AÇIKOCAK MADENCİLİĞİNDE PATLATMA Doç. Dr. Deniz MAMUREKLİ 5 Fırat TEKİN 6 Erkan HAFIZOĞLU ÖZET Açıkocak ve taşocaklarında, yeraltındaki cevherin işletilmesi örtü tabakasını oluşturan kayaçların çoğunlukla uygun patlatma işlemleri kullanılarak gevşetilmesi yapılır. Arzu edilen patlatma sonuçlarına erişimin, bu işlemi takip eden süreçleri de doğrudan etkilemesi beklenir. Bu nedenle, çoğu zaman kolay kontrol edilebilen ve bölgeye özel patlatma programı gereklidir. Bu süreçler sırasında giderek artan patlayıcı tüketimi patlatma-kaynaklı çevresel etkilerin kontrolünü önemli hale getirmektedir. Oluşan rahatsızlıklar nedeni ile yapılan şikayetler, patlatma bölgesi çevresindeki yerleşimlerin artmasına paralel olarak, fazlalaşarak sorumluları bu yan etkiler üzerinde daha sıkı tedbirler almaya zorlamaktadır. Bu şikayetler ani patlatma şoku, toz ve çoğunlukla yer sarsıntıları nedeni ile gelmektedir. Bu makalede, patlayıcılar hakkında özet bilgi, patlatma teorisi hakkında bilgi verilmektedir. Bunun yansıra, patlatma tasarımı üzerinde etkili, güncel teorik ve pratik eşitliklerle ilgili, birçok faktör verilmektedir. Patlatmanın sonuç etkileri olarak, gürültü, toz ve titreşim problemleri ve bu problemlerin kontrolünde alınması gerekli tedbirler özetlenmektedir. Anahtar kelimeler: Açıkocak, patlatma teorisi, patlatma tasarımı. ABSTRACT In open-pit mines and quarries, mining of ore beneath overlying burden is mostly performed by the help of appropriate blasting processes in easing of the excavation of adjacent rock. Reaching to required blast outcomes is expected to affect the succeeding processes, directly. Therefore an easy control and site specific blast program is necessary, most of the time. The control of blast-induced impacts on environment becomes important with ever-increasing consumption of explosives during these processes. The complaints against the disturbances increase with the same rate of urbanisation around the blast sites enforcing the responsible executives to take more stringent actions on these side-effects. These complaints come from instantaneous blast shock, dust and mostly subsequent ground vibration impacts. In this article, brief information on explosives, blasting theory and blast-induced impacts on environment are described. Besides, many effective factors on blast design related with theoretical and/or practical equations up to date are also given. As aftermaths of blasting, noise, dust and vibration problems and precautions to control these problems are summarized. Keywords: openpit, blast theory, blast design. 5 Doç. Dr. Celal Bayar Üniversitesi, SMYO, Soma, 45500 Manisa 6 Öğr. Grv.Celal Bayar Üniversitesi, SMYO, Soma, 45500 Manisa
1. GİRİŞ Bütün sektörlerde olduğu gibi madencilik sektöründe de talebi karşılamak amacı ile üretim artışına olan ihtiyacın büyümesi tipik bir özellik olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu üretim artışının karşılanması için açık-ocak madenciliğinde gittikçe artan kapasiteli kazı makinelerinin kullanımı tercih edilen bir yöntem halini almıştır. Bu malzemenin en ekonomik şekilde yüklenmesi ve taşınması işlemleri ise, kazı makinelerinin yükleme işleminden önce yapılması gerekli olan hazırlık işlerinin çok daha etkin ve ekonomik olarak yapılmasına ve bu çalışmalardan en fazla yararın sağlanmasına bağlıdır. Hazırlık aşamasında özellikle sert örtü tabakalarının kazılabilirliği için kullanılan en temel yöntem "Patlatma İşlemi" yardımı ile kayacın parçalanarak gevşetilmesi ve kazı makineleri için uygun boyutlu kırılmış kayaç (pasa) hazırlanmasıdır. Ayrıca, patlatma işleminin temel bir işlem olması nedeni ile, patlatma ekonomisini etkileyen her parametrenin aynı zamanda bütün madencilik maliyetlerini de doğrudan etkilemesidir. Bu nedenle patlatmaya ilişkin yapılacak çalışmalar, patlatma işleminden en fazla yararı sağlayarak en iyi parçalanmayı elde etmek ve patlatma sonucu çevreye verilebilecek zararın minimum düzeye indirilmesi alanlarında yoğunlaşmış durumdadır. Bu nedenle, öncelikle patlatma teorisinin iyi bilinmesinin yanı sıra patlatma tasarımı ve uygulama konusunda yeterince deneyimin olması ayrıca önem taşımaktadır. Bu çalışmada öncelikle patlatma işlemi, patlayıcılar, ateşleme sistemleri hakkında geriye yönelik bilgiler aktarılmaktadır. 2. PATLAYICI MADDELER Kimyasal patlayıcı maddeler, ısı, darbe veya sürtünme sonucu çevreden herhangi bir elemanın, kimyasal katkısı olmadan çok hızlı bir reaksiyona giren, genellikle gaz ürünler vererek ortam basıncında ani ve yüksek değişimlere neden olan (patlama), organik veya inorganik bileşimlerdir. Kimyasal patlayıcı maddeleri 3 değişik grup içersinde sınıflandırmak mümkündür (Tablo 1).
