KAYAMEK 24-VII. Bölgesel Kaya Mekaniği Sempozyumu / ROCKMEC 24-VIIth Regional Rock Mechanics Symposium, 24, Sivas, Türkiye Yer radarı (GPR) yöntemi ile patlatma tasarımlarının iyileştirilmesi Enhancements of blasting design pattern by using ground penetrating radar (GPR) G.G.U. Aldaş, S. Kadıoğlu & E.U. Ulugergerli Ankara Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Jeofizik Mühendisliği Bölümü Ankara ÖZET: Bilindiği üzere, maden ve taş ocaklarında kaya parçalama işleminin ilk adımı patlatmadır ve bunu kırma, öğütme gibi ardışık işlemler takip eder. Bu işlemlerin verimi ise patlatma ile elde edilen parça boyut dağılımı ile doğrudan ilişkilidir. Bu sebeple, maden ve taş ocaklarında verim ve ekonomiden söz edebilmek için, en uygun patlatma tasarımlarının yapılması gerekmektedir. Patlatmanın denetlenebilen değişkenleri dediğimiz patlayıcı madde cinsi ve miktarı, ateşleme sistemi ve geometrik tasarımda yapacağımız değişiklikler ile parçalanma ve patlatmanın çevresel etkilerini azaltma konularında iyileştirmeler yapmak mümkündür. Bu çalışmanın konusu, patlatmanın denetlenemeyen değişkeni diye adlandırdığımız jeolojik süreksizlikler ile ilgilidir. Çalışma, bir taş ocağında jeofizik yöntemlerden biri olan yer radarı yöntemi ile jeolojik süreksizliklerin belirlenmesi, 2B modellenmesi ve elde edilen veriler sayesinde patlatma tasarımında yapılan iyileştirmeleri içermektedir. ABSTRACT: The most powerful and determinant step affecting the efficiency and cost of a quarry is the blasting technique. It is followed by crushing and grinding unit operations. The efficiency of these operations is directly related to the size distribution of muck pile. Therefore, in order to obtain efficiency and reduce the cost in mines and quarries, optimum blasting patterns should be designed. This study illustrates the usage of a geophysical method, ground penetrating radar, in a quarry for imaging in 2D subsurface geological structures, which are uncontrollable parameters of blasting operations. Blasting results in a quarry were considerably improved by applying the blast design patterns in accord with the geological structures identified by using ground penetrating radar. 1 GİRİŞ Bir taş ocağının verimini ve ekonomisini etkileyen en güçlü ve etkili işlem patlatma ile kaya parçalanmasıdır. Ekonomik araştırmalar patlatma tekniklerinin delme, yükleme taşıma, kırma birim işlemleri gibi ardışık işlemlerin verimini doğrudan etkilediğini göstermiştir. Bu sebeple, patlayıcı tipi ve miktarı, ateşleme yöntemi, patlatma düzeni gibi patlatmanın denetlenebilen değişkenleri üzerinde iyi çalışmak gerekmektedir. Böylelikle aşırı kırma, geri tepme gibi sonuçların, yer sarsıntısı, hava şoku gibi çevresel etkilerin en aza indirgenmesi sağlanabilir. Patlatma, kaya parçalanmasında en önemli etken olup