T.C. SELÇUK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

T.C. SELÇUK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ FARKLI MİKTAR VE ÖZELLİKTEKİ KÖMÜR YIĞINLARININ KENDİLİĞİNDEN YANMA DAVRANIŞLARI, ÖNLENMESİ VE ÖNCEDEN TESPİT EDİLMESİNE BİR ÖRNEK; ÇAYIRHAN KÖMÜR STOKLARI Elif KUZOLUK YÜKSEK LİSANS TEZİ Maden Mühendisliği Anabilim Dalı Şubat-2014 KONYA Her Hakkı Saklıdır

ÖZET YÜKSEK LİSANS TEZİ FARKLI MİKTAR VE ÖZELLİKTEKİ KÖMÜR YIĞINLARININ KENDİLİĞİNDEN YANMA DAVRANIŞLARI, ÖNLENMESİ VE ÖNCEDEN TESPİT EDİLMESİNE BİR ÖRNEK; ÇAYIRHAN KÖMÜR STOKLARI Elif KUZOLUK Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Maden Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman: Doç. Dr. A. Hadi ÖZDENİZ 2014, 88 Sayfa Jüri Prof. Dr. Cem ŞENSÖĞÜT Doç. Dr. A. Hadi ÖZDENİZ Yrd. Doç. Dr. Hakan ÖZŞEN Kendiliğinden yanma olayı, yıllardır kömür madenciliğinin yaşadığı en büyük sorunlardan birisidir. Kömürün bünyesinde bulunan karbonun havadaki oksijen ile ekzotermik reaksiyona girmesi sonucunda yanma meydana gelir. Bu reaksiyon sonucunda gerek yeraltı ve gerekse açık ocak üretim aşamalarında, stok sahalarında kömür iç sıcaklığının artması ve ardından da alevli yangınlara dönüşmesi sonucu birçok maddi ve can kayıpları meydana gelmektedir. Bu hasarların en aza indirilmesi için kömüre ait kendiliğinden yanma karakteristiğinin önceden belirlenmesi ve gerekli önlemlerin alınması gerekmektedir. Ülkemiz kömürleri üzerinde yapılan birçok çalışmada, kömürlerin kendiliğinden yanmaya eğilimleri incelenmiştir. Yapılan çalışmaların büyük bir kısmı laboratuvar ortamında gerçekleştirilmiştir. Yapılan bu çalışmada, Park Termik A.Ş. ye ait Çayırhan kömürlerinden hazırlanan stokların kendiliğinden yanma karakteristikleri araştırılmıştır. 2 adedi işletmenin kendi stokları olmak üzere toplamda 4 adet stok sahası hazırlanmıştır. Her bir stoğa 4 er adet Pt-100 sensör yerleştirilmiş ve 10 dk aralıklarla stok iç sıcaklıklarının ölçülmesi sağlanmıştır. Yapılan ölçümler sonucunda, Çayırhan kömürlerinin genel olarak 65 ºC de kuluçka evresine geçtikleri ortalama 3 günün sonunda yaklaşık 70-75 ºC de alevli yangınların meydana geldiği gözlemlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Çayırhan, kendiliğinden yanma, kömür oksidasyonu iv

ABSTRACT MS THESIS A CASE STUDY ON PRE-DETERMINATION AND PREVENTION OF SPONTANEOUS COMBUSTION BEHAVIOUR OF STOCKYARDS WITH VARIED CHARACTERISTICS AND QUANTITY: ÇAYIRHAN COLLIERY Elif KUZOLUK THE GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCE OF SELÇUK UNIVERSITY THE DEGREE OF MASTER OF SCIENCE OF PHILOSOPHY IN MINING ENGINEERING Advisor: Assoc. Prof. Dr. A. Hadi ÖZDENİZ 2014, 88 Pages Jury Prof.Dr. Cem ŞENSÖĞÜT Assoc. Prof. Dr. A. Hadi ÖZDENİZ Assist. Prof. Dr. Hakan ÖZŞEN The spontaneous combustion is one of the main problems encountered in coal mining over the years. The combustion occours at the end of the exothermic reaction taking place between the oxygen in the air and carbon in the coal. As a result of this reaction, which happens due to of blaze and fire caused by on increase in internal temperature of coal in both open and, underground working sites is the loss of lives and collateral damage. To minimize the risks mentioned above, the characteristic of spontaneous combustion phenomena must be identified and the necessary precautions must be taken beforehand. Many researchers examined the coals to final out their tendency to spontaneous combustion. Many of these analyses were realized in the laboratory scale. In this work, the Cayirhan coals which is mine by Park Termik A.S. were investigated to determine the characteristic of spontaneous combustion. There were four different stockyards prepared for this purpose, included the firm s own stockyards (2 stockyards). In each stock, the Pt-100 sensors were placed and the stocks' internal temperatures were measured in every 10 minutes. After these measurements, the general incubation period of Cayirhan coals was found 65 ºC and at the end of three days, it was observed that the open fire occureol approximately at 70-75 ºC. Keywords: Çayırhan, spontaneous combustion, tenolency, oxidation of coal v

ÖNSÖZ Tez konusunun belirlenmesinde, stok sahalarının hazırlanmasında ve deney sonuçlarının yorumlanmasında destekleri ve yönlendirmeleri için danışmanın Sayın Doç. Dr. A. Hadi ÖZDENİZ hocama teşekkür ederim. Jüri üyeliğimi yapan Prof. Dr. Cem ŞENSÖĞÜT e ve Yrd. Doç. Dr. Hakan ÖZŞEN hocama teşekkür ederim. Lisans eğitimimde ve yüksek lisans çalışmamda yardımlarını esirgemeyen başta Doç. Dr. İhsan ÖZKAN olmak üzere tüm Maden Mühendisliği bölümünde bulunan öğretim üyelerine ve asistanlarına ayrı ayrı teşekkür ederim. Çalışmalarım sırasında işletmenin her imkânından yararlanmamı sağlayan, Park Termik A.Ş çalışanlarından işletme müdürü Sayın Levent ŞENFİLO ya, Mustafa TAŞ a ve Hakan ERDEM e desteklerinden dolayı şükranlarımı sunarım. Maddi manevi desteklerini benden esirgemeyen annem Meryem KUZOLUK ve kardeşlerime, bu çalışmalarıma şahit olamayan ama varlığını hep içimde hissettiğim babam Duran KUZOLUK a, Burkay İnşaat ta beraber çalıştığım çalışma arkadaşlarıma, daima mühendislik bilgisine başvurduğum, kariyer olarak yolundan gittiğim ve çalışmalarım sırasında bana olan inancını asla yitirmeyen Genel Koordinatörüm Sayın Kazım KURŞUN a çok teşekkür ederim. Elif KUZOLUK KONYA-2014 vi

Babam Duran KUZOLUK için, Yol arkadaşım Kazım KURŞUN sayesinde vii

İÇİNDEKİLER ÖZET... iv ABSTRACT... v ÖNSÖZ... vi İÇİNDEKİLER...viii SİMGELER VE KISALTMALAR... xi 1. GİRİŞ... 1 2. KÖMÜRÜN TANIMI OLUŞUMU VE SINIFLANDIRILMASI... 3 2.2. Kömürün Oluşumu... 3 2.3. Kömürün Sınıflandırılması... 4 3. KÖMÜRÜN ÖZELLİKLERİ... 7 3.1. Fiziksel Özellikler... 7 3.1.1. Rutubet... 7 3.1.2. Yoğunluk... 7 3.1.3. Sertlik... 8 3.1.4. Gözeneklilik... 8 3.1.5. Öğütülebilirlik... 8 3.1.6. Renk ve çizgi rengi... 8 3.1.7. Ufalanabilirlik... 9 3.1.8. Parlaklık... 9 3.1.9. Mukavemet... 9 3.2. Kömürün Petrografik Özellikleri... 9 3.2.1. Litotipler... 10 3.2.2. Maseraller... 11 3.2.3. Mikrolitotipler... 11 4. KÖMÜRLERDE KENDİLİĞİNDEN YANMA OLAYI... 12 4.1. Oksitlenme... 12 4.2. Kendiliğinden Yanma İle İlgili Teoriler... 13 4.2.1. Pirit Teorisi... 13 4.2.2. Bakteri Teorisi... 13 4.2.3. Oksidasyon Teorisi... 14 4.2.4. Nem Teorisi... 14 4.3. Kömürün Kendiliğinden Yanmasını Etkileyen Faktörler... 15 4.3.1. Kömürün Fiziksel Kimyasal ve Petrografik Özellikleri... 15 viii