Kimyasal Patlayıcı Madde Sınıflandırması Yüksek Şiddetli Patlayıcı Dinamit, RDX, PETN, TNT, C-4 Aseton peroksit Orta Şiddetli Amonyum Nitrat NH 4NO 3 Düşük Şiddetli Yanıcı Nitroselüloz Barut Pamukbarutu Balistit Kordit N Barut: BİR Amonal: OKSİTLEYİCİ İLE BİR YAĞ ANFO: KARIŞIMLARI Çedit: Kimyasal Formül Pat. Duyarlılık Hızı Açıklama M/S PATLAMA ÇEŞİDİNE GÖRE Bir şok veya ısı etkisi ile tetiklenerek süpersonik hızlarla yanan, yüksek parçalama etkisine sahip patlayıcılar KNO 3 + odun kömürü + S Yüsek azot içerikli nitroselüloz nitroselüloz + nitrogliserin + stabilizatör difenilamin Çok Düşük Nitroguanidin+nitroselüloz + nitrogliserin MATERYAL BİLEŞİMİNE GÖRE KNO 3 + odun kömürü + S NH 4NO 3 + Al (toz) NH 4NO 3 + fuel oil ClO 3 veya Cl 2O 5 ve yağ Genelde gübre olarak kullanılan ancak yüksek şoklarla tetiklenerek patlayıcı etkisi gösteren genelde gaz basınçları yüksek patlayıcılar. Genelde patlama(detonasyon) dalgası şeklinde yayılmayan fakat yanarak (deflagrasyon) kimyasal sürecilerini tamamlayan patlayıcılar. Not edilmesi gereken bir durum da bazı patlayıcı maddelerin heriki kategoriye birden dahil olabileceğidir. Örnek olarak, nitroselüloz ateşlendiğinde yanar, fakat kuvvetli bir başlatıcı ile ateşlenirse patlar. Diğer bir örnek, barut serbest halde ateşlendiğinde yanarken, muhafaza altında ateşlendiğinde patlar Patlama dalgası şeklinde yayılmayan fakat yanarak (deflagrasyon) sürecilerini tamamlayan kimyasallar. (Dumansız yanıcılar) roket yakıtı olarak kullanılır, ışık ve duman çıkarark yanar ve yüksek hazimde artık gaz ürünü verir. Hava taşıtı top mühimmatı olarak kullanılır. Dinamit Stabilizatör olarak SiO2 tozları ve reçine ile karışık Nitrogliserin RDX C 3H 6N 6O 6 8500 Düşük Cyclonite veya gerçek kimyasal ismi cyclotrimethylenetrinitramin dir. RDX genellikle diğer patlayıcılarla karıştırılarak askeri veya sivil amaçlı diğer patlayıcıların yapımında, C-4 ve GENELDE BİR Semtex, kulanılır. DENGELEYİCİ PETN C 5H 8N 4O 12 8300 Orta pentaerythritol tetranitrate alevle İLE KARIŞIK açık havada yanarken küçük bir SAF şok darbei ile patlayan ve KİMYASAL kapsülerde ve booster olarak diğer BİLEŞENLER duyarlılığı düşük patlayıcılarla karıştırılarak kullanılır. TNT 7028 Çok Trinitrotoluen, diğer patlayıcılara C 7H 5N 3O 6 Düşük temel teşkil eder. C-4 Düşük Askeri amaçlı Plastik patlayıcı Birincil Patlayıcılar Aseton peroksit Aseton + H 2O 2 + H 2SO 4 C 9H 18O 6 5300 Çok yüksek Yüksek şok ve ısı duyarlı olup profesyonel kimyacılar için bile yaralanma tehlikesi oluşturur. MATERYAL HASSASİYETİNE GÖRE Son derece hassas olup patlatılmaları için çok az enerjiye gereksinim vardır. Genellikle, ikincil patlayıcıların ateşlenmesini sağlayan başlatıcı olarak kullanılırlar.