denetleyemediğimiz değişken ise jeolojik yapılardır. Bu yapılar kaya kütlesine anizotropik karakter getirirler. Mevcut patlatma teknikleri ile eklem, fay, çatlak gibi süreksizlikler içeren kaya kütlelerinin patlatılması sonucu kazı ve yükleme zorluğuna hatta ikincil patlatmalara neden olan büyük blokların çıktığı bilinmektedir (Rao 1995). Ouchterlany vd. (199) Mrika projesinde, patlatmadan sonra elde edilen ortalama parça büyüklüğünün (k 5 ), özgül şarjdan bağımsız olarak jeolojiden etkilendiğini göstermişlerdir. Bu sebeple bir taş ocağında ya da madende faaliyete geçmeden önce jeolojik ve jeofizik araştırmalar yapılarak süreksizlikler belirlenmeli ve basamakların oluşturulmasında bunların yönlerine dikkat edilmelidir. Çünkü hakim süreksizlik yönü dikkate alınmadan açılan basamaklarda yapılan patlatmalardan elde edilen parçalanmanın çok iyi olmadığı bilinmektedir. Kötü parçalanma yukarıda belirtilen ardışık işlem maliyetlerinin artmasına da sebep olmaktadır. Bu çalışma Ankara yakınlarındaki bir taş ocağında gerçekleştirilmiştir. Süreksizliklerin patlatmayı ne denli etkilediği bilindiği için, patlatma ile elde edilecek parçalanmayı iyileştirebilmek amacı ile süreksizlikleri denetlenemeyen değişken olmaktan çıkarmak hedeflenmiş ve bu amaçla bu çalışmada jeofizik yöntemlerden yer radarı (GPR)
yöntemine başvurulmuştur. Çalışmanın amacı, ocaktaki süreksizliklerin yeraltındaki uzanımlarının GPR ile belirlenmesi ve bu süreksizliklerin konumları dikkate alınarak patlatma tasarımlarında değişiklikler yapılabileceğinin gösterilmesidir. Böylelikle patlatmanın var olan süreksizliklerden daha az etkilenmesi sağlanabilmektedir. Aslında böyle bir çalışmanın taş ocağı açılmadan yapılması ve basamakların GPR ile belirlenen süreksizliklere uyumlu bir şekilde oluşturulması en idealidir ancak çalışma yapılan ocak üretimin devam ettiği bir ocaktır ve basamakların çoğunluğu süreksizliklere dik olacak şekilde oluşturulmuştur. Bu sebeple, ocakta parçalanmayı iyileştirmek için varolan süreksizliklere uygun patlatma tasarımları yapmak tek seçenektir. Bu çalışmada, çalışma alanı olarak seçilen bir basamakta GPR ile süreksizliklerin tespiti ve parçalanmayı iyileştirmek amacı ile GPR verileri dikkate alınarak patlatma tasarımında yapılan değişiklikler anlatılmıştır. GPR metodu kaynaklarda ayrıntılı anlatılmıştır (Davis & Annan 1989; Ulriksen 1982; Morey 1974; Kadıoğlu 23). 2 ÇALIŞMA ALAI ve KAYAÇ ÖZELLİKLERİ Çalışma alanı Ankara nın güney doğusunda yer alan bir taş ocağıdır. Ocakta dolomitik ve katmanlaşmış kireçtaşı hakim olup, beyaz ve masiftir. Hakim süreksizlikler genellikle düşeydir. Ocağın tüm basamaklarından yapılan yaklaşık 4 süreksizlik ölçümünün ticari bir yazılımla değerlendirilmesi sonucunda hakim süreksizlik yönünün K3 B olduğu belirlenmiştir. Sahadan ISRM (1981b) standartlarına uygun yöntemlerle alınan kayaç numunelerine uygulanan laboratuar deneyleri sonucunda tek eksenli basınç dayanımı, çekme dayanımı ve yoğunluk sırasıyla 1 MPa, 1 MPa ve 2.57g/cm³ olarak bulunmuştur. 3 ARAZİ ÇALIŞMALARI Arazi çalışmaları iki grup altında gerçekleştirilmiştir. 3.1 Birinci grup çalışmalar Bu çalışmalar yer radarı yöntemi ile jeolojik yapıların ve yeraltı uzanımlarının tespit edilmesini içermektedir. 3.1.1 GPR verilerinin 2B veri işlem aşamaları ve görüntülenmesi Bu çalışmada, yer radarı metodunda veri toplamak için Pulse EKKO1A radar sistemi (Sensor & Software) ve merkez frekansı 25 MHz olan açık sistem anten kullanılmıştır. Çalışma alanı 2 5 m lik bir alan olup, D-B yönelimli ve genellikle dikey eğimli çatlak ağı içerisindedir. GPR profilleri, çalışma alanında gözlenen kırığa dik olacak şekilde oluşturulmuştur. Üç boyutlu görüntüleme amacı ile ölçümler birbirine koşut 4 profil üzerinde yapılmıştır (Kadıoğlu & Daniels 22). Her profil üzerindeki ölçüm aralıkları.5 m ve zaman örnekleme aralığı 1.6 ns (nanosaniye) alınmış, antenler arası uzaklık 4 m, sabit ve alıcı ve verici antenler profile dik tutulmuştur. Elde edilen radagram (radar kesiti) uzaklık-zaman eksenli 2B görüntüdür. Radar verilerine, yorumlanmadan önce sırasıyla çok düşük ve yüksek frekansların giderilmesi amacıyla bant geçişli bir süzgeçleme işlemi uygulanmış, zamanla azalan genlikleri artırmak amacıyla AGC tip genlik kazanç düzeltmesi uygulanmış ve uygun genlik-renk görüntüleme işlemi seçilerek 2B veri görüntüleme yapılmıştır. Yine zaman-derinlik dönüşümü için profil üzerinde geniş açı yansıma ve kırılma (Wide Angle Reflection and Refraction) radar verisi toplanmış ve elde edilen hiperbole çakıştırma yöntemi uygulanarak ortamın yayılma hızı hesaplanmıştır. Bu hesaplama sonucu ortamın elektromanyetik dalga hızı.1 m/ns bulunmuştur. Şekil1a,b,c,d de işlenmiş GPR verisinin 2B gösterimleri (radagramlar) verilmiştir. Burada yatay eksen bir profil boyunca yatay mesafeyi, düşey eksen ise yüksek frekans elektromanyetik dalganın yer içindeki gidiş dönüş seyahat zamanının ortamdaki elektromanyetik dalga hızı ile çarpımının ikiye bölünmesi ile elde edilen derinlik değerini göstermektedir. (Burada bir zaman örnekleme değerindeki derinlik değişimi, 1.6.1/2 =.8 dir). Ortam için bulunan elektromanyetik dalga ilerleme hız değeri kullanılarak bu alan için araştırma derinliği yaklaşık 46 m bulunmuştur. 1. profil 4 m ve patlatma hazırlığı yapılan bölgeyi içine alabilmektedir. Ancak 2., 3. ve 4. profillerin boyu yaklaşık 2 m dir ve arazi koşulları birinci profil boyu kadar ilerlemeye imkan vermemiştir. Dört paralel profilin ilk 2 m sini içeren bölümlerinden bir dizi oluşturularak 3B görüntüleme çalışması yapılmış ve farklı genlik görüntüleme (opacity) işlemleri yapılarak kırık hatları görüntülenmiştir (Şekil 2).
3.1.2 GPR verilerinin yorumu a) Line 1 c) Line 3 _ b) Line 2 d) Line 4 + Şekil 1 de verilen profillere ait radagramlar incelendiğinde 1. profilde oldukça belirgin olmak üzere profillerin sağ tarafında, profil başlangıcına göre yaklaşık 25-3. izden (12-15 m) sonraki bölgede verilerin genliklerinde yüksek sönümlenme görülmektedir. Bu bölgeyi diğer bölgelere göre oldukça parçalı (ayrışmış) zayıf bölge olarak tanımlayabiliriz. Hız analizi de bu bölgenin hızının.1 m/ns den daha düşük olduğunu göstermekte ve bu yorumumuzu desteklemektedir (Bu bölge özellikle patlatma hazırlıkları yapılan bölgedir). Bu tarz zayıf bölgelerin olduğu kayaçlarda patlayıcı tipi önem kazanmaktadır. Çünkü yüksek şok enerjili patlayıcı madde kullanımı bu bölgede gereğinden fazla kırılma ve parçalanmaya ve içsel hasarlanmaya neden olabilmektedir. Ocak patlatma elemanları tarafından bu bölgeyi de içeren patlatmanın sonucu ileriki bölümde tartışılacaktır. Şekil 1 de tüm radagramlarda hemen hemen aynı süreksizlikler belirlenmiş bu nedenle 1. profile ait radagram üzerinde işaretleme ve yorumlama yapılmıştır (Şekil 3). Şekil 1 GPR profillerine ait veri işlemi tamamlanmış radagramlar ve belirlenmiş kırık hatları 1 4 Lines Distance (m) 2 2 3 4 6 5 8 7 Ayrışmış Bölge 1 23 _ + 46 Şekil 3 Kırık hatları tanımlanmış 1. profil radagramı Depth(m) 1 23 46 Lines 4 Distance (m) Şekil 2 GPR profillerinin 3B görüntülenmesi 2 Şekil 3 de ince gri çizgiler çatlakları, kalın gri çizgi fayı (6) göstermektedir. 2-6 arası numaralandırılan süreksizliklerin yüzeyden görünümü Şekil 4 te verilmiştir. 2-5 arası işaretlenenler çatlakları, 6 ile numaralandırılan ise asıl kırığı göstermektedir. Görüldüğü üzere radagramda belirlenen süreksizliklerin konumları ile yüzeyden gözlenen konumlar iyi bir uyum göstermektedir. Şekil 3 de 6 numara ile belirlenen fayın uzanımı yaklaşık 16 m olarak tespit edilmiştir (2.8). Fayın hemen alt bölgesi (7) doğasında parçalı ve kırıklı bir bölge olarak yorumlanmıştır. Bu bölge ayrışmış bölgeye doğru çökme alanı olarak tanımlanmıştır.
Radagramın sol alt bölgesinde ise güçlü yansımaların (8), hız analizi sonucuna göre, yaklaşık 3-32 m derinde başlayan çok sert-sağlam bölge ile yukarıdaki kırıklı bölge sınırından geldiği düşünülmektedir. Dolayısıyla bu sınır aynı zamanda verimli patlatmaların yapılabileceği maksimum derinliği de göstermektedir. Bu basamak için verimli parçalanmanın yapılabileceği maksimum derinlik 32 m dir. Ancak ocaktaki bazı basamakların bu derinliği aştığı görülmektedir. Ateşçiler tarafından 3 m den fazla delinen deliklerin olduğu basamaklarda yapılan patlatmalarda tırnak kaldığının söylenmesi, GPR verisi ile elde ettiğimiz bulguyu desteklemektedir. Sonuç olarak 3 m den yüksek aynaların oluşturulması anlamlı olmayıp verimi düşürmektedir. Bu derinlikten sonra yeni bir bölge başladığı için patlatma tasarımı değiştirilmelidir. 3.2 İkinci grup çalışmalar Bu çalışmalar, GPR ile belirlenen jeolojik yapılara uygun olarak yeniden düzenlenen patlatma geometrileri ile yapılan patlatmanın ocak patlatma elemanları tarafından yapılan patlatma ile karşılaştırılmasını içermektedir. Birinci hatta GPR ölçümleri alınırken ocak patlatma elemanları hattın sonunda (Şekil 4) yeni patlatma için delikleri hazırlamaktaydılar. Bu sebeple, patlatma alanından da bilgi alabilmek için hattın boyu uzatılmıştır. Önceki bölümde de anlatıldığı üzere, GPR verisinden elde edilen bilgiye göre patlatma için hazırlanan alan zayıf ve parçalanmış bir alandır. Kırmataş üreticileri açısından bakılınca, bu bölgede yüksek şok enerjili patlayıcı kullanmak kayaçta içsel parçalanmalara ve gereğinden fazla ufalanmasına neden olabilmektedir ki bu da istenilen bir durum değildir. Durumu görmek amacı ile, ocaktaki patlatma elemanlarının belirlediği patlatma tasarım parametrelerine müdahale edilmemiş, yalnızca patlatma izlenmiş ve sonuçları değerlendirilmiştir. Bu patlatmada toplam 49 delik gecikme ile patlatılmıştır. Ateşleme düzeni aşağıda verilmiştir: İlk sıra: 19 patlatma deliği, 1 no kapsülle İkinci sıra: 13 patlatma deliği 3 no kapsülle Üçüncü sıra: 12 patlatma deliği 5 no kapsülle Dördüncü sıra: 5 patlatma deliği 7 no kapsülle 2 3 4 5 Şekil 4 Yüzeyden gözlemlenen süreksizlikler Blasting area Ayrıca, önceki patlatmaların patar atımı için 55 delik ayrı bir grup olarak atılmıştır. Ocak patlatma elemanları tarafından yapılan patlatmanın tasarım parametreleri Çizelge 1 de verilmiştir. Çizelge 1 Ocak patlatma elemanları tarafından belirlenen patlatma tasarım parametreleri Delik çapı: 6 Basamak yüksekliği, K: 2 m Delik derinliği, H: 17 m Delik-ayna mesafesi, B: 4 m Delikler arası mesafe, S: 4 m Sıkılama boyu, St: 3 m Ateşleme sistemi: Elektrikli kapsül Kapsüller arası gecikme: 3 ms Patlayıcı tipi: 12 jelatinit dinamit (JD) alt yemleme, 6 JD ara yemleme ve kolon şarjı AFO Şarj yoğunluğu: 18.5 kg/m Beklenildiği gibi, böyle zayıf bir zonun patlatılmasında yüksek şok enerjili çok sayıda yemleyici kullanımı kabul edilebilir bir parçalanma vermemiştir. Sayısal görüntüleme tekniği kullanılarak parça boyut dağılımı yapıldığında ortalama parçalanmanın 22.42 mm olduğu görüldü. Patlatma sonrası bir kısım blok, içsel hasar gördüğü ve burada yeni delik delmenin ekonomik olmayacağı düşüncesi ile alınmadan yerinde bırakılmıştır (Şekil 5). İri parçalanmanın sebeplerinden biri de, mevcut patlatma için uygulanan dilim kalınlığı/delikler arası mesafe oranıdır. Kaynaklarda bu oranın 1.25 olması durumunda iyi parçalanma elde edileceği vurgulanmaktadır (Olofsson 1988). Ayrıca basamak tabanını sıfırdan kesebilmek için deliğin basamak yüksekliğinden biraz daha derin delinmesi gerekmektedir. Bu ek uzunluk delik ayna mesafesinin (dilim kalınlığı).3 katıdır. Delik boyu, 6
basamak yüksekliğine alt delme miktarının eklenmesi ile elde edilmelidir (Olofsson 1988). Ocakta yapılan bu patlatmada, Çizelge 1 de de görüleceği üzere delikler arası mesafe ile dilim kalınlığı eşit tutulmuştur. Ayrıca delik boyu basamak yüksekliğinden daha derin olması gerekirken daha kısadır. Tüm bunlar patlatma sonrası delik diplerinde tırnak çıkmasına sebep olmuş, iri parçalanma elde edilmiştir. Şekil 5 Yerinde bırakılan blok GPR verilerinden elde edilen bulgulardan yararlanarak ocakta alternatif patlatma tasarımı önerilmiştir (Çizelge 2). Patlatma yapılacak basamak yüksekliği 3 m den fazla olduğu için, GPR verisinden öğrenilen 3 m den sonra sert kayanın başladığı bilgisini göz önünde tutarak yemleme şarjının miktarı arttırılmıştır. Basamak yüksekliğinden daha derin delinmesi sağlanan deliklerin dibine doldurulan yüksek yemleme şarjı ile delik dibinde tırnak kalması problemi aşılmak istenmiştir. Ayrıca ilk patlatmada verilen 4 4 m delik düzeni yerine 3 3.5 m kullanılmıştır. Ortalama parça boyutu sayısal görüntüleme tekniği ile 118.45 mm olarak bulunmuştur. Çizelge 2 Önerilen patlatma tasarım parametreleri Delik çapı: 6 Basamak yüksekliği, K: 32 m Delik derinliği, H: 33 m Delik-ayna mesafesi, B: 3 m Delikler arası mesafe, S: 3.5 m Sıkılama boyu, St: 3 m Ateşleme sistemi: Elektrikli kapsül Kapsüller arası gecikme: 3 ms Patlayıcı tipi: 14 jelatinit dinamit (JD) alt yemleme, 6 JD ara yemleme, kolon şarjı AFO Şarj yoğunluğu: 18.5 kg/m 4 SOUÇLAR Bu çalışmada jeofizik yöntemlerden biri olan yer radarı yöntemini kullanarak süreksizliklerin dağılımı ve yeraltındaki uzanımlarını tespit etmek ve elde edilen bulguları parçalanmayı iyileştirmek amacı ile patlatma tasarımlarında kullanmak hedeflenmiştir. Bu kapsamda aşağıdaki sonuçlara ulaşılmıştır: 25 MHz lik antenler kullanılarak gerçekleştirilen GPR ölçümleri ile bu çalışma alanında 44-46 m derinliğe ulaşılmıştır. Çalışma alanı içerisindeki zayıf, kırıklı ve sağlam bölgeler belirlenmiş ve verimli patlatmalar gerçekleştirebilmek için basamak yüksekliğinin 3 m den fazla olmaması gerektiği ortaya konmuştur. Patlayıcı deliklerinin konumları bu bulgulara göre yeniden düzenlenmiştir. Dilim kalınlığı/delikler arası mesafe oranının önceki araştırmalar uyarınca 1.25 olması gerektiği görülmüştür. Bu oran çalışma alanında elde edilen kırık yapılarının konumları göz önüne alındığında da uygun görülmektedir. GPR verilerinden elde edilen bulgular doğrultusunda patlatma düzeninde yeni değişiklikler yapılınca parça boyutunda iyileşme olduğu görülmüştür. KAYAKLAR Rao K.R. 1995. Blast design for fragmentation of anisotropic rock mass in surface mines. Proceedings of the eleventh symp. on explosives and blasting research, Feb 5-9, USA, 216-227. Ouchterlony F., iklasson B. & Abrahamsson S. 199. Fragmentation monitoring of production blasts at MRICA. Int. Conferance on Rock Fragmentation by Blasting, Brisbane. 26-31 August, 283-289. Davis J.L. & Annan A.P. 1989. Ground Penetrating Radar for high resolution mapping of soil and rock stratigraphy. Geophysical Prospecting 37 (5) 531 551. Ulriksen P. 1982. Application of impulse radar to Civil Engineering. Doctoral thesis, Lund University of Technology, Dept. of Eng. Geol., Sweden. Coden. Lutvdg/(TVTTG-11) 1 175. Morey R.M. 1974. Continuous subsurface profiling by impulse radar. Proceedings of Conference on Subsurface Exploration for Underground Excavation and Heavy Construction. Am. Soc. of Civil Engineers, Henniker H. 213 232. ISRM 1981. International Society for Rock Mechanics. Rock Characterization, Testing and Monitoring- ISRM Suggested Methods, Pergamon, London, 211. Kadıoğlu S. 23. 3D Ground Penetrating Radar-Data Acquisition, Processing, and Interpretation, 14 th International Petroleum Congress and atural Gas Congress and Exhibition of Turkey, May,12-14, Ankara- TURKEY, Proceedings, p.485-486.
Kadioglu S. & Daniels J.J. 22. A Hybrid 2D/3D Ground Penetrating Radar (GPR) Survey of Brownfield Site Along Lake Street in Chicago, Illinois (USA), International Conference on Earth Sciences and Electronics. 2, 255-261. Olofsson S.O. 1988. Applied Explosives Technology for Construction and Mining. Applex Publisher, 33.