4.3.1.1. Kömürleşme Derecesi (Rank)... 15 4.3.1.2. Nem (Rutubet) İçeriği... 15 4.3.1.3. Tane Boyutu... 15 4.3.1.4. Mineral Madde İçeriği... 16 4.3.1.5. Petrografik Yapı... 16 4.3.1.6. Pirit İçeriği... 16 4.3.1.7. Bakteriler... 17 4.3.1.8. Fiziksel Özellikleri... 17 4.3.1.9. Uçucu Madde İçeriği... 17 4.3.1.10. Metan İçeriği... 17 4.3.1.11. Kömür Sıcaklığı... 17 4.3.2. Jeolojik özellikleri... 18 4.3.2.1. Damar kalınlığı ve eğimi... 18 4.3.2.2. Faylar ve çatlaklar... 19 4.3.2.3. Derinlik... 19 4.3.3. Atmosferik Koşullar... 19 4.3.3.1. Ortam sıcaklığı... 19 4.3.3.2. Havadaki nem miktarı... 19 4.3.3.3. Oksijen derişimi... 20 5. KENDİLİĞİNDEN YANMANIN TESPİT EDİLMESİ VE KULLANILAN YÖNTEMLER... 21 5.1. Fiziksel Belirtiler... 21 5.1.1. Kömür ve çevre kayaçlarda görülen terleme... 21 5.1.2. Duman... 21 5.1.4. Ses... 22 5.1.5. Koku... 22 5.1.6. Sıcaklık artışı... 22 5.1.7. Kızışmanın kimyasal belirtileri... 23 5.1.8. Kendiliğinden yanma ile mücadele yöntemleri... 23 5.1.9. Planlama ve üretim sırasında yapılabilecek çalışmalar... 23 5.1.10. Stok sahalarında yapılabilecek çalışmalar... 24 5.2. Kullanılan Laboratuvar Yöntemleri... 26 5.2.1. Statik izotermal yöntem... 26 5.2.2. Dinamik oksidasyon yöntemi... 27 5.2.3. Kimyasal yöntem... 27 5.2.4. Adyabatik oksidasyon yöntemi... 28 5.2.5. Diferansiyel termal analiz (DTA) yöntemi... 29 5.2.6. Kesişim noktası metodu... 30 5.2.7. Termogravimetrik analiz (TGA) metodu... 30 6. TÜRKİYE KÖMÜRLERİNİN KENDİLİĞİNDEN YANMA KARAKTERLERİ VE YAPILAN ÇALIŞMALAR... 32 7. ORTA ANADOLU LİNYİTLERİ... 34 7.1. İşletmenin Tanımı... 34 7.2. Rezervler ve Jeolojik Durum... 35 7.2.1. Faylar, rezerv durumu ve damar şartları... 35 7.2.2. Bölge jeolojisi... 37 ix

7.3. Mevcut Sistemin Tanıtılması... 38 7.3.1. Üretim planı... 38 7.3.2. Kazı işlemi... 39 7.4. Çalışan Sektörler... 40 7.4.1. B sektörü ve üretim yöntemi... 40 7.4.1.3. B sektörü nakliyat... 43 7.4.2. C sektörü ve üretim yöntemi... 44 7.4.2.2. C sektörü havalandırma... 44 7.4.2.3. C sektörü nakliyat... 45 7.4.3. G sektörünün tanıtılması... 46 7.4.3.1. G sektörü üretim yöntemi... 46 7.4.3.2. G sektörü havalandırma... 46 7.4.3.3. G sektörü nakliyat... 47 7.5. Galeri Tahkimatı... 48 7.6. Dolgu... 48 7.7. Pompa İstasyonları... 49 7.7.1. Hidrolik... 49 7.7.2. Atık su... 49 7.7.3. Temiz su... 50 7.7.4. Basınçlı hava... 50 7.8. Personel ve Malzeme Nakliyatı... 50 7.9. İşçi Sağlığı ve İş Güvenliği... 50 7.10. Kontrol Kumanda Merkezi... 51 7.11. Tahlisiye ve Eğitim... 51 8. DENEYSEL ÇALIŞMALAR... 53 8.1. Stok Sahalarının Hazırlanması... 53 8.1.2. Stokların hazırlanması... 53 8.2. Stok İç Sıcaklıklarının Ölçülmesi... 62 8.3. Meteorolojik Ölçümler... 63 9. STOKLARDAN ALINAN VERİLERİN DEĞERLENDİRİLMESİ... 65 9.1. K1 Stoğu Sıcaklık-Zaman Verilerinin Değerlendirilmesi... 65 9.2. K2 Stoğu Verilerinin Değerlendirilmesi... 69 9.3. K3 Stok Verilerinin Değerlendirilmesi... 72 9.4. K4 Stoğu Verilerinin Değerlendirilmesi... 76 9.5. Stokların Birlikte Değerlendirilmesi... 79 9.6. Yüzey Sıcaklık Ölçümleri... 80 10. SONUÇLAR VE ÖNERİLER... 82 KAYNAKLAR... 84 ÖZGEÇMİŞ... 88 x

SİMGELER VE KISALTMALAR Kısaltmalar DTA A.S.T.M : Diferansiyel Termal Analiz : American Society of Testing and Materials xi

1 1. GİRİŞ Mineral yakıt, doğal halde veya bazı değişimlerden sonra yanan madde olarak kullanılabilen, yeterli miktarda yanıcı organik bileşikler içeren kayaçlara verilen addır. Kömür de bir mineral yakıt sınıfına girer ve organik kaya olarak ifade edilmektedir. Organik ve inorganik maddeler ile nemden oluşan kömür genellikle kuru olarak % 50 den fazla yanabilen madde içermektedir (Eroğlu, 1993). Bitkilerin, doğa olaylarının etkisi altında zamanla bozuşup fiziksel ve kimyasal değişimlere uğrayarak, kömürleri meydana getirdiği bilinmektedir. Bitkilerde fiziksel ve kimyasal değişimlere yol açan doğa olayları arasında bakteri ve mantar hücrelerinin oksitlenme, hidroliz ve damıtım ile su ortamında ısı ve basıncın etkileri oluşan faaliyetler sayılabilir. Bu fiziksel değişimlerden başlıcaları ise; rengin kararması, parlaklık, sertlik, sıklık ve kırılganlığın artmasıdır. Kömür yüzeyinin oksijenle olan ilişkisi, kömürün kendiliğinden yanmasında etkili olan nedendir. Kömür; oksitlenmeye eğilimli bir maddedir ve, yeni açılan yüzeyler hava ile temas eder etmez oksidasyon olayı başlar. Kömürle oksijen arasında dışa ısıveren bir kimyasal reaksiyon oluşması ile oksijen molekülleri kömürün yüzeyine fiziksel olarak bağlanır ve difüzyon yolu ile mikro gözeneklere kadar ulaşır. Kömürlerde kendiliğinden yanma düşük sıcaklıkta oksitlenmeyle başlayıp artan ısı birikmesi nedeniyle alevli yanmaya kadar varabilen ekzotermik bir olaydır. Wang ve ark, nın (1993) yaptığı çalışmalarda, kömür yüzeylerinin oksijen adsorbe etmesi sonucu ortamdaki oksijen tüketiminin kendiliğinden yanma olayının başlamasının ilk adımı olarak tespit edilmiştir. Oksijen adsorbsiyonunun devam etmesi sonucu, 40 C üzerinde ortam ısısı yükselmektedir. Bu ısı ortamdan uzaklaştırılmadığı takdirde 70 C den sonra CO ve CO2 gazların hacimce konsantrasyonu artmakta ve 125 C de su buharı oluşmaktadır. Artan ısıyla beraber kömürün tutuşma sıcaklığına ulaşması sonucu, alevli yanma başlamaktadır. Kendiliğinden yanma genellikle düşük ranklı kömürlerde meydana gelmektedir (Biçer, 2011). Kömür üreticiliği yapan tüm ülkelerin karşılaştığı en önemli sorunlarından birisi, kömürün kendiliğinden yanmasıdır. Kömürün kendiliğinden yanması, hem ekonomik açıdan hem de güvenlik açısından kömür işletmecilerinin yüzyıllardır üstesinden gelmeye çalıştığı en büyük sorunlarından birisidir. Kömürün kendiliğinden yanması neticesinde ortaya çıkan CO (karbon monoksit) gazı zehirlenmesi nedeniyle ölüme yol açabilecek şekilde zarar görme, bırakılan