İkincil Patlayıcılar 7260 Orta Trinitrophenylmethylnitramine, patlayıcı gücü TNT den fazla Tetril C 7H 5N 5O 8 olmasına rağmen genelikle kararsızdır, ancak patlayıcı kapsüller içinde kullanılabilir. Kurşun azid Pb(N 3) 2 4500 Yüksek Cıva fulminate Hg(ONC) 2 4000 Çok yüksek Patenti ilk olaraka Alfred Nobel tarafından 1867 de patlatma kapsülü olarak alınmıştır. 4900 Yüksek Kurşun trinitroresorcinat olarak da isimlendirilir ve elektrik akımı Kurşun stefenat PbC 6H(NO 2) 3O 2 veya alev ile ateşlenmesini geliştirmek amacı ile genelde Pb(N 3) 2 ile birleştirilir.? Yüksek 1-guanyl-4- nitrosoaminoguanyltetrazene, kapsüller için veya patlayıcı olarak Tetrazen C 2H 8N 10O tek başına kullanımı uygun olmayıp booster olarak veya capsüllerde diğer patlayıcı maddelerle karışık olarak kullanılır. Heksanitromanitol (C 6H 2(NO 2) 3) 2NH 6900 Düşük DDNP C 6H 2N 4O 5 6900 Yüksek Diazodinitrophenel Kısmen hassas olup patlatılabilmeleri için önemli miktar başlatma enerjisi veren detonatörler gereklidir. Birincil patlayıcılara göre daha fazla güce sahip olduklarından yıkım, parçalama gibi işlemlerde kullanılırlar. Dinamit 7028 Çok Trinitrotoluen, Amatol, pentolit, Düşük tetritol, torpex, tritonal, pikratol, TNT C 7H 5N 3O 6 ednatol gibi birçok patlayıcının ana maddesidir ve Triton, Trotyl, Trilit, Trinol ve Tritolo gibi isimlendirilir. 8500 Düşük RDX birçok diğer patlayıcı bileşenleri, hassaslık gidericiler RDX Cyclotrimethylenetrinitramin veya plastiklik verici maddelerin karışımlarından oluşmuştur ve askeri amaçlı patlayıcılar için temel oluşturur. 8300 Orta Bilinen en kuvvetli patlayıcılardan biridir. Sürtünme ve şoka karşı TNT veya TETRİL göre daha hassas olup asla tek başına PETN Pentaerythritoltetranitrat patlayıcı olarak kullanılmaz. Çeşitli patlayıcıların birincil patlayıcısı olarak ve PRIMAKORD un çekirdek patlayıcısı olarak kullanılır. HBX-1 ve HBX-3 olarak RDX, TNT, toz aluminyum, ve Kalsiyum HBX Klorit karışımlı patlayıcılar olup askeri amaçlı roket savaş başlıkları ve sualtı ordudonatım malzemesi kullanılır. Amonyum Nitrat NH 4NO 3 Çok Düşük 7480 Orta 2,4,6-trinitrophenol Picric acid is Pikrik Asid C 6H 3N 3O 7 both a useful explosive compound and a precursor to other explosives Today picric acid is more suited to detonators or booster charges Pamukbarutu Yüsek azot içerikli nitroselüloz Düşük En ucuz patlayıcılardan biridir Jelignit nitroselüloz un nitrogliserin içersinde çözünerek içersine ağaç tozu ve NaNO 3 veya KNO 3 ilavesi ile oluşur ve büyük çapta inşaat ve madencilik sektöründe kullanılmaktadır. Detanatörsüz patlamaz sadece yanar. Bu nedenle emniyetle depolanır. 1875 de Alfred Nobel, bulunmuştur. tarafından
Materyal hassasiyetine göre (kimyasal reaksiyon başlatılabilmesi gerekli olan en az enerji miktarı); Birincil Patlayıcılar, (örnek:, (,,,,). İkincil Patlayıcılar, (örnek:,,,,,, tetril,,, jelignit) içersinde başlıca iki grupta sınıflandırabiliriz. Bu tip patlayıcılar aşağıdaki gibi açıklanabilir: 1 Düşük patlatma sonrası basınca sahip olan, yanma sonucu etki gösteren patlayıcılar 2 Yüksek patlayıcılar, son derece hızlı reaksiyon hızına, yüksek delik içi basıncına sahip patlayıcılar 2.1. Birincil patlayıcılar; Nitrogliserin, nitrotoluen gibi patlayıcılardır. Bunlar durağan olmayan bileşikler içerirler ve patlatma duranlılığı yüksek olan maddelerdir. Kapsüller, başlatıcılar bu gruba girerler. 2.2. İkincil patlayıcılar; Dinamit türü patlayıcılardır. Bu grupta yer alan patlayıcılar, birincil patlayıcılara ihtiyaç duyarlar. 2.3. Üçüncül patlayıcılar; Kuru patlayıcı maddeler ve sıvı patlayıcı maddeler bu gruba girerler. Hem birincil hem de ikincil patlayıcılara ihtiyaç duyarlar. ANFO bu grupta yer alan patlayıcılara bir örnek olarak gösterilebilir. ANFO; %96 Amonyum nitrat, %4 Fuel-oil'den oluşur. ANFO çok iyi uygulanırsa dinamitin %60'ı kadar bir etki yaratabilir. Emniyet ve ekonomi açısından tercih edilir. Normalde patlatıldığında 927 kcal/kg'lık bir enerjiye ulaşılır. İçine alüminyum katılırsa ısıl değeri artar, 1470 kcal/kg'a çıkar.anfo'nun yoğunluğu 0.9-1.0 arasında değişir. ANFO'nun verimli bir patlayıcı madde olarak kullanılabilmesi için; homojen bir mazot karışımı, optimum detonasyon hızını verecek bir yoğunluk ve kesiksiz, akıcı granüllerden oluşan görünüm özelliklerinin yerine gelmesi beklenebilir. Bu son özellik için, patlatma amacı ile kullanılacak amonyum nitrat, gerekli kimyasal maddeler ile kaplanmış, poroz granüller halinde üretilmesi yoluna gidilmiştir. Yani, amonyum nitrat prilleri kullanımı gündeme gelmiştir. Pril sisteminin oluşturulması amacı ile amonyum nitrat, 25-30m. Yükseklikteki silindirik kulelerden su ile karıştırılarak püskürtülür. Isı ve düşmenin etkisi ile buharlaşma sonucu amonyum nitrat üzerinde delikli, gözenekli bir yapı oluşur. Bu yüzey alanı çok fazla olan yapıya "pril yapısı" denir. Bu yapı sayesinde, reaksiyon miktarı artar, kritik çap azalır. Slurry tip patlayıcı; çok verimli ve güvenli bir patlayıcı olan ANFO'nun tek zayıf noktasının suya karşı olan dirençsizliği nedeni ile bu dezavantajı ortadan kaldırmak için kullanılan patlayıcı maddelerdir. Torba haline getirilmiş, pompalanabilir haldedir. İçine hava kabarcığı da katılabilir. Özellikle sulu deliklerde kullanılan, etkin bir patlayıcıdır. Dezavantajı; pahalı olması ve kalori değerinin düşük olmasıdır (760 kcal/kg gibi). Reaksiyon mekanizması daha yavaş olduğu için patlatma basıncı bir anda gelip geçici değil, daha durağandır. Ayırma gücü çok daha etkindir. Çok masif, sağlam kayaçlar için değil, orta sertlikteki ortamlarda kullanılır. Slurry tip patlayıcılarda ana elemanlar; TNT ve sudur. Bu karışıma bazı kimyasal maddeler ve hava kabarcığı da eklenebilir. Emülsiyon patlayıcılar; Suya dayanıklı amonyum nitrat esaslı patlayıcı üretebilme çabaları sonucu gündeme gelmiş olan patlayıcılardır. Bu tip patlayıcıların içeriğinde; %90 NH 4 NO 3 + H 2 O solüsyonunun %8 mineral-yağı, wax ve diğer katkı maddelerinden oluşan karışıma %2 oranında mikro-balon ilave edilerek patlayıcı özellik kazandırılmıştır. Doğrudan deliğe pompalanabilir yada kartuşlar halinde kullanılabilir. Madencilik alanında, patlatma işleminde ilk olarak, barut kullanılmış ve 1800 yılların başlarında emniyet kapsülleri ile barutun patlatılması yoluna gidilmiştir. Daha sonraki yıllarda, kayacın kırılması, parçalanması için çok daha güçlü patlayıcılara olan ihtiyaç nedeni ile bu alanda yeni çalışmalar yapılmış ve nitrogliserin'in patlayıcı olarak
kullanımına başlanmıştır. Bu maddenin duraganlılığı çok düşüktür. Bu nedenle üretimi kadar kullanımı da çok tehlikeli olduğundan 1864'te Alfred Nobel Dinamit icadı ile ortadan kaldırılmıştır. Dinamit içinde nitrogliserin yada nitrotoluen ve amonyum fosfat bulunur. Bu icadın ardından, daha güçlü ve daha emniyetli olması açısından daha pek çok patlayıcı madde kullanıma sokulmuştur. 2.1. Patlayıcı Maddelerin Karakteristikleri Bu karakteristiklerden en önemli olanları şunlardır: Detonasyon Hızı (VOD): Patlamanın, patlayıcı içerisinde saniyede metre olarak ilerleme hızıdır. Bu hız çok büyük değerlere sahiptir. 6000 m/sn'yi bulan patlamalar dahi mevcuttur. Özellikle sert kayaçların parçalanmasında istenilen bir özelliktir. Patlayıcının detonasyon hızı masif kayaçlarda gevşek kayaçlardakinden daha yüksektir. Detonasyon hızı aşağıdaki eşitlikle hesaplanabilir: 305( D 25) VOD = 0. 51+ 0. 071( D 25) D: Kritik çap (mm) Patlayıcı Kuvveti: Ölçüsü yaptığı faydalı itir. Patlayıcı kuvveti şu faktörlere bağlıdır: Patlatma basıncı; patlatma sonrası oluşan gaz miktarına bağlı Asıl kırma özelliği; patlayıcının şok enerjisine bağlı Patlayıcı kuvveti: 1. Mutlak kuvvet: 100 gram patlayıcının, kimyasal koşullara göre ortaya çıkardığı jule cinsinden enerji miktarı 2. Bağıl kuvvet: patlayıcının, başka bir madde ile kıyaslanması gerekir. Daha çok ANFO karşılaştırma ölçüsü olarak kullanılır. Detonasyon Stabilitesi: Patlamanın, patlatma deliği boyunca kararlı bir şekilde ilerleme özelliğidir. Stabilitenin yüksek oluşu kolon içerisindeki diğer patlayıcı şarjlarının da patlatılmasına yardımcı olur. Kararlılığın düşük olması halinde, kolon boyunca varolan hava boşluğunun, patlamanın yayılmasını engelleyerek patlatma deliğinde detonasyonun kesilmesi sonucunu doğurur. Duyarlılık: Patlayıcının, patlatılabilmesi için gerekli olan minimum enerji ihtiyacıdır. Yoğunluk: Patlayıcı maddenin, litresinin kg. Olarak veya cm 3 'ünün gram olarak ağırlığıdır. Patlayıcının yoğunluğu, delikteki şarj konsantrasyonunu belirler. Patlatma dizaynları için göz önüne alınacak en önemli parametredir. Suya Dayanıklılık: Patlayıcının suya dayanabilme yeteneği veya normal olarak patlayıcının daha sonra patlamak şartı ile su altında kalabileceği süre olarak ifade edilir. Kullanımda Emniyet: Patlayıcı maddelerin taşınması ve kullanımı aşamasında hiçbir risk içermemesi gerekmektedir. Bu amaç ile patlayıcılar üzerinde çeşitli testler yapılarak emniyetlilik ölçümü gerçekleştirilir. Patlama Basıncı: Kayaçların ayrılmasında en önemli parametredir. Yoğunluk ile patlama hızının karesinin çarpımına eşittir.
Patlama Empedansı: Patlayıcı empedansı, yoğunluk ile patlama hızının çarpımına eşittir. Patlayıcı ile kayaç arası enerji transmisyonu sağlayan bir sabittir. Z ep = ρ e *VOD Elde Edilebilecek Enerji Miktarı: Deliğin bulunduğu ortamın yapısı enerji geçişini engelleyecektir. Ayrıca, gözenekler de enerji geçişini engeller. Kayaç masif ise, daha iyi bir enerji iletimi gözlenir. Fay ortamı, çevredeki kırık- çatlak yapıları nedeni ile enerji azalan bir oranda iletilir. Bu yapılara, ortama göre düzenleme yapmak gerekir. Kritik Çap: Özellikle, kuru patlayıcı maddeler için geçerli bir parametredir. Kritik çapı etkileyen faktörler: Tanecik boyu Reaktiflik Yoğunluk ANFO için bu çap, 7.5 cm. kadar iner. Tane boyunun azaltılması, toz haline getirilmesi ile 2.5 cm kadar azaltma yapılabilir. Dizayn çalışmaları için oldukça önemli bir özelliktir. 2.2. Ateşleme Sistemleri Patlatma işlemlerinin başarısı, uygulanacak ateşleme elemanları ile ateşleme yönteminin doğru seçimi ile direkt ilişkilidir. Önceleri, ateşleyici olarak emniyetli fitiller kullanılmış ve kara barut bu fitiller ile ateşlenmiştir. Dinamitin kullanılmaya başlaması sonucu, dinamitin emniyetli fitil ile kullanılamaması, şok yaratıcı bir sisteme ihtiyaç duyulması sonucu cıva fulminatlı kapsüller kullanıma girmiştir. Bunlar günümüzün modern kapsüllerinin temelini oluşturmuşlardır. Başlıca ateşleme yöntemleri Tablo 2 de verilmektedir. 2.3. Ateşleme Düzenekleri Ateşleme düzeneği en iyi zamanı verecek ve en iyi parçalanmayı oluşturacak şekilde seçilmelidir. Başlıca kullanılan ateşleme düzenekleri: Köşegensel V-kesim Dikdörtgen 3. PATLATMA TASARIMINI ETKİLEYEN PARAMETRELER Başarılı bir patlatmanın yapılabilmesi için yukarıda anlatılan bütün kısımlar için, yani; delik düzenekleri, patlayıcı türü, şarj miktarı, ateşleme sistemi, ateşleme düzeneği ve mekanizması ve sıkılama işlemleri için amaca ve ortam koşullarına en uygun seçimler yapılarak, bu sonuçlar ışığında dizaynı gerçekleştirmek gerekir. İyi yapılamayan bir tasarım; neden olur: Toz kaynağı Aşırı gürültü Kaya fırlamaları Titreşim
Tablo 2 Başlıca ateşleme yöntemleri Ateşleme Yöntemi Ateşleyici Çeşidi Açıklama Emniyetli Fitil (Adi kapsül) Eski bir ateşleme yöntemidir. İlke olarak, kapsül içindeki birincil şarjı alevle patlatmaya dayanır. Bu adi kapsülün kullanımında, deliklerin düzenli bir sırada patlatılmasına olanak yoktur. Gecikme uygulanamaz. Elektriksiz Ateşleme Elektrikli Ateşleme NONEL İnfilaklı Fitil Elektriksiz kapsüller Dünyada çok yaygın olarak kullanılan ateşleme sistemlerinden birisidir. Emniyetli fitilden farklı olarak PETN içerir ve kendiside kapsülle ateşlenir. Sürtünmeye ve çarpmaya karşı hassas değildir. Statik elektrikten etkilenmez. Bu özelliği nedeni ile, elektrikli kapsül kullanımlarının sakıncalı olduğu ortamlarda ve uygun olmayan hava koşullarında emniyetle kullanılabilmektedir. İnfilaklı fitil ile ateşlemede, bu ateşleyici için özel geliştirilmiş gecikme elemanları kullanılır. Gecikme elemanının türüne göre bu gecikme 5-50 msn. Arasında değişebilir. İnfilaklı fitiller metresinde içerdiği patlayıcı miktarına göre sınıflandırılır. Bu kapsüller detonatör ile detonatöre bağlı bir plastik tüpten oluşur. Kablo şeklindeki plastik tüp içerisinde bulunan reaktif madde ile iletilen şok aracılığı ile ