KOLLU GALERİ AÇMA MAKİNELERİNİN SEÇİM KRİTERLERİ VE ZONGULDAK HAVZASINA UYGULANMASI MAD 618 MADENCİLİKTE ÖZEL KONULAR-II DERSİ ÖDEVİ

Transkript

1 İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ KOLLU GALERİ AÇMA MAKİNELERİNİN SEÇİM KRİTERLERİ VE ZONGULDAK HAVZASINA UYGULANMASI MAD 618 MADENCİLİKTE ÖZEL KONULAR-II DERSİ ÖDEVİ Cihan ERSOY ( ) Maden Mühendisliği Anabilim Dalı Maden Mühendisliği Programı Danışman: Doç. Dr. Cemal BALCI Anabilim Dalı : Herhangi Mühendislik, Bilim Programı : Herhangi Program NİSAN 2012

2

3 iii İÇİNDEKİLER Sayfa İÇİNDEKİLER...iii KISALTMALAR... iv ÇİZELGE LİSTESİ... vi ŞEKİL LİSTESİ...viii ÖZET... x SUMMARY... xi 1. GİRİŞ Projenin Amacı KOLLU TİP GALERİ AÇMA MAKİNELERİ Tarihçesi Kollu Tip Galeri Açma Makinelerinin Yapısı ve Özellikleri Kesici Kafa Kesici Kol Yükleme Ünitesi Aktarma Ünitesi Yürüme Ünitesi Kollu Tip Galeri Açma Makinelerinin Sınıflandırması KOLLU GALERİ AÇMA MAKİNELERİNİN SEÇİM KRİTERLERİ Kazı yapılacak kayaca ilişkin parametreler Makineye ait parametreler Makine özelliklerinden bağımsız parametreler İşletme maliyeti KGAM NİN ZONGULDAK HAVZASINA UYGULANMASI SONUÇLAR... 9 KAYNAKLAR... 10

4 iv KISALTMALAR CAI KGAM MPa UCS : Cerchar Abrasivity Index : Kollu Galeri Açma Makinesi : Megapascal : Uniaxial Compressive Strength

5 v

6 vi ÇİZELGE LİSTESİ Sayfa Çizelge 2.1 : Sınıflandırmada kullanılan bazlar Çizelge 2.2 : Tucker (1985) sınıflandırması... 4 Çizelge 4.1 : Küçük ölçekli kesme deney sonuçları (ODTÜ, 1989)... 7

7 vii

8 viii ŞEKİL LİSTESİ Sayfa Şekil 2.1 : Makine Ana Bileşenleri... 3

9 ix

10 x KOLLU GALERİ AÇMA MAKİNELERİNİN SEÇİM KRİTERLERİ VE ZONGULDAK HAVZASINA UYGULANMASI ÖZET Bu çalışmada son yıllarda artan teknolojik gelişmeler ve de madencilik ile tünelcilik sektöründe hakim olan ekonomik, hızlı ve verimli çalışma arzusunun kullanımını yaygınlaştırdığı kollu galeri açma makinelerinin seçim kriterlerinden bahsedilmektedir. Buna ek olarak, bu makinelerin Türkiye nin birincil kömür bölgesi olan Zonguldak Havzası nda kullanılabilirliklerinin araştırıldığı birtakım çalışmalardan bahsedilmektedir.

11 xi SELECTION CRITERIA OF BOOM TYPE ROADHEADERS AND APPLICATION TO ZONGULDAK BASIN SUMMARY In this study, selection criteria of boom type roadheaders of which usage has been increasing with recent developments in both mining and tunneling industries as well as the increasing desire for economic, fast enough and efficient working in tunneling and mining. In addition to this, it s also been discussed about the usability of this machines to the principal coal basin of Turkey: Zonguldak Basin.

12

13 1. GİRİŞ Son yıllarda ivmelenen teknolojik gelişmeler ve tünelcilik faaliyetlerini daha hızlı ve daha az masraflı yapma arzusu neticesinde kollu galeri açma makineleri (KGAM) günümüzde tünel açma işlerinde ve madencilikte yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. Değişik sertlik değerlerine sahip formasyonlarda kullanılabilir olmaları, hızlı ve yüksek verimde çalışma imkanı sunmaları, bu makinelerin tercih edilme nedenlerinin başında gelmektedir. Çeşitli firmalar tarafından değişik şartlarda kullanılmak üzere üretilen kollu galeri açma makineleri seçilirken çeşitli kriterler göz önünde bulundurulmaktadır. 1.1 Projenin Amacı Bu projede, kısmi kazı yapan KGAM seçiminde ne çeşit kriterlerin göz önünde tutulması gerektiğinden bahsedilmektedir.

14 2. KOLLU TİP GALERİ AÇMA MAKİNELERİ 2.1 Tarihçesi 1950 yıllarında Macaristan kömür madenlerinde kullanılmış olan F2 makinesi bilinen ilk galeri açma makinesidir. Bu makine ile basınç dayanımları 40 MPa a kadar olan kömür ve yumuşak kayaçlar kesilebilmekteydi. F2 tip galeri açma makinesinde bir çift kesici kafa 37,3 kw lık bir elektrik motoruyla kol ekseni dönme ekseni dik olacak şekilde çalışmaktaydı (Hekimoğlu ve Fowell, 1988). Daha sonra 1960 lı yıllarda kol ekseni dönme eksenine paralel çalışan PK3 tipi makineler Sovyetler Birliği nde yapıldı. Bu ilk makinelerde yürüyüş ünitesi paletli tipte idi (Hekimoğlu ve Fowell, 1988). İlk galeri açma makineleri hafif tipte olup ilerleyen teknoloji ve artan ihtiyaçlara bağlı olarak ağır ve güçlü makineler geliştirilmiştir. Günümüzde galeri açma makinelerinin ağırlıkları 120 tonu ve kesici kafa motor gücü 300 kw ı geçebilmektedir (Hekimoğlu ve Fowell, 1988). 2.2 Kollu Tip Galeri Açma Makinelerinin Yapısı ve Özellikleri Kollu tip galeri açma makinelerinin ana bileşenleri olarak kesici kafa, kol, yükleme ünitesi, aktarma ünitesi ve yürüme ünitesi sıralanabilir (Şekil 2.1).

15 Şekil 2.1 : Makine Ana Bileşenleri. Kazı işlemi kol vasıtası ile hareket ettirilen kesici kafa ile gerçekleştirilir. Kesici kafanın kazmış olduğu malzeme yükleme ünitesi üzerine dökülerek makinenin içinden geçen zincirli konveyör ile aktarma ünitesine aktarılır ve buradan makine arkasında kurulmuş olan ve makine ilerlemesi ile birlikte ilerletilen nakliyat ünitesine taşınır. Makine hareketi genellikle paletli sistemler ile sağlanır Kesici Kafa Makineye gelen kuvvetlerin büyüklüğü ve yönü, kesici kafanın makine üzerindeki konumu ve tasarımına bağlıdır. Kesici kafalar; kol eksenine paralel bir dönme ekseni olan tek kafalılar ve kol eksenine dik bir dönme ekseni olan çift kafalılar olarak ikiye ayrılırlar (Hekimoğlu ve Fowell, 1988). Çalışılan formasyonun özelliklerine bağlı olarak kesici kafaların üzerine uygun nitelikte kesici uçlar yerleştirilir (Bilim, 2007) Kesici Kol Kollu galeri açma makineleri sabit kollu ve teleskopik kollu olmak üzere kol tipine göre ikiye ayrılırlar. Teleskopik kola sahip makineler hareket kabiliyetleri vasıtasıyla çalışma esnekliği sağlayabilmelerinden dolayı sabit kollu makinelere göre avantajlıdır.

16 2.2.3 Yükleme Ünitesi Makinenin, yapılan kazı işinin verimini önemli ölçüde etkileyen ünitesidir. Yükleme ünitesi tabla ve üzerine monte edilmiş toplayıcıdan (zincirli paletler, yıldız çarklar veya yengeç kollar) oluşur (Hekimoğlu ve Fowell, 1988) Aktarma Ünitesi Aktarma ünitesi makinenin arka kısmında bulunan, genellikle zincirli konveyörden oluşan ve yükleme ünitesi vasıtasıyla aktarılan kazılmış malzemeyi galerideki ana nakliyat ünitesine aktaran parçadır Yürüme Ünitesi Günümüzde en yaygın kullanılan yürüme ünitesi paletli sistemlerdir. Arına doğru kesme hareketi gerçekleştiren ve yüksek kesme kuvvetlerine maruz kalan ünite olduğu için en fazla bakım, onarım işi gerektiren ünitedir. 2.3 Kollu Tip Galeri Açma Makinelerinin Sınıflandırması Kollu tip galeri açma makineleri çeşitli bazlarda sınıflandırılmaktadır (Çizelge 2.1). Bunlar; tarihsel olarak ortaya çıkış zamanlarına göre, ağırlıklarına göre ve kayaç kesebilirlik derecelerine göre olmak üzere üç bazda olmaktadır (Bölükbaşı, 1986). Çizelge 2.1 : Sınıflandırmada kullanılan bazlar. Tarihsel Ağırlık 1. Nesil 0 2. Nesil I. Sınıf 3. Nesil II. Sınıf 4. Nesil III. Sınıf IV. Sınıf Tucker (1985) ın kollu galeri açma makinelerini ağırlıklarına göre sınıflandırması şu şekildedir: Çizelge 2.2 : Tucker (1985) sınıflandırması. Sınıf Ağırlık Kesme Kapasiteleri Hafif <30 ton <70 MPa Orta ton <100 MPa Ağır >45 ton <120 MPa

17 3. KOLLU GALERİ AÇMA MAKİNELERİNİN SEÇİM KRİTERLERİ 3.1 Kazı yapılacak kayaca ilişkin parametreler KGAM seçilirken göz önüne alınması gereken en önemli kriterlerden birisi hiç şüphesi kazısı yapılacak kayacın özellikleridir. Kayaca ait mekanik özellikler, temel olarak tek eksenli basma (UCS) ve çekme dayanımla rı kayacın kesilebilirliklerine dolayısıyla da makinenin performansına ilişkin fikir verebilmekte olup tek başına yeterli bir kriter olmadığı da bilinmektedir ( Fowell ve Pycroft, 1980). Kesilebilirlik konusu ile ilgili olarak en etkin parametre kayacın özgül enerjisinin hesaba katıldığı yöntemlerdir. Kesme deneyleri vasıtasıyla kayacın özgül enerjisi belirlenip bu bilgi yerinde yapılan çalışmalar ile desteklenerek kayaç için bir kesilebilirlik sınıflandırılması oluşturulur. Buradan yola çıkarak en uygun kollu galeri açma makinesi seçilmesinin yanısıra kesici uçlarla ilgili sarfiyat tahminleri de yapılmaktadır (McFeat-Smith and Fowell, 1979). Kesilebilirliklerin yanısıra kayacın aşındırıcılık değeri makine seçimine etki eden önemli faktörlerdendir. Kayaç içerisindeki kuvars miktarı aşındırıcılık değerini (CAI) belirleyen en önemli faktörlerden biridir. 3.2 Makineye ait parametreler Kollu galeri açma makinelerinin seçiminde göz önüne alınması gereken kriterlerden birisi de makineye ait karakteristik niteliklerdir. Başta makinenin kesici kafa gücü olmak üzere toplam kurulu güç ve makine ağırlığı makinenin sınıflandırmasında önemlidir (Hekimoğlu ve Fowell, 1988). Kesici kafa tasarımının da makine ile kayaç arasındaki geçiş zonunu oluşturması nedeniyle önemli olduğu ve geçmiş yıllarda İngiliz Kömür Kurumu nca imalatçı firmalardan bu konuda tasarım çalışmaları yapılmasını istediği bilinmektedir (Holt vd., 1984). Günümüzde tedarikçi firmalar proje bazında, çalışılan kayacın özelliklerine göre kesici kafa tasarımı yapmaktadır.

18 Geçmiş yıllarda TKİ ve OHAL Müesseselerinde kullanılan kollu galeri açma makinelerinin performans geliştirme çalışmaları kapsamında değiştirilen kesici kafa tasarımlarının %70 e varan oranlarda kesici uç sarfiyatında iyileşltirme gerçekleştirdiği bilinmektedir (Hekimoğlu, 1985). 3.3 Makine özelliklerinden bağımsız parametreler Seçilen kollu galeri açma makinesiyle yapılan kazının verimli olması için makine özelliklerine bağlı olmayan birtakım parametreler de mevcuttur. Örneğin, çalışılacak kazı kesiti bunlardan biridir. Kazı yapılacak galeri kesiti havalandırmayı, nakliyatı, ekipman ve malzemenin taşınmasını etkilemektedir. Bu da kazı veriminin değişmesine neden olabilmektedir. Bu parametrelerin değiştirilememesi durumunda ise KGAM nin boyutlarında veya modelinde değişikliğe gitme durumu ortaya çıkmaktadır. 3.4 İşletme maliyeti Bir kollu galeri açma makinesi seçimi yapılırken bu makine ile gerçekleştirilecek kazının işletme maliyetlerine olan etkisi de göz önünde bulundurulmalıdır. Galeri açma makinesinin işletme maliyetlerine olan en büyük etkisi kesici uç sarfiyatından oluşmaktadır. Buna ek olarak çalışma sırasında oluşan titreşimlerden vb. nedenlerden ötürü hidrolik sistemlerde, hortum, piston ve bağlantı elemanlarında ve ayrıca yükleme ünitesinde meydana gelen aşınmalar nedeniyle de parça değişimleri gerçekleşmektedir. Bu da işletme maliyetine dolayısıyla ekonomik bir makine seçimine etki eden parametrelerden birisidir.

19 4. KGAM NİN ZONGULDAK HAVZASINA UYGULANMASI Gelişen kazı teknolojiyle birlikte Türkiye de de bu yönde çeşitli adımlar atılmıştır. Türkiye nin birincil kömür bölgesi olan Zonguldak havzasında kollu tip galeri açma makinesi kullanımıyla ilgili çeşitli çalışmalar yapılmıştır. Gerek işletme maliyetleri gerekse açılması gereken kilometrelerce galerinin zamanında bitirilememesi sorunu Zonguldak havzasında kollu tip galeri açma makinelerinin kullanılmasını gündeme getirmiştir. Yapılan çeşitli çalışmalar ışığında havzadaki kayaçlarda sınırlı da olsa bu makinelerin verimli bir şekilde hızlı ve ekonomil olarak kullanılabileceği ortaya konmuştur (Akçın vd., 2005) yılında havza kayaç ve kömürlerinde yapılan en kapsamlı çalışmalardan bir tanesi ODTÜ ve Hacettepe Üniversitesi tarafından yapılmıştır 89). Bu çalışmalarda alınan kayaç ve kömür numunelerine küçük ölçekli kesme deneyleri yapılmış olup kesme özgül enerjileri belirlenerek tahmini kazı hızları verilmiştir (Çizelge 4.1). Çizelge 4.1: Küçük ölçekli kesme deney sonuçları (ODTÜ, 1989). Tahmini Net Kesme Kayaç Türü UCS BTS Ort. SE Miktarı (mvh) * (MPa) (MPa) (MJ/m 1 ) Orta A. Ağır GAM GAM Orta taneli kumtaşı 87,0 14,43 17,55 * 6 İnce taneli kumtaşı 100,45 13,70 20,29 * ** Silttaşı 64,0 14,52 15,49 3 9*** *Orta A. GAM ile kesilemez **Ağır GAM ile kesilemez ***Kazı hızı; tahkimat duzeni ve nakliyat hızına bağlı olarak artabilir Bu sonuçlar ışığında havzada orta ağır ve ağır makinelerle bile zor çalışılabileceği sonucuna ulaşılmıştır. Arı (1990) ve Avcı (2001) tarafından yapılan çalışmalarda ise kayaçların aşındırıcılık değerleri göz önüne alınmıştır. Arı nın yaptığı çalışmada Schimazek aşınma indeksine göre bu havzada KGAM ile çalışmaların sınırlı olacağı sonucuna ulaşılmıştır. Avcı nın çalışmasında ise CERCHAR aşınma indeksi göz

20 önünde bulundurularak kesici uç tüketiminin 0,38-0,73 adet/m 3 arasında değişeceği belirtilmiştir ki bu durum ekonomik perspektifte değerlendirilmelidir. Kayaçlarm mekanik özellikleri ve kuvars miktarlarına bağlı olarak elde edilen aşınma indeksi ile üç değişik GAM için (tünel açma makinası, orta ağır ve hafif tip GAM) ilerleme hızlarının ve keski tüketimlerinin tahmin edildiği çalışmada ise 5-11 m/gün ilerleme hızlarına ulaşılabileceği ancak havza kayaçlarının aşınma indeksleri de göz önüne alınarak keski tüketiminin bu makinelerin kullanılabilirliğinde sınırlayıcı olabileceği belirtilmiştir (Eskikaya vd., 2000). Öte yandan, hem Bilgin (1982) tarafından yapılan çalışma hem de Bilgin ve Shahriar (1988) tarafınca yapılan çalışmalarda konglomera ve kumtaşından oluşan kömür yantaşlarında galeri açma makinelerinin kullanılamayacağı yönünde sonuçlara ulaşılmıştır.

21 5. SONUÇLAR a) Maden ve tünel açma işlerinde açılması gereken galeri uzunluklarının çok olması, ekonomik, hızlı, verimli çalışma arzusu ve de hızla gelişen teknolojik avantajlar ile birlikte kollu galeri açma makinelerinin kullanılmaları yaygınlaşmıştır. Bu bağlamda, hedeflenen iş için doğru makinenin seçilmesi önemli bir husustur. Kazı yapılacak kayacın fiziksel ve mekanik özelliklerinin yanı sıra seçilecek makine özellikleri ile doğrudan bağlı olan ve olmayan parametreler de göz önünde bulundurularak optimum bir seçim yapılmalıdır. Bunlara ek olarak, yapılan seçimin uygulamasında oluşacak işletme maliyetlerinin de göze alınabilecek boyutlarda ve ekonomik sınırlar içerisinde olması gerekliliği göz ardı edilmemelidir. b) Zonguldak havzasında daha verimli hazırlık çalışmaları yapılması ve bu kapsamda galeri açma makinelerinin kullanılması konusu günümüze kadar bölge madencileri tarafından irdelenegelmiştir. Yapılan bazı çalışmalar ışığında galeri açma makinelerinin bu havzaya uygulanması belirli şartlar altında mümkün olarak görülmekte, fakat bazı çalışmalarda ise havzada bu sistemde bir mekanizasyon uygulamasının ekonomik ve verimli bir sonuç vermeyeceği yönündedir. Türkiye nin ana kömür havzasında kollu tip galeri açma makinelerinin kullanılmasından önce yapılması gereken, üniversite ve sektörün birlikte çalışarak geniş kapsamlı bir laboratuvar ve saha çalışması yapılması ve bu çalışmaların sonuçları doğrultusunda ekonomiklik ve verimlilik açısından tüm kriterler değerlendirilerek en uygun makinenin seçiminin yapılmasıdır.

22 KAYNAKLAR Akçın, N.A., Bilgin, N. ve Kel, K., (2005). Zonguldak Havzası'nda Galeri Açma Makinası Kullanımının Araştırılması, Türkiye 19. Uluslararası Madencilik Kongresi ve Fuarı, Izmir. Türkiye, Haziran Arı. H., (1990). TTK Asma tşteımesi Kömür Çevre Kayaçlarının Kazılabilirliğiniıı İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, HÜ Fen Bilimleri Enstitüsü. Zonguldak. sy.85 Avcı, F., (2001). TTK Asma-Dilaver işletmesi Kömür Çevre Kayaçlarının Asındtrıalık Özelliklerinin Belirlenmesi, Yüksek Lisans Tezi. ZKÜ Fen Bilimleri Enstitüsü. Zonguldak. sy. 100 Bilgin, N., (1982). Zonguldak Kömür Havzasında Burgu Davranışlarının Etüdü, TÜBİTAK MAG-5848 nolu proje, sy.67 Bilgin, N., ve Shahriar, K., (1988). Madenlerde Mekanize Kazı İçin Bir Ölçme Sisteminin Geliştirilmesi ve Amasra Karbonifer Havzasına Uygulanışı, Türkiye 6. Kömür Kongresi Bilim, N., (2007). Çayırhan Yeraltı Kömür Ocağında Kazı Makinalarının Performanslarının Araştırılması Ve Kayaç Özellikleri İle İlişkilendirilmesi. Doktora Çalışması. Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ekim Bölükbaşı, N., (1986). Yeraltı kömür ve ayak kazı mekanizasyonu, TKİ Genel Müdürlüğü Seminerleri no.4, Mining Eng. Dept., ODTÜ, Ankara, Ağustos Eskikaya. Ş.. Acaroglu. Ö. & Bilgin. N. (2000). Study of selecting most economical drivage method for Zonguldak hard coal mining area, Pruc. of the World Tunnel Congress-Tunnels Under Pressure. South African Institute of Mining and Metallurhy, sy Fowell, R.J. ve Pycroft, A.S., (1980). Rock Machineability Studios for the Assesment of Selective Tunnelling Machine Performance. 21 st. National Rock Mach. Sympossium, U.S.A., Miss., sy Hekimoğlu, O.Z., (1985). OAL de Çalışan Dosco Mk2A GAM ına Ait Yedek parça Durumu ve Bunun Dosco Mk2B ile Olan İlişkisi Üzerine Rapor. TKİ OAL Müessesesi, Nisan Hekimoğlu, O.Z., (1985). OAL da Çalışan Pk9r GAM nin Kesici Kafa Dizaynlarının Değiştirilmesi Üzerine Rapor. TKİ OAL Müessesesi, Ağustos Hekimoğlu, O.Z., (1984). Studies in the Excavation of Selected Rock Materials with Mechanical Tools. Doktora Çalışması, Univ. of Newcastle Upon Tyne, England, Mayıs

23 Hekimoğlu, O.Z., Fowell, R.J. (1988). Bomlu kazı makinalarının temel özellikleri ve seçimleri. 6. Kömür Kongresi, Zonguldak, sy Holt, P.B, Morris, C.J. ve Owen, R.J., (1984). Desk Top Computers for Design Work. The Mining Engineer, Nisan, sy McFeat-Smith, I. ve Fowell, R.J., (1977). Correlation of Rock Proporties with the Cutting Performance of Tunnelling Machines. Proc. Conf. Rock Engineering, Univ. of Newcastle Upon Tyne, sy McFeat-Smith, I. ve Fowell, R.J., (1979). The Selection and Application of Roadheaders for Rock Tunnelling. Rapid Excavation and Tunnelling Conf., Atlanta, Georgia ODTÜ. (1989). TTK Gelik İsletmesi Kömür ve Kayaçlannın Kaya Mekaniği ve Dizayn Parametrelerinin Çıkarılmasının Araştırılması, Final Raporu, Proje Kod No: I-05 ODTÜ ve HÜZMF Maden Mühendisliği Bölümleri. sy.98