2 topukların açık alev ya da içten yanması sonucunda tavan göçmeleri, yanma sonucunda kömürün kaybedilmesi ve yangın barajları arkasında ekonomik olarak işletilebilir rezervlerin bırakılmak zorunda kalması, yeraltında olası bir yangının yaratılabileceği başlıca sorunlar arasında gösterilebilir (Eroğlu, 1993). Dünya kömür sanayisi için çok uzun zamandır büyük tehlikeler oluşturan kendiliğinden yanma olayı, dünyada en fazla maden ocaklarının bulunduğu Çin de sadece yeraltında çıkan yangınlardan dolayı yılda ortalama 200 milyon ton kömür etkilenmektedir. Kendiliğinden yanma olayı yeraltında oluşabileceği gibi çıkarılan kömürün depolanması ve uzun süreli denizyolu nakliyatı sırasında yani yer üstünde de ortaya çıkabilir. Sıcaklığın artmasına ve dolayısıyla reaksiyon hızının artışına neden olan, kömür ile oksijen arasındaki ekzotermik reaksiyon bu olaydaki temel işlem oluşturmaktadır. Kömürün rankı, kömürün oksijen içeriği, havanın akış hızı, tane boyutu, kömürün nem içeriği ve havanın nemliliği gibi faktörler kömür yığınının kendiliğinden yanmasında önemli rol oynamaktadır (Barış, 2006). Kendiliğinden yanma olayında, kömürün tek basına oksijenle reaksiyonu, olayın meydana gelmesi için yeterli değildir. Kendiliğinden yanma olayının başlaması için fiziksel şartların da uygun olması gerekmektedir. Bu nedenle, kendiliğinden yanma; havalandırmanın kömür - oksijen reaksiyonunu sınırlandıramayacak kadar çok olduğu ya da oluşan ısının tümünü uzaklaştıramayacak kadar az olduğu durumlarda oluşmaktadır. Böyle durumlarda, belirli bir zaman geçtikten sonra bir miktar kömür kütlesi ısınarak yanma sınırına gelebilir.

3 2. KÖMÜRÜN TANIMI OLUŞUMU VE SINIFLANDIRILMASI 2.1. Kömürün Tanımı Kömür; havanın oksijeni ile doğrudan doğruya yanabilen, % 55-95 arasında serbest ya da bileşim halinde karbon içeren, bitki kalıntılarından meydana gelen, organik yanıcı bir tortul oluşumdur (Nakoman, 1971). 2.2. Kömürün Oluşumu Çoğunlukla bitkisel maddeler ya da bitki parçaları uygun bataklık ortamlarda birikip çökelir ve jeolojik süre içerisinde yeraltında kalırlar. Yerin altında, bu organik kütleler gömüldükten sonra önceleri gömülmenin oluşturduğu basınç şartları ve daha sonrada gelişen ısısal şartından etkilenirler. Bu etkilenme sonucu, söz konusu organik maddenin bünyesinde fiziksel ve kimyasal değişimler meydana gelir. Önceleri turba olarak adlandırılan ve kömürleşmenin ilk aşaması olarak bilinen bu organik maddeler, zamanla daha koyu renklere ve daha sert yapıya sahip olurlar. Sıcaklık ve basınç şartlarının bu kütlelere etkimesi sonucu, bu ortamdan, sırasıyla önceleri (turbadan-taşkömürü aşamasına kadar) su ve su buharı, karbondioksit (CO2), Oksijen (O2) ve en ileri aşamalarda Hidrojen (H2) (antrasit aşamasında) uzaklaşır. Ancak bu süreçte ideal şartlar ve ortamın ısısal şartlarının uzun bir dönem içerisinde (binlerce yıl) baskın olması ve artması gerekmektedir. Sıcaklık artışı ideal ve normal şartlar için geçerlidir. Bu şartların dışında (volkanik faaliyet, fay hareketleri, radyoaktif elementlerin bulunduğu ortamlarda) yerin ısısı, olağan üstü ve normalden çok fazla bir şekilde artmaktadır. Yerin ısısı arttıkça önceleri turba olarak adlandırılan ve kömür sayılmayan bu organik madde, önce "linyit" daha sonra alt bitümlü kömür, sonra taşkömürü, antrasit ve en sonunda şartlar uygun olursa "grafit" e dönüşür. İlerleyen bu olgunlaşma sürecine kömürleşme (Coalification) denmekte, her seviyeye de kömürleşme derecesi (Rank) olarak adlandırılmaktadır.

4 2.3. Kömürün Sınıflandırılması Enerji hammaddeleri içinde önemli bir yere sahip olan kömür, dünyada geniş rezervlere ve yaygın tüketim alanlarına sahiptir. Kömürleşme sürecinde meydana gelen basınç, sıcaklık, nem içeriği, yataklanma gibi özelliklerinden dolayı çeşitlilik göstermektedir. Bu durum birçok ülkede kömürlerin birbirine benzer özellikler ve yakın değerler temelinde sınıflandırılmasını zorunlu kılmıştır. Ülkeler kendi kömürlerinin özelliklerine ve üretim teknolojisine göre kendi sınıflamalarını yapsalar da dikkate alınan uluslararası sınıflamadır. Değişik tipte kömürlerin kullanım amaçlarına göre uluslararası sınıflandırılmasında; ilk olarak 1957 yılında çeşitli ülkelerden üyelerin oluşturduğu Uluslararası Kömür Kurulu`nca birçok ülkeden temin edilen numuneler üzerinde yapılan çalışmalar, Uluslararası Standartlar Örgütü (ISO) tarafından da desteklenerek genel bir sınıflama yapılmıştır. Bu sınıflamada; çeşitli özellikler dikkate alınmıştır. Bunlar: a) Sert kömürler; ıslak ve külsüz bazda 5700 Kcal/kg ın üzerinde kalorifik değerdedir. Uçucu madde içeriği, kalorifik değer ve koklaşma özelliklerine göre alt sınıflara ayrılırlar. b)kahverengi kömürler; ıslak ve külsüz bazda 5700 Kcal/kg ın altında kalorifik değerdedir. Toplam nem içeriği ve kalorifik değere göre alt sınıflara ayrılırlar. Uluslararası Genel Kömür Sınıflaması (1983) Çizelge 1.1 de gösterilmiştir. Çizelge 1.2. de ise Mervit (1982) tarafından yapılan Genel Kömür sınıflamasında yer alan kömürlerin tanıtıcı özellikleri verilmiştir. Çizelge 1.1. Uluslararası genel kömür sınıflaması (Coal Information Report, 1983) A.SERT KÖMÜRLER 1. KOKLAŞABİLİR B.KAHVERENGİ KÖMÜRLER KÖMÜRLER 1.ALT BİTÜMLÜ KÖMÜRLER (4165-5700 Kcal / kg (Yüksek fırınlarda kullanıma uygun kok arasında kalorifik değerde olup topaklaşma özelliği üretimine izin veren kalitede) göstermez) 2. KOKLAŞMAYAN KÖMÜRLER 2.LİNYİT (4165 Kcal / kg ın altında kalorifik değerde a) BİTÜMLÜ KÖMÜRLER olup topaklaşma özelliği göstermez) b) ANTRASİT

5 Çizelge 1.2. Genel sınıflandırmada yer alan kömürlerin tanıtıcı özellikleri (Mervit, Roy D., 1982) BİTÜMLÜ LİNYİT ALT BİTÜMLÜ KÖMÜRLER Kahverengi Siyah Koyu siyah Kırılgan, toz halinde ufalanma Oksidasyonla veya kurutma Bloksu kırılma KÖMÜRLER sonucunda ince parçalar halinde ufalanma Masif, odunsu veya üniform kilsi doku Masif Bantlı ve kompakt Isıl değer; 4610 Kcal/kg nin altında Isıl değer; 4610-6390 Kcal/kg Isıl değer; 5390-7700 arasında Kcal/kg arasında Uçucu madde miktarı ve nem içeriği Uçucu madde miktarı ve nem Uçucu madde miktarı yüksek içeriği bitümlü kömürlerden daha ve nem içeriği düşük yüksek Düşük sabit karbon içeriği Sabit karbon içeriği bitümlü Sabit karbon içeriği kömürden düşük yüksek Kömürün sabit karbon yüzdesi, kalorisi, rutubeti, uçucu madde ve hidrojen yüzdelerinin temel olarak alındığı uluslararası bir sınıflama olan ve en çok rağbet göreni Amerikan Ölçüm ve Malzeme Birliği (American Society of Testing and Materials A.S.T.M) sınıflamasıdır. Kömürleşme derecesi bu sınıflandırmanın temelini oluşturmaktadır. A.S.T.M sınıflamasında yüksek kömürleşme derecesine sahip olan kömürler sabit karbon, uçucu madde; düşük kömürleşme derecesine sahip olan kömürler ise alt kalorifik değer ve kekleşme özelliklerine göre sınıflandırılmaktadır. Bu sınıflama Çizelge 1.3. de gösterilmiştir.

