KAYAMEK 2004-VII. Bölgesel Kaya Mekaniği Sempozyumu / ROCKMEC 2004-VIIth Regional Rock Mechanics Symposium, 2004, Sivas, Türkiye yükleme deney düzeneğinin oluşturulması ve denenmesi çalışmaları Establishment of plate loading test system and experimental studies A. Ceylanoğlu & Y. Gül Cumhuriyet Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Maden Mühendisliği Bölümü 58140 Sivas ÖZET: Bu çalışma kapsamında, öncelikle farklı kaya birimlerinin taşıma kapasitelerinin değişik koşullarda belirlenmesine yönelik kontrollü bir plaka yükleme deney düzeneği oluşturulması amaçlanmıştır. Daha sonra, bu deney düzeneğinin arazide denenmesi amacıyla Sivas-Ulaş sölestit açık ocağında iki değişik birimde (toprak+jips, jips) deneyler yapılmıştır. Arazi deney sonuçları değerlendirilmiş ve birimlerin taşıma kapasiteleri belirlenmiştir. ABSTRACT: Within the scope of this study, setting up of a controlled plate loading test system for the monitoring of the ground bearing capacities of various rock units at different conditions is initially aimed. Then plate loading experiments have been carried out in order to test the developed system on two different units (soil+gypsum, gypsum) at Sivas-Ulaş celestite open-pit mine. The results of field experiments are evaluated and the bearing capacities of two rock units are determined. 1 GİRİŞ Maden hammaddelerinin yenilenemeyen kaynaklar olduğu ve ülke ekonomisi üzerindeki önemli etkileri bilinmektedir. Bu nedenle, maden mühendisleri işletmelerde en az maliyetle en çok kazanımı sağlamak için çeşitli projeler ve değişik alternatifler geliştirmektedirler. Bu kapsamda, maden mühendisleri maden işletmelerindeki kazı-yükleme ve taşıma işlemleri için kazı ve nakliye araçlarının özelliklerini de dikkate alarak uygun kazı-yükleme alanları ve taşıma yolları tasarlamakta ve yapmaktadırlar. Gelişen teknolojiye paralel olarak madencilik sektörü de gelişim göstermektedir. Özellikle yüksek yatırımların gerektiği nakliye araçlarında büyük ilerleme (kapasite, güç vb.) görülmektedir. Diğer yandan, nakliye araçlarının verimli çalışabilmesi için gerekli olan koşullar hazırlanmaya çalışılmaktadır. Yolların tasarlanması, taşıma kapasitelerinin belirlenmesi ve gerekli bakımın yapılması, taşıma işleminin gerçekleştirilebilmesi için vazgeçilmez unsurlardır. Son 45 yılı aşkın bir süredir maden nakliye taşıtları 20 ton kapasiteden 400 ton kapasiteye kadar büyük bir gelişme göstermiştir. Bir maden işletmesinin verimliliğini, yüksek kapasiteli nakliye araçlarının istenilen hız ve sıklıktaki hareketi de etkilemektedir. Dolayısıyla, nakliye yapılan yolların bakımlı ve arızasız olması gerekmektedir. 45 yıl önce maksimum kapasitesi 20 ton olan taşıtlar kullanılmaktaydı ve o zamanın teknolojisine uygun olarak projelendirilen ve inşa edilen taşıma yollarının bugün ihtiyaç duyulan 400 ton mertebesindeki yükleri aynı başarıyla taşıyabilmesi mümkün olmamaktadır. Açık işletmelerde üretim sürecinin temel işlemlerinden biri olan taşımanın üretim maliyeti içerisindeki payı %50 lere kadar çıkabilmekte, ancak uygun yol tasarımlarının planlanması ve uygulanması sonucunda bu pay %20 lerin altına indirilebilmektedir. Ekonomik ve emniyetli bir taşıma ancak uygun yol tasarımı ve ekipman seçimi sonucunda mümkün olabilmektedir. Bu nedenle, kazı-yükleme makinalarının ve nakliye araçlarının gerek ekonomiklik gerekse emniyetlilik açısından değerlendirilmesinde kazı-yükleme makinalarının çalışma sahalarının ve nakliye araçlarının taşıma yollarının zemin taşıma kapasitelerinin belirlenmesi ve tahmin edilmesi büyük önem taşımaktadır. İşletmelerde öncelikle, alınacak ya da mevcut kazıyükleme makinalarının zemine batma sorunlarının olup olmayacağının ve yine alınacak yada mevcut nakliye araçlarının yapılacak ve/veya yapılmış yollarda çalışıp çalışamayacağının belirlenmesi gerekmektedir. Bu çalışmada, zeminlerin taşıma kapasitelerinin belirlenmesine yönelik olarak oluşturulan plaka yükleme deney düzeneği açıklanmış ve bu düzenek kullanılarak arazide gerçekleştirilen deney sonuçları sunulmuştur.
2 DENEY DÜZENEĞİNİN OLUŞTURULMASI Bu çalışmada, açık işletmelerde değişik kaya birimlerindeki çalışma alanlarının ve nakliye yollarının taşıma kapasitelerinin belirlenmesine yönelik olarak yapılan literatür çalışması (EİE; Kumbasar & Kip 1984; Anonim 1987; Anonim 1988; Gökay 1988; Paşamehmetoğlu vd. 1991; Anonim 1994) ışığında kontrollü bir plaka yükleme deney düzeneğinin oluşturulması ve denenmesi amaçlanmıştır. Deney düzeneğinin kurulması için gerekli alet ve cihazların bir bölümü (Hidrolik silindir, hidrolik pompa, basınç çevirici, güç çevirici, elektronik deplasman ölçerler ve veri toplama ünitesi) Cumhuriyet Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Maden Mühendisliği Bölümü Kaya Mekaniği Laboratuvarı ndan sağlanmıştır. Şekil 1 de gösterilen deney düzeneğindeki diğer aletler ise (Deplasman ölçer bağlama ünitesi, metal diskler ve zemin plakaları) tasarlanmış ve Sivas Organize Sanayii nde yaptırılmıştır. 2.1 Deney düzeneğinde kullanılan alet ve cihazlar Yağ basıncı 700 bar lık hidrolik bir el pompası (Enerpac P-80) tarafından sağlanan alüminyum hidrolik silindir, 50 ton kapasiteye ve 150 mm strok boyuna sahiptir. Enerpac RAC-506 marka bu hidrolik silindir 11.1 kg ağırlığındadır. Uygulanan basıncı sürekli ve sayısal olarak ölçebilmek için basınç çevirici (PW-500), plaka batmalarının ölçülebilmesi için ise iki adet (5 cm ve 10 cm lik) elektronik deplasman ölçer (CDP-50 ve SDP-100C) bulunmaktadır. Basınç çevirici ve elektronik deplasman ölçerlerden veri toplama işlemi ise TDS- 601 marka veri toplama ünitesi (data logger) kullanılarak sağlanmaktadır. Ayrıca deney düzeneğinde 110 veya 220 V ile çalışan veri toplama ünitesinin arazide kullanılabilmesi için 12 V luk aküden beslenebilen ve 220 V çıkışı olan XPower Inverter 300 marka güç çevirici bulunmaktadır (Şekil 1). Hidrolik silindir pistonu ile sabitleyici (yüklü kamyon) arasındaki mesafeyi azaltmak ve yük aktarımını sağlamak için 1, 2, 5, 10 ve 15 cm kalınlıklarında paslanmaz çelikten metal diskler yaptırılmıştır. Zemin ile hidrolik silindir arasına yerleştirilen 10, 12, 15, 19, 20 ve 30 cm çaplarında, 2.5 cm kalınlığında ve yüzeyleri ± 0.002 mm hassasiyetinde paslanmaz çelikten zemin plakaları tasarlanmış ve sanayide imal ettirilmiştir. Elektronik deplasman ölçerlerin, hidrolik silindire bağlantısını ve zemine dik konumda kalmalarını sağlayan iki parçalı (hidrolik silindir üzerinde birleşen) bir bağlantı ünitesi tasarlanmış ve sanayide yaptırılarak deney düzeneğine eklenmiştir (Şekil 1). Şekil 1 yükleme deney düzeneği
2.2 Arazide deney düzeneğinin kurulması ve deneyin yapılışı Arazide yapılması gereken çalışmalar aşağıda maddeler halinde özetlenmiştir. Arazi deney düzeneği Şekil 2 de gösterilmektedir. Bu deney düzeneğinde kullanılan basınç çevirici ve elektronik deplasman ölçerlerin deney öncesinde mutlaka kalibrasyonu yapılmalıdır. a. Deney yapılacak birim belirlendikten sonra zemin çekiç, spatula vb. aletler ile düzeltilir ve su terazisi ile kontrol edilir. b. Sabitleyici (yüklü kamyon) deney alanı üzerine konumlandırılır ve zemin plakası yerleştirilir. c. Zemin plakası üzerine, deplasman ölçer bağlama ünitesi takılı olan hidrolik silindir yerleştirilir ve hidrolik silindire hidrolik pompa bağlanır. d. Hidrolik silindir ve sabitleyici arasındaki boşluk metal disklerle doldurulur. e. Elektronik deplasman ölçerler bağlama ünitesine monte edilir ve ayarlanır. f. Güç çeviricinin 12 voltluk aküye bağlantısı yapılır. g. Elektronik deplasman ölçerler ve basınç çevirici, güç çeviri ile beslenen veri toplama ünitesine bağlanır. h. Hidrolik silindire hidrolik pompa ile yük uygulanmaya başlanır. i. Yük ve deplasman değerleri veri toplama ünitesinde istenilen aşamaya kadar sürekli ve zamana bağlı olarak kaydedilir. 3 ARAZİ ÇALIŞMALARI yükleme deney düzeneğinin oluşturulmasından ve arazi çalışmaları planlandıktan sonra bu deney düzeneğinin arazide denenmesi düşünülmüştür. Bu amaç doğrultusunda gerek düzenekte kullanılan alet ve cihazların bulunduğu CÜ Maden Mühendisliği Bölümü Kaya Mekaniği Laboratuvarı na yakın olması ve deneyde sabitleyici olarak kullanılacak ağır kamyon bulunması gerekse kaya birimlerinin daha önceki çalışmalardan bazı kütle ve malzeme özelliklerinin bilinmesi nedeniyle Barit Maden TAŞ ne ait sölestit açık işletmesi seçilmiş ve plaka yükleme deney düzeneğinin denenmesi burada gerçekleştirilmiştir. Şekil 2 yükleme deneyi
3.1 Çalışılan İşletmenin tanıtımı Barit Maden TAŞ tarafından açık ocak işletmeciliği ile üretim faaliyetleri sürdürülen Sivas-Ulaş Akkaya yöresi sölestit sahası, Sivas-Malatya karayolunun 27. km sinin 3 km kuzeydoğusunda yer alan Akkaya köyü yakınındadır. İşletmenin tuvönan cevher üretim kapasitesi ortalama 50000 ton/yıl, örtü kazı programı ise 150000 m³/yıl dır. Örtükazı ve cevher üretimi 2003 yılından itibaren taşeron firma tarafından yapılmaktadır. Gerek cevherde, gerekse örtü tabakasında delme-patlatma uygulanmaktadır. Yıllık ortalama çalışma süresi yaklaşık 5 aydır. Ocakta üretilen cevher (-60 cm), açık ocak sahasında bulunan primer kırıcıdan geçirildikten sonra (-5 cm), ocak sahasına 9 km uzaklıkta, Sivas Malatya yolunun 21. kilometresindeki Taşlı Dere mevkiinde kurulan cevher zenginleştirme tesisine taşınmaktadır. Burada zenginleştirme işlemine tabii tutulduktan sonra, elde edilen konsantre ihraç edilmek üzere İskenderun a gönderilmektedir. Sölestit sahasındaki örtü tabakası esas itibariyle jips ve anhidrittir. 1999 yılına kadar sahadaki alçıtaşı dekapaj olarak çıkarılmakta iken saha içerisinde 1999 yılında faaliyete geçen alçı fabrikası için alçıtaşı hammadde olarak çıkarılmakta ve fabrikaya beslenmektedir. Primer kırıcıya beslenen cevher boyutu 60 cm dir. Bu amaçla işletmede bulundurulan bir hidrolik çekiç (hidrolik kırıcı), gerektiğinde atımlarda ortaya çıkan büyük blokların küçültülmesinde kullanılmaktadır. 3.2 Deney sonuçları Arazi çalışması; jeoteknik tanımı, Schmidt çekici testini (N-tipi), nokta yükleme testini ve plaka yükleme deneylerini içermiştir. Deney sonuçları Çizelge 1 de verilmektedir. 4 SONUÇLAR ve ÖNERİLER Zemin taşıma kapasitesi dikkate alınarak, açık işletme taşıma yollarının ve çalışma sahalarının tasarımında ve ekipman seçiminde daha ekonomik ve emniyetli bir tasarım gerçekleştirilebilmektedir. Toplam üretim maliyeti içerisinde % 50 lere kadar çıkabilen taşıma maliyeti uygun tasarımlar ve uygulamalar sonucunda azaltılabilmekte ve işletmelerin daha etkin ve verimli çalışmaları sağlanabilmektedir. Çizelge 1 yükleme deney sonuçları Kaya Birimi Jips Toprak ( 5 cm)+ Jips Jeoteknik Tanım Açık gri, eklem yüzeylerinde kahverengimsi, az derecede ayrışmış, aynaya dik olan 1. eklem seti: 60-70, yatay olan 2. eklem seti: 15 eğimde, ort. eklem aralığı : 4.4 m, az pürüzlü. - Nokta Yükleme Dayanımı I s(50) (MPa) 1.928±0.634 - Schmidt Sertliği 33.60±2.07 - Yükleme Deney Sonuçları Ortalama Batma Miktarı (mm) Maksimum Taşıma Kapasitesi (kg/cm²) (12 cm) (19 cm) (12 cm) (19 cm) 11.96 13.38 6.58 10.89 96.94 88.63 51.37 50.82
Bu çalışma, yazarlar tarafından halen sürdürülmekte olan Değişik Kaya Birimlerindeki Açık Ocak Yollarının Taşıma Kapasitelerinin Araştırılması ve Kayaç Özellikleri ile İlişkilendirilmesi adlı araştırma projesinin bir bölümüdür. Bu yazıda, oluşturulan plaka yükleme deney düzeneği açıklanmıştır. Ayrıca bu deney düzeneği Barit Maden TAŞ ne ait sölestit açık ocağında denenmiştir. Bu ocakta bulunan toprak+jips ve jips kaya birimlerinin maksimum taşıma kapasiteleri iki değişik plaka çapında belirlenmiştir. Bu deney düzeneği kullanılarak, ocak çalışma koşulları da dikkate alınarak en az yedi farklı kaya biriminin taşıma kapasiteleri belirlenecektir. Aynı kaya birimlerinde sismik ve yer sarsıntısı ölçümleri gerçekleştirilecek ve kaya birimlerinin bazı malzeme ve kütle özellikleri arazi ve laboratuvar çalışmaları ile belirlenecektir. Taşıma kapasitesi ölçüm sonuçları diğer arazi ve laboratuvar sonuçları ile ilişkilendirilmeye çalışılacaktır. KAYNAKLAR Anonim 1987. Standart Method for Bearing Capacity of Soil for Static Load and Spread Footings, Vol. 04.08, Annual Book of ASTM Standarts (D. 1194-72), Philadelphia. Anonim 1988. İnşaat Mühendisliğinde Temel Zemini Özelliklerinin Yerinde Ölçümü, TS 5744/Nisan 1988, Türk Standartları Enstitüsü, 33 s., Ankara. Anonim 1994. Caterpillar Performance Handbook, Construction & Mining Trucks, 9. Edition. EİE Yükleme Deneyi Normu, Mühendislik Hizmetleri Normları, EİE Norm No : EİE-122, Elektrik İşleri Etüd İdaresi Genel Müdürlüğü,17 s., Ankara. Gökay K. 1988. Bearing Capacity Analysis of Layered Rock for an Underground Mine. Yüksek Lisans Tezi, ODTÜ, 135 s., Ankara. Kumbasar V. & Kip F. 1984. İnşaat Mühendisliğinde Zemin Mekaniği, Çeviri: Capper, P.L., Cassie, W.F., İstanbul: Çağlayan Kitabevi. Paşamehmetoğlu G., Özgenoğlu A., Karpuz C., Sarı D. & Sel İ. 1991. Keles Linyit İşletmesi Şev Stabilitesi Çalışmaları, ODTÜ, Nihai Rapor, 77 s., Ankara. TEŞEKKÜR Yazarlar, bu çalışmaya maddi destek sağlayan Cumhuriyet Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Başkanlığı na ve ocak çalışmaları sırasındaki ilgi ve yardımlarından dolayı Barit Maden TAŞ ne teşekkür ederler.