limitin üzerine çıkılmadığı ve boru hattında, yapılan tasarım ile, patlatma kaynaklı bir hasarın oluşmadığı görülmüştür; () r =.866 gibi en yüksek korelasyonla elde edilen saha sabitlerinin K=53 ve β =.47 olduğu görülmüştür; (3) deneme atımları ile elde edilen verilere göre tahmin edilen ve ölçülen değerler arasında r =.987 gibi yüksek bir korelasyon bulunduğu dolayısı ile elde edilen (4) numaralı eşitliğin geçerli olduğu anlaşılmıştır; (4) ölçekli mesafe ile düşey tanecik hızının diğer bileşenlerden daha düşük korelasyon verdiği, bunun sebebinin de boru hattının, patlatma çalışması yapılan bölgeden daha düşük kotta bulunmasından kaynaklanabileceği; (5) bu çalışmadan elde edilen bilgi ve bulguların bölgede daha sonra yapılabilecek olan patlatma çalışmalarında kullanılabileceği görülmüştür.

6 Çizelge 4 Hız bileşenlerinin ölçülen ve tahmin edilen değerleri Atım No Tanecik Hızı (mm/s) Ölçülen Tahmin Ölçekli uzaklık Enine Düşey Boyuna Bileşke Maksimum edilen (m/kg.5 ) Ölçülen enine tanecik hız (mm/sn) r =, Tahmin edilen tanecik hızı (mm/sn) Şekil 7 Tahmin edilen ve ölçülen tanecik hızı ilişkisi TEŞEKKÜR Yazarlar bu çalışmaya verdiği destekten dolayı Çukurova Üniversitesi Bilimsel Araştırma Fonuna (Proje No: MMFBAP5), kazı çalışmasını yürüten firmanın Proje Müdürü Abidin Akbulut ve teknik emniyet ve işçi sağlığı danışmanı Sabahattin Öztaş a vermiş oldukları olanaklardan dolayı teşekkür ederler. Soil Dynamics and Earthquake Engineering. No 9, 5-6. Korichi T. & Bensaker B. 3. Design of a model blasting system to measure peak p-wave stress. Soil Dynamics and Earthquake Engineering. (Article in press). Langefors U. & Kihlström A The Modern Technique of Rock Blasting. 45p. Liang S.M., Wang J.S. & Chen H.. Numerical study of spherical blast-wave propagation and reflection. Shock Waves. Vol, Paşamehmetoğlu A.G., Özgenoğlu A. & Karpuz C Kaya şev stabilitesi, TMMOB Maden Müh. Odası. 357s. Roy P.P Characteristics of ground vibrations and structural response to surface and underground blasting. Geotechnical and Geological Engineering. Vol 6, Rustan P.A Micro-sequential contour blasting how does it influence the surrounding rock mass? Engineering Geology. No 49, Singh B. & Pal Roy P Blasting in Ground Excavations and Mines. A.A. Balkema/Rotterdam. 77p. Tripaty G.R. & Gupta I.D.. Prediction of ground vibrations due to blasts in different types of rock. Rock Mechanics and Rock Engineering. No 35, Vol 3, Wu Y.K., Hao H., Zhou Y.X. & Chong K Propagation characteristics of blast-induced shock waves in a jointed rock mass. Soil Dynamics and Earthquake Engineering. No 7, KAYNAKLAR Adhikari G.R., Singh M.M. & Gupta R.N Influence of Rock Properties on Blast-Induced Vibration. Mining Science and Technology. Elsevier Science Publishers B.V. Amsterdam. Vol. 8, Dhakal R.P & Pan T.C. 3. Response characteristics of structures subjected to blasting-induced ground motion. Int. Journal of Impact Engineering. Vol Dowding C.H Blast vibration monitoring and control. Prentice Hall, Englewood Cliffs. Hao H., Wu C. & Zhou Y Numerical analysis of blastinduced stress waves in a rock mass with anisotropik continuum damage models Part: Equivalent material property approach. Rock Mechanics and Rock Engineering. Vol 35, No, ICI. Explosives - safety practice and storage. Nobel s Explosives Company Limited, p. Kahriman A.. Analysis of ground vibrations caused by bench blasting at Çan Open-pit Lignite Mine in Turkey. Environmental Geology. 4: Kim Dong-Soo, Lee Jin-Sun.. Propagation and attenuation characteristics of various ground vibrations.