6 Çizelge 1.3. Kömürleşme derecesine göre A.S.T.M. sınıflaması Sabit karbon (dmmf) Sınıf Antrasit Bitümlü Kömür Alt bitümlü kömür Uçucu madde Üst ısıl değer (dmmf) (mmmf, Btu/lb) Kekleşme Gruplar Eşit veya Daha büyük küçük Eşit veya büyük Daha küçük Eşit veya büyük Dahan özelliği küçük Meta-antrasit 98 - - 2 Antrasit 92 98 2 8 Semi-antrasit 86 92 8 14 Düşük uçuculu 78 86 14 22 Orta uçuculu 69 78 22 31 Yüksek uçuculu-a - 69 31-14000 Yüksek uçuculu-b - - - - 13000 1400 Yüksek uçuculu-c - - - - 11500 13000 10500 11500 Kekleşmez İyi kekleşir Altbitümlü-A - - - - 10500 11500 Altbitümlü-B - - - - 9500 10500 Altbitümlü-C - - - - 8300 9500 Linyit-A - - - - 6300 8300 Linyit-B - - - - - 6300 Kekleşir Kekleşmez Linyit Çizelge 1.3. de de görüleceği üzere kömürler 4 başlık altında toplanmıştır. Bitümlü kömür ve alt bitümlü kömür arasındaki fark kekleşme özellikleridir.

7 3. KÖMÜRÜN ÖZELLİKLERİ Kömürün fiziksel ve petrografik özellikleri çeşidine göre farklılık göstermektedir. 3.1. Fiziksel Özellikler 3.1.1. Nem Kömürün yapısında iki tür nem bulunmaktadır. Bunlar, kömürün bünyesinde bulunan bünye nemi ve kömürün nemli ortamlarda kalması sonucu yüzeyinde serbest sudan oluşan yüzey nemidir. Bünye nemi kömür özelliklerine ve çeşidine göre farklılık göstermektedir. Bitümlü kömürlerde bünye nemi % 1-3 arasında değişmekte iken, linyitlerde % 45 e ulaşabilmektedir. Yüzey nemi de kömürün tane boyutuna ve neme bağlı değişiklik göstermektedir. Kömürün tane boyutu küçüldükçe yüzey alanı büyüyeceğinden yüzey nemi de artmakta ve uzaklaştırılması da zorlaşmaktadır (Ateşok, 2004). Kömürün bünyesinde ve yüzeyinde bulunan nem çok istenmeyen bir durumdur. Çünkü kömürün yanması sonucu açığa çıkan enerjinin bir bölümü de bu nemi uzaklaştırmak için harcanır ve bu da istenilen enerjinin alınmasını engellemiş olur 3.1.2. Yoğunluk Kömürün bünyesinde bulunan uçucu madde içeriği, nem, kömürün yoğunluğunu etkileyen faktörler arasındadır. İçeriğindeki karbon miktarı arttıkça yoğunluk da artmaktadır. Bazı kömürlerin yoğunlukları şöyledir: Linyit : 1,20-1,30 gr / cm3 Bitümlü kömürler : 1,15-1,50 gr / cm3 Antrasit : 1,40-1,70 gr / cm3

8 3.1.3. Sertlik Kömürün sertliği türüne ve içerdiği uçucu madde vs. gibi parametrelere göre değişmektedir. Uçucu madde oranının da % 5 den % 15 e çıkması ile birlikte kömürün sertliği azalmaktadır. Kömürlerin fiziksel olarak birbirlerine göre değişiklik göstermelerinden dolayı herhangi bir kömür için belli bir sertlik sınıflaması yapmak doğru değildir. Fakat genel olarak bakıldığında linyit, kömür türleri arasında en yumuşak olanı; antrasit ise en sert olanı olarak gösterilmektedir. 3.1.4. Gözeneklilik Kömürün içindeki boşluklar çok küçük gözeneklerden oluşmaktadır. Gözenekliliği fazla olan kömürün nem alma ve hapsetme potansiyeli de artış göstermektedir. Örneğin linyitlerin gözenekliliği yaklaşık % 28-35 arasındadır. Karbon içeriği % 85 civarındaki kömürlerde gözeneklilik minimum seviyedir (Kural, 1998). 3.1.5. Öğütülebilirlik Kömürün öğütülebilirliği sertlik, mukavemet ve kırılganlık gibi özelliklerine bağlıdır. Kömürün içindeki kül içeriği öğütülebilirliğini etkilemektedir. Linyitler öğütülmeye karşı bitümlü ve yarı bitümlü kömürlere göre daha dirençlidir (Özşen, 2003). Öğütülebilirlik, kömürün petrografik yapı elemanlarının arasında farklılık gösterir. Ateşok (1986), yaptığı çalışmada öğütülebilme indekslerini; düren için % 16, klaren için % 40, vitren için % 47 ve füsen için de % 21 olarak bulmuştur. 3.1.6. Renk ve çizgi rengi Linyitlerin çizgi rengi açık kahverengi ile koyu kahverengi arasındadır. Üst sınıftaki kömürlerde ise siyahın çeşitli tonlarına rastlanır. Çizgi rengi, bitümlü kömürlerden daha düşük dereceli kömürlerde açık kahverengi ile kahverengi arasında değişir. Daha yüksek dereceli kömürlerin çizgi rengi ise siyah ve kahverengi arasındadır (Pişkin, 1988).

9 3.1.7. Ufalanabilirlik Ufalanma genel anlamda bir parçanın kendinden daha küçük parçalara bölünmesi olarak tanımlanabilir. Kömür çeşitlerine baktığımızda ufalanma özelliği en düşük olan linyittir. Ufalanma kömür türlerine göre farklılık gösterdiği gibi kömürün petrografik bileşenlerine bağlı olarak ta değişiklik gösterebilmektedir. Bu bileşenlerden füsen en zayıf, düren ise en yüksek dirence sahip bileşenlerdir. vitren, füsen den, klaren de vitren den daha dirençlidir (Ateşok, 2004). 3.1.8. Parlaklık Linyitler diğer kömür türlerine göre daha mat görünümlüdürler. Antrasit ise parlak yüzeylerinin yanında mat kısımları da bulunan bir kömür türüdür. Bitümlü kömürlerde hem mat hem de parlak yüzeylere rastlamak mümkündür. Kömürün kalitesini, parlaklığa göre karşılaştırmak yanlış olur. Çünkü mat olan bir kömür parlak olan bir kömürden daha yüksek kalorifik değere ve yanma özelliğine sahip olabilir (Özşen, 2003). 3.1.9. Mukavemet Kömürün mukavemeti kömürün türü ve içeriğindeki uçucu kül miktarıyla ilgili bir durumdur. Örneğin uçucu kül miktarı % 20-25 dolaylarında kömürün mukavemeti en düşün değeri alır (Ateşok, 2004). 3.2. Kömürün Petrografik Özellikleri Kömür, organik ve inorganik bileşenlerden oluşan heterojen yapı gösteren bir maddedir. Kömürlerin gözle görülebilir, yarı parlak, mat veya ince bantlar halindeki organik bileşenlerine litotip adı verilmektedir. Litotipleri oluşturan ve gözle görülemeyecek ancak mikroskopla görülebilen küçük bitki parçacıklarına da maseral denilmektedir.

10 3.2.1. Litotipler Kömürün makroskopik özelliklerinden biri, farklı bantlı görünüşüdür. Yataklanmaya dik kesitlerde parlak, yarı parlak, mat ya da ince bantlıdırlar ve genelde eklem sınırları, kalınlıkta 3-5 cm e kadar değişir. Aynı zamanda bu karakteristik bantlar, onların fiziksel ve kimyasal özelliklerindeki farkı gösterir. Çıplak gözle görülebilen bu bantlı bileşenlere litotip adı verilir. Günümüzde Uluslararası kömür Petrografisi Komitesi tarafından yapılan kömür sınıflandırma sisteminde kömürün petrografik elemanları Çizelge 3.1. de sunulmuştur (Stach ve diğ., 1982; Artüz, 1974). Çizelge3.1.Kömürlerin Petrografik Elemanları (Buzkan,1990) MAKROSKOBİK MİKROSKOBİK BİLEŞENLER BİLEŞENLER Litotipler Maseraller Maseral Band Bileşenler Mikrolitotipler Maseral Grup ve Mikrolitotiplerde Mikrolitotip Semboller Vitren (Parlak Kömür) Fusen (Fosil O.K) Klaren (Yarı Par. K.) Düren (Mat Kömür) Kollinit Telinit Vitrodetrinit Pseudovitrinit Makrinit Mikrinit Semifusinit Fusinit Sklerotinit İnertodetrinit Kütinit Resinit Eksudatinit Alginit Suberinit Litodetrinit Vitrinit (V) Bileşen Maseral ana Grupları Vitrit V > 95 % Vitrinertit V+1 > 95 % İnertinit (1) İnertinit 1> 95 % Eksinit (EV) (Liptinit) Liptit E >95 % Klarit Durit Duraklarit (VI) Klarodürit (IV) Klarovit (EV) V + E >95 % 1 + E >95 % V + E + I >5% 1+ E+ V > 5 % E+ 1+ V >5 % Tüm Maseralleri Kapsar 4 çeşit litotip vardır. Bunlar; Vitren: Kompakt ve homojen bir yapıda olup en parlak kömür tipidir. Camsı görünüşte, konkoidal küpler şeklinde kırılır, eli boyamaz. Bantlarının kalınlığı genellikle 3-5 mm arasındadır (Özşen, 2003).

11 Klaren: Vitrene göre daha az parlak, kompakt ve parlaklığı vitren-duren oranına göre değişen kömür tipidir. Bantlaşma yüzeylerine dik çok sayıda çatlakları olan en yaygın kömür tipidir. Düren: Mat siyah ya da kahverengimsi siyah renkte, masif bir kömür tipidir. Çok serttir, kırıldığında düzgün yüzeyler içermeyen taneler halinde ayrılır. Vitren ve klarenden daha ender olarak bulunurlar. Füsen: Odun kömürünü andıran ipliksi yapısı, siyah ve grimsi rengi, kırıldığında eli boyayan, çok kırılgan ve toz haline gelebilen bir banttır. Boşluklarında içerdiği minerallerden dolayı sertlik kazanabilmektedir (Buzkan,1987). 3.2.2. Maseraller Linyit ve bitümlü kömürlerde maseraller; vitrinit (linyitlerde huminit), liptinit (eksinit) ve nertit olmak üzere üç ayrı grupta sınıflandırılmışlardır. Üç maseral grubu farklı kimyasal kompozisyonda olduklarından, ışığı yansıtma güçleri ile ayrılırlar. Kömürleri meydana getiren maseral ve mineraller bir kömür tabakası boyunca gelişi güzel dağılmazlar. Bunun aksine, eğer etken bir kontrol altın da bulunmuyorlar ise özellikle ortamın biyolojik, kimyasal ve jeolojik işlevlerine bağlı olarak oluşur ve o ortamda birikirler ( Kural, 1998). 3.2.3. Mikrolitotipler Maseraller küçük mikro alanlarda (yaklaşık 50 mikronluk alanlarda) bile bazen tek başlarına değildirler ve diğer maseraller ile bulunurlar. Bir veya birden fazla bir arada bulunan maseral toplulukları mikrolitotip olarak değerlendirilebilirler.

12 4. KÖMÜRLERDE KENDİLİĞİNDEN YANMA OLAYI Kömür oksijen ile temas ettiği anda oksidasyon olayı başlamaktadır. Oksijen molekülleri ilk olarak kömür yüzeyine bağlanmakta (adsorpsiyon) daha sonra mikro gözeneklere ulaşarak kimyasal reaksiyon başlamaktadır. Kömür ve oksijen arasındaki bu reaksiyon ekzotermik yani dışa ısıveren bir reaksiyondur. Bu ısı ortamdan uzaklaştırılmadığı takdirde zamanla yükselmekte ve alevli yangınlara sebep olabilmektedir. 4.1. Oksitlenme Oksitlenme olayı düşük sıcaklıklarda meydana gelmekte ve artan ısı ile devam etmektedir. Oksitlenmenin ilk işareti ortamdaki oksijen tüketimindeki artıştır. 40 C nin üzerinde ekzotermik reaksiyon meydana gelmekte ve ortam ısısı da buna paralel olarak artmaktadır. Bu ısı artışı ortamdan uzaklaştırılmadığında ısı hızla yükselmekte 70 C den sonra da ortamdaki CO (karbonmonoksit) ve CO2 (karbondioksit) konsantrasyonu artmakta, 125 C de su buharı oluşmaktadır. Bu sıcaklık artışı kömürün tutuşma sıcaklığına ulaştığında ise açık alevli yangınlara neden olabilmektedir (Jones ve Townend, 1949; Kural, 1998; Biçer, 2011). Çizelge 4.1. de Demirbilek in (1986) kömürün sıcaklığa bağlı olarak değişimini gösterir çalışması; Çizelge 4.2 de kendiliğinden yanmanın meydana geliş aşamaları verilmiştir. Çizelge 4.1. Kömür-oksijen adsorbsiyonunun sıcaklığa bağlı değişimi (Demirbilek, 1986) Sıcaklık Adsorpsiyon -80 oc Fiziksel Adsorbsiyon -5 oc Kimyasal Adsorbsiyon 40 oc Kimyasal Reaksiyon

13 Çizelge 4.2. Kendiliğinden yanmanın meydana gelişi (Demirbilek, 1986; Çakır, 2003) Sıcaklık < 80 oc Kararlı kömüroksijen karışımlarının oluşumu ve ısı açığa çıkışı Destekleyen Koşullar Isının ortamdan uzaklaşmaması ve ilave oksijen geliri ile kızışmanın hızlanması Sıcaklık >80 oc Yangınlar Isının ortamdan uzaklaşmaması ve ilave oksijen geliri ile kızışmanın Isı artışı ve tutuşma hızlanması 4.2. Kendiliğinden Yanma İle İlgili Teoriler Birçok araştırmacı kömürün fiziksel özellikleri yanında kimyasal özelliklerini de incelemiş ve kendiliğinden yanma ile ilgili çeşitli teoriler ortaya koymuşlardır. Bunlar: Pirit Teorisi, Bakteri Teorisi, Oksidasyon Teorisi, Nem Teorisi dir. 4.2.1. Pirit Teorisi Kömürün bünyesinde bulunan piritin oksidasyonunda açığa çıkan ısının sonucu olarak yanma olayının meydana geldiği savunulmuştur. Kömür içerisinde piritin çok miktarlarda ve ince taneli halinde bulunması dışında kendiliğinden yanmaya etkisinin önemsiz olduğu vurgulanmıştır (Biçer, 2011). 4.2.2. Bakteri Teorisi Bazı araştırmacılar tarafından kendiliğinden yanmaya kömürün bünyesindeki bakterilerin sebep olduğu öne sürülmüştür. Bakteriyel aktivitenin ısınmaya olan katkısı tam olarak açıklanamamış olmasına rağmen yapılan çalışmalarda bakterilerin çok az ısınmaya neden olduğu belirlenmiştir.

14 4.2.3. Oksidasyon Teorisi Kendiliğinden yanma teorileri arasında en çok kabul gören teori oksidasyon teorisidir. Bu teoriye göre oksijenle temas eden kömür oksitlenmekte ve ısısı yükselmektedir. Birçok araştırmacı da kömürün havayla temasından çeşitli sonuçlar bulmuşlardır. Wade ve Eroğlu nun (Wade, 1988; Eroğlu ve Gouws, 1993) yaptığı kömür parametrelerinin oksidasyon üzerindeki etkileri araştırılmış ve Çizelge 4.3. de verilmiştir. Çizelge 4.3. Çeşitli Parametrelerin Kömür Oksidasyon Oranı Üzerine Etkisi Parametre Parametre Artışının Oksidasyon oranına etkisi Tane İriliği Azalır Sıcaklık Artar Nem Artar Ön ısıtma Artar Oksijen Artar Oksijen kısmi basıncı Artar Uçucu madde içeriği Artar Kömürleşme rankı Azalır Karbon içeriği Azalır Oksijen içeriği Artar İç nem Artar 4.2.4. Nem Teorisi Yapılan araştırmalarda kömürün nem alması sonucu bir ısının açığa çıkmış ve bunun da oksidasyon tepkime hızında bir artışa sebep olduğunu göstermiştir (Eroğlu ve Gouws, 1993; Wade, 1988). Nemli havada ısı daha hızlı yayılmakta ve kendiliğinden yanmaya daha müsait bir ortam oluşmaktadır.

15 4.3. Kömürün Kendiliğinden Yanmasını Etkileyen Faktörler Kömürün kendiliğinden yanmasında kömürün kimyasal ve petrografik özellikleri, jeolojik özellikleri ve atmosferik koşullar etkili olmaktadır. 4.3.1. Kömürün Fiziksel Kimyasal ve Petrografik Özellikleri Kömürün bünyesinde bulunan bakteriler, pirit, nem vs. ve tane boyutu gibi etmenler kendiliğinden yanma olayında rol almaktadır. 4.3.1.1. Kömürleşme Derecesi (Rank) Düşük ranklı kömürler yüksek ranklı kömürlere göre daha fazla nem, oksijen ve uçucu madde içerdiklerinden dolayı kendiliğinden yanmaya daha meyillidirler. Ayrıca düşük ranklı kömürler daha gözenekli yapıya sahip oldukları için oksijenin kömür içine sızması daha kolay olacaktır. Örnek olarak, bitümlü kömürler antrasite göre daha hızlı bir biçimde oksitlenirler (Didari, 1986). 4.3.1.2. Nem (Rutubet) İçeriği Bir kömür parçacığı nemini kaybettiği zaman yüzey çekilmeleri ve çatlaklar nedeniyle yeni yüzeyler oluşmakta ve oluşan bu yeni yüzeyler oksidasyona yatkın hale gelmektedir. Bundan dolayı düşük nem miktarının kızışmayı hızlandırdığı, yüksek nemin ise yavaşlattığını söylemek mümkün olmaktadır (Çakır, 2003). 4.3.1.3. Tane Boyutu Kendiliğinden yanmanın tane boyutuyla doğrudan ilişkisi bulunmaktadır. Kömürlerde meydana gelen oksidasyon tane boyutu ile ters orantılı olmaktadır. Tane boyutu küçüldükçe oksijen ile temas eden yüzey alanı büyüdüğünden oksidasyon daha da hızlanmaktadır. Oksijen adsorplama kapasitesi daha yüksek olan kömürler kendiliğinden yanmaya daha yatkın oldukları, Graham (1930) tarafından belirtilmektedir. Feng (1985) oksidasyon hızının, dış yüzey alanının küp köküyle orantılı olarak arttığını saptamıştır.

16 4.3.1.4. Mineral Madde İçeriği Mineral madde kömürün bünyesinde bulunan inorganik bileşenlerin tümü, kül ise kömür yandıktan sonraki arta kalan inorganik maddeler olarak tanımlanmaktadır (Çakır, 2003). Yüksek kül içeriği olan kömürler (karbon miktarı azaldığından dolayı) kendiliğinden yanmaya daha az yatkın olacaklardır. Ancak, kül içindeki kireç, soda, demir bileşikleri vb. malzemelerin oksidasyonu hızlandırıcı, alüminyum ve silis gibi malzemelerin ise yavaşlatıcı etkisi olabileceği görülmüştür (Didari, 1986). 4.3.1.5. Petrografik Yapı Kömürün petrografik bileşiminin kendiliğinden yanmayı tam olarak nasıl etkilediği hakkında kesin bir görüş bulunmasa da Vitren ve Klaren in Düren ve Füsen e kıyasla daha hızlı oksitlendikleri, bununla birlikte Füsen in diğerlerine göre daha geç bir sürede tutuştuğu belirtilmektedir (Ören, 2006). 4.3.1.6. Pirit İçeriği Kömürün yapısındaki pirit, nemli bir ortamda hava ile temas ettiğinde oksitlenebilmekte ve açığa çıkan ısı oksitlenmeye yardımcı olmaktadır. Ayrıca pirit oksitlendikten sonra şişmekte ve kömürün parçalanmasına bu da yüzey alanını artmasına neden olmaktadır. Pirit, aşağıda belirtilen kimyasal reaksiyona göre oksitlenmektedir: Bu konudaki yayınlar incelendiğinde kömürün kendiliğinden yanması konusunda piritin ikinci derecede rol oynadığı ortaya çıkmaktadır. Yukarıda ekzotermik oksidasyon tepkimesi sonucu açığa çıkan ısı kömürün oksidasyon hızını da artırmaktadır.

17 4.3.1.7. Bakteriler Bakteriyel hareketlerin kendiliğinden yanmadaki etkisi tam olarak açıklanmasa da; kuru ot yığınlarının ve ağaçların kendiliğinden yanmasının ana nedeninin bu hareketler olduğu bilinmektedir. Aynı şekilde Graham (1930) tarafından yapılan bir araştırmada; 100 ºC de ısıtılan kömür ile yine aynı kömür üzerinden alınan ısıtılmamış kömür numunesinin aynı oksidasyon eğrisini gösterdiği saptanmıştır. 100 ºC de yaşayan bakteri çeşidi olmadığı için bakterilerin kömür oksidasyonuna herhangi bir şekilde etkisinin olamayacağı ispatlanmıştır (Ören, 2006). 4.3.1.8. Fiziksel Özellikleri Kömürün fiziksel özellikleri olarak, yoğunluğu, sertliği, gözenekliliği, adsorpsiyon özelligi gibi termik özelliklerini saymak mümkündür. Bu özelliklerin hepsi kömürün kendiliğinden yanma hızını etkilemektedir. Örneğin, kömürün sertliği ufalanabilirliğini etkilemekte; ufalanabilirliği arttıkça da yüzey alanının artmasına sebep olmaktadır. 4.3.1.9. Uçucu Madde İçeriği Yapılan araştırmalar göstermiştir ki yüksek oranda uçucu madde içeren kömürlerin düşük uçuculu kömürlere oranla daha hızlı oksitlendikleri ve bu yüzden kendiliğinden yanmaya daha yatkın oldukları tespit edilmiştir. 4.3.1.10. Metan İçeriği Kömürün yapısındaki gözeneklerde metan durağan bir atmosfer ortamı yaratmakta düşük sıcaklıklarda ve oksidasyonu yavaşlatmaktadır. 4.3.1.11. Kömür Sıcaklığı Kömürün kendiliğinden yanmasını etkileyen ana etmenlerden birisi olarak kömürün sıcaklığı gösterilmektedir. Oksidasyon oranı her 10 ºC de iki kat artmaktadır (Ramlu,1991).

18 Yapılan incelemelerde oksidasyon işleminin kritik sıcaklık adı verilen değere ulasana kadar yavaş bir şekilde geliştiğini, bu değerden sonra gaz artış hızının yükseldiğini belirlemiştir. Bu kritik sıcaklık değeri her kömürde farklı bir değerde olabilmektedir. Genel olarak bu sıcaklığın değerinin 30-70 ºC arasında değiştiği ifade edilmektedir. Şekil 4.1 de sıcaklık artısıyla beraber oksijen azalması ve CO değişimi gösterilmektedir. Şekil 4.1. Sıcaklık artısına bağlı olarak oksijen azalması ve CO derişimi (Ören, 2006) 4.3.2. Jeolojik özellikleri 4.3.2.1. Damar kalınlığı ve eğimi Kömürün damar kalınlığı arttıkça ısıl iletkenliği azalmakta ve buna bağlı olarak kömür bünyesindeki ısı birikimi sonuçta da kendiliğinden yanmaya yatkınlık artmaktadır. Damar kalınlığı arttıkça kendiliğinden yanma riski de artmaktadır. Genellikle kalın damarların kazılması için uygulanan blok göçertmeli sistem sonrasında göçükte üretilmeden bırakılan kırık kömürler de kendiliğinden yanmaya ortam hazırlamaktadır. Yüzeye yakın çalışma alanlarında da hava kaçaklarının kontrol edilememesi sebebiyle de yine kendiliğinden yanma riski artmaktadır.

19 Damar eğiminin artması sonucunda kendiliğinden yanmanın arttığı gözlemlenmiştir. Bunun sebebi olarak da eğimi fazla olan kömür damarlarındaki üretim kayıpları kendiliğinden yanmayı tetiklemesi olarak gösterilebilir. Ayrıca artan eğimle birlikte kömür damarı üstüne binen yüklerde artmakta, bu da kömürün kırılmasına ve kömür yüzeyinde serbest yüzeylerin oluşmasına neden olmaktadır. Yüzey alanı artışı ile birlikte kendiliğinden yanma riski de artmaktadır (Ören, 2006). 4.3.2.2. Faylar ve çatlaklar Faylanmalar sonucu oluşan çatlaklar hava geçirgenliğini arttıracağından oksidasyona sebep olacaktır. Fay zonlarındaki ve topuklardaki gerilmeler fazla olduğundan kömür daha gevrek, çatlaklı ve küçük taneli haldedir. Bu da oksidasyonu arttıracağından kendiliğinden yanma daha kolay gerçekleşecektir. 4.3.2.3. Derinlik Derinliğin artmasıyla birlikte kömür tabakasının üstüne gelen kayaç basınçları artmaktadır. Artan bu basınç kömür tabakalarının kırılmasına ve kömür yüzey alanının büyüyerek kendiliğinden yanmasına neden olmaktadır. Ayrıca derin ocaklarda jeotermik gradyan artacağından kömür sıcaklığı ve ortam sıcaklığı daha fazla olacaktır. 4.3.3. Atmosferik Koşullar 4.3.3.1. Ortam sıcaklığı Kendiliğinden yanma da ortam sıcaklığının önemli bir etkisinin olduğu kabul edilmektedir. Jeotermal gradyan, diğer sahalardaki yangınlar vs. kendiliğinden yanmayı etkilemektedir. 4.3.3.2. Havadaki nem miktarı Rutubeti fazla olan ocaklarda kızışma daha çok görülmektedir. Ayrıca kömür stoklarındaki kızışmalarda yağmurlu havalardan sonra daha fazla olmaktadır. Bunun

20 sebebi olarak da havadaki nemin kısmi basıncının yüksek olması durumunda kömür nemi almakta ve sonuç olarak da ısı açığa çıkmaktadır. 4.3.3.3. Oksijen derişimi Farklı kömürler üzerinde 100 ºC nin üzerinde yapılan deneyler, oksijen derişiminin % 1-20 arasında değişen oranlarda oksijen adsorplama yeteneğinin oksijen derişimin 0,66 kuvveti ile doğru orantılı olduğunu gösterirken; bu oranın % 20 lerin üzerine çıkması durumunda oksidasyon hızı azalmakta olduğunu belirtmektedir (Kröger ve Beıer, 1962; Güney, 1968).

21 5. KENDİLİĞİNDEN YANMANIN TESPİT EDİLMESİ VE KULLANILAN YÖNTEMLER Bir kömür stoğunun kızışması, oksidasyon için yeterli oksijenin ortamda bulunduğunu ve açığa çıkan enerjinin taşınamadığını gösterir. Kızışmaya engel olmak için yığın uygun şekilde havalandırılarak soğutulmalı, bu mümkün olmadığı takdirde de kızışmanın daha da ilerleyerek yanmaya sebep olmaması için havanın yığının içlerine doğru girmesine engel olmaya çalışılmalıdır. Kömürün kızışmaya başlamasında çeşitli belirtiler gözlemlenmektedir. Bu belirtiler fiziksel ve kimyasal belirtiler olarak ikiye ayrılmaktadır. 5.1. Fiziksel Belirtiler 5.1.1. Kömür ve çevre kayaçlarda görülen terleme Kömür sıcaklığının etkisiyle kömürde su buharı oluşmaktadır. Oluşan su buharının artmasıyla kömür üzerinde ve yan kayaçlarda terleme ve su buharı gözlemlenebilmektedir. Nem içeriği % 5 ten küçük kömürlerin bulunduğu ocaklarda terleme gözükmesi, kızışma belirtisi olarak gösterilebilmektedir (Ören,2006). 5.1.2. Duman Duman kömür kızışmaya başladığı anda açık mavi renkte görülmektedir. Kömürün tutuşma sıcaklığını aştığı anda dumanın rengi koyulaşmakta ve fazlalaşmaktadır. Dumanın koyulaşmasıyla bölge tahliye edilmelidir. Şekil 5.1 de çalışma alanı olan Park Termik A.Ş. nin stok sahasında duman çıkışı görülmektedir.

22 Şekil 5.1. Park Termik stok sahasında ısı artışı nedeni ile duman gözlenmesi 5.1.4. Ses Bazen kömür tabakasında, dolgularda ve yan kayaçlarda duyulabilen çatırdama sesleri yangın başlangıcını işaret edebilmektedir. 5.1.5. Koku Kızışma olayı sonucunda birçok gaz açığa çıkmaktadır ve bu gazların kendilerine özgü kokuları vardır. Bu kokular sayesinde kendiliğinden yanma daha kızışma aşamasında tespit edilebilmektedir. Bu da genellikle egzoz gazları şeklindedir. Japon araştırmacılar tarafından geliştirilen bir çeşit koku sensörü sayesinde de ocak gazlarının yoğunluğu ölçülmekte ve bu yoğunluğa göre kendiliğinden yanmanın erken tespiti üzerinde çalışmalar yapılmaktadır. 5.1.6. Sıcaklık artışı Oksidasyon olayı ekzotermik bir reaksiyondur ve bunun sonucunda kömür sıcaklığı gitgide artmaktadır. Yapılan çalışmalar göstermiştir ki ülkemiz linyitleri yaklaşık olarak 70 ºC ye kadar yükselmekte, sonrasında kuluçka evresi denilen sabit bir sıcaklıkta devam etmekte ve daha sonra aniden çok hızlı bir şekilde sıcaklık yükselmesi ve sonrasında kendiliğinden yanma olayı meydana gelmektedir.

23 5.1.7. Kızışmanın kimyasal belirtileri Kömür oksidasyonunda CO (karbonmonoksi), CO2 (karbondioksit), CH4 (metan), C2H6 (etan) ve H2O (su buharı) gibi gazlar açığa çıkmaktadır. Bu gazların niteliği oksidasyonun aşamasını göstermektedir. Özellikle CO konsantrasyonun artan sıcaklıkla artması, dolayısıyla bu gazın artışı kendiliğinden yanmanın en büyük göstergesi olarak kabul edilmektedir. Yeraltı üretim çalışmalarında gaz dedektörleri sayesinde gaz derişimleri ölçülebilmektedir. Dolayısıyla bu cihazların kalitesi, ölçümlerin hassasiyeti konusunda ve ocak yangınlarına karşı büyük önem taşımaktadır. 5.1.8. Kendiliğinden yanma ile mücadele yöntemleri Kendiliğinden yanma riskini tahmin etmek, ocak ve stok yangınlarına karşı önlem almak için çeşitli çalışmalar vardır. Bunları üretim ve stok sahalarında yapılabilecek çalışmalar olarak iki başlıkta toplayabiliriz. 5.1.9. Planlama ve üretim sırasında yapılabilecek çalışmalar Planlama döneminde kömür damarının fiziksel, kimyasal ve petrografik analizleri yapılarak kömür damarının kendiliğinden yanmaya karşı yatkınlığı belirlenebilmektedir. Ayrıca daha önce bu damarda açılan diğer panolardaki tecrübeler de yangına karşı gerekli önlemlerin alınması konusunda fikir vermektedir. Üretim sırasında uzun ayak yöntemi kullanılacaksa, geri dönümlü uzun ayak yöntemi kullanılarak hava kaçaklarının minimuma indirilmesi sağlanmalıdır. Ayrıca üretim sonrası oluşan boşluklar dolgu malzemesi ile doldurularak bu boşluklara hava sızıntısının önlenmesi sağlanmalıdır. Ayak uzunluğunun kısa olması ve üretimin hızlı olması da kömürün kendiliğinden yanma için yeterli sıcaklığa ulaşmasını engelleyecektir. Kendiliğinden yanmanın tespitinde en büyük etken olan gazlar düzenli bir şekilde donanımlı ekipmanlarla ölçülmeli ve tüm madencilik faaliyetlerinde olduğu gibi havalandırma konusunda oldukça dikkat edilmelidir. Yangın riskini ortadan kaldırmak için mutlaka havalandırma basınç farklarının minimuma indirilmesi gerekmektedir.

24 Mümkün olduğunca kesit daralmalarına neden olan hava kapılarının ve regülâtörlerin gerekmedikçe kullanılmamalarına özen gösterilmelidir. Kızışma meydana geldiğinde yapılabilecek en iyi yöntem hava ile teması kesmektir. Böylece kızışmanın daha da ileri seviyelere ulaşması önlenebilir. Hava ile teması kesmekte aşağıdaki yöntemler kullanılabilir (Erkan, 1964). Kızışma olan bölge ve kazı sonrası göçüğe bırakılan bölge çimento, ramble (çimento + kül), macun gibi sızdırmaz özelliğe sahip maddelerle doldurulmaktadır. Çalışılan bölge müsaitse kızışan kısım su ile doldurulabilir. Burada önemli olan nokta suyun yangın bölgesi dışına çıkmamasıdır. Yöntemin dezavantajı ise bölgede su gazlarının meydana çıkması ve tehlike biten bölgede aşırı nemden dolayı tekrar kızışma yaşanabilmesidir. Kızılötesi cihazlar yardımıyla tespit edilen kızışan bölge kazılarak uzaklaştırılmakta ve açığa çıkan yeni yüzey hava sızdırmaz maddelerle sıvanmalıdır. Kazılan kömür ise biran önce bölgeden dışarı çıkarılmalıdır. Kızışan bölgeye azot, karbondioksit veya yangın gazlarının enjekte edilerek oksijen derişiminin düşürülmesi sağlanır. Yangın bölgesi baraj ile kapatılmakta ve baraj içerisine bu gazlar enjekte edilmektedir. Bu yönteme hacimsel inertizasyon denilmektedir. Burada önemli olan etken barajın sızdırmazlığıdır. Bir diğer yöntem ise bölgesel inertizasyondur. Bu yöntemde de yangın merkezine hava akımı yerine inert gazlar pompalanmakta ve kızışma önlenmeye çalışılmaktadır (Erkan, 1964). 5.1.10. Stok sahalarında yapılabilecek çalışmalar Stok sahalarında yapılabilecek çalışmaları maddeler halinde sıralarsak; Arazi tesviye edilmiş, drenajı yapılmış, sıkıştırılmış ve yığına hava girmesine engel olabilecek bir tesis yapılmalıdır. Zeminin beton ve düz olması daha iyidir. Yığın ısı kaynakları yakınında olmamalıdır. Yığın yerlerinin temiz olmasına dikkat edilmelidir. Eski kömür kalıntıları, kâğıt vs. gibi pislikler tutuşmaya neden olabilir. Kolaylıkla tutuşabilen kömürler kapalı depolarda veya hendeklerde stoklanmalıdır. Ayrı cins kömürler ve stoklanmamasına dikkat edilmelidir. farklı tane boyutundaki kömürlerin beraber

25 Yığınlar hava girişine olanak vermemesi için mümkün olduğunca sıkı yapılmalıdır. Yığınlar dikdörtgen prizma (yamuk), konik veya piramit şeklinde yapılmalıdır. Kömür yüksekliği çeşitli kömürler için aşağıdaki sınır yüksekliğini geçmemelidir. Genel olarak bakıldığında ise 6 m yi geçmemelidir. - antrasit, kok, taş kömürü: 6-10 m - ince kömür: 5-10 m - linyit: 4-8 m Oksidasyon olayının yığın yüksekliğiyle ilgisi olmadığı ancak yığın büyüdükçe kızışmaya elverişli alanlar çoğaldığı Erkan (1964) tarafından ifade edilmiştir. Yığında havalandırma değişmeleri ve kurutma yapılmamalıdır. Kömürü havalandırmak için borular kullanılmalıdır. Mümkünse aralıklarla yığın sıcaklığı belli aralıklarla ve aynı noktalardan ölçülmelidir. Şekil 5.2. Uygun kömür yığını oluşturulması (Erkan, 1964)

26 Yukarıdaki anlatılanlarda görüldüğü üzere gerek planlama ve üretim sırasında gerekse depolama işlemlerinde kömürün kendiliğinden yanmasını engellemek amacıyla dikkat edilmelidir. 5.2. Kullanılan Laboratuvar Yöntemleri Kömürün kendiliğinden yanmasında önemli faktörlerin başında kömür faktörü, jeolojik ve madencilik faktörlerinin geldiği söylenebilir. Bhattacharya (1981) kendiliğinden yanmanın toplam riskinin bu üç faktörün çarpılmasıyla bulunabileceğini ifade etmiştir. Toplam Risk: Kömür Faktörü x Jeolojik Faktör x Madencilik Faktörü Şeklinde ifade edilebilmektedir (Kaymakçı, 1998). Kömürlerin kendiliğinden yanmaya yatkınlıklarının araştırılmasında kullanılan yöntemleri iki ana başlık altında toplanmaktadır. Bunlar laboratuvar yöntemleri ve pratik yöntemlerdir. Bu yöntemlerde, kömür numunelerinin hem oksijen tüketim kapasiteleri ve hızları incelenmekte, hem de çeşitli kimyasal oksitleyici maddelerle işleme tabi tutulmasıyla kendiliğinden yanmaya yatkınlıkları saptanmaktadır (Didari, 1986; Çakır dan, 2003). 5.2.1. Statik izotermal yöntem Bu yöntemde bir yağ banyosu içerisine 100 gr kömür örneği konulmakta ve bu banyonun sıcaklığı saat baslarında 25 ºC arttırılmaktadır. 8 saatlik süre boyunca kömürün sıcaklığı 200 ºC ve üstüne çıkartılır. Deney süresince kömürün ve yağ banyosunun sıcaklıkları düzenli olarak kaydedilir ve ortaya çıkan gazları analiz etmek için bir gaz kromatografı kullanılır. Sonuçta kendiliğinden yanma yatkınlığını belirlemek amacıyla bir S indeksi hesaplanır....(5.1)

27 Denklem 5.1 de verilen; S : kendiliğinden yanma yatkınlık indeksi h1 : 125 ºC deki oksijen tüketimi h2 : 150 ºC deki oksijen tüketimi h3 : 175 ºC deki oksijen tüketimi x1 : 125 150 ºC arasındaki CO2 artışı x2 : 150 175 ºC arasındaki CO2 artışı İndeks hesaplanmasından da görüleceği üzere, hesaplamanın yapılabilmesi için 3 farklı sıcaklıkta oksijen derişiminin ve bu verilen sıcaklık aralıklarındaki CO2 artışının ölçülmesi gerekmektedir. 5.2.2. Dinamik oksidasyon yöntemi Bu yöntem sabit sıcaklık altında, kömürün oksidasyonu sonucunda açığa çıkan gazların değişimini belirlemek için kullanılmaktadır. 100 gr lık kömür örneğinin bulunduğu reaksiyon tüpü sabit sıcaklığa sahip bir yağ banyosu içine batırılmaktadır. Kömür örneğinin sıcaklığını ortam sıcaklığı ile aynı seviyede tutmak için bir sıcaklık kontrol cihazı kullanılır. Kullanılan termoçiftler sayesinde numunenin sıcaklığı ölçülmektedir. Daha önceden ısıtılmış olan hava dakikada 15 ml lik akış hızıyla örnek üzerinden geçirilmektedir. Yaklaşık bir saat sonra CO ve CO2 gazlarının değişimi izlenir ve bu dakikadan itibaren gazların sabit bir değer aldığı ve değişim göstermediği gözlemlenir (Ören, 2006). 5.2.3. Kimyasal yöntem Bu yöntem, oksidasyondan dolayı azalmış olan kömürün tutuşma noktasına dayanan bir yöntemdir. Tutuşma sıcaklığından yatkınlık indeksi ve oksidasyon şiddeti tespit edilir. Buna göre:.(5.2)

28 Denklem 5.2 de verilen ; T : Kömürün ocaktan geldiği parlama sıcaklığı (ºC) TO: Tamamen oksitlenmiş durum sıcaklığı (ºC) TR : Tamamen indirgenmiş durum sıcaklığı (ºC) ifade etmektedir. Denklem 5.2 den yararlanılarak; TR değerinin 10 dan küçük olması durumunda kendiliğinden yanma riskinin olmadığı, bu değerin 10 ile 25 arasında olması durumunda kömürün kendiliğinden yanmaya az yatkınlığı olduğu, 25 ten büyük olması durumunda ise çok yatkın olduğu seklinde bir sınıflama yapılmıştır (Ören, 2006). 5.2.4. Adyabatik oksidasyon yöntemi Bu yöntem çok eski bir metottur ve genelde kömürün kuluçka periyodunun tespitinde ve artan sıcaklıkla meydana gelen değişimler incelenmiştir. Bu yöntemde 100 gr kömür numunesi dış ortamdan tamamen izole edilerek hava sızdırmaz bir kap içine konmakta ve bu kapta ısıtmalı yağ banyosuna yatırılmaktadır. Kap içerisinden ön kurutması yapılmış hava 15 ml/dk hızla geçirilmekte ve zamansıcaklık ilişkileri eğrilerle ifade edilmektedir. 15 dk aralıklarla gaz örnekleri alınır ve numune ve yağ banyosu arasındaki sıcaklık farkı da termoçiftler yardımıyla ölçülmektedir. Kömürlerin adyabatik oksidasyon tekniğine göre yanma risk sınıflaması Çizelge 5.1. de gösterilmiştir. Çizelge 5.1. Adyabatik teste göre kömürlerin risk sınıflaması Adyabatik oksidasyon test sonuçları Risk sınıflaması Risk oranı İl sıcaklık değeri Toplam sıcaklık ( oc / saat) artışı Düşük risk < 0.6 <2.5 1 Orta risk 0.6-1.2 2.5-4.5 2 Yüksek risk 1.2-2.0 4.5-7.0 4 Çok yüksek risk > 2.0 >7.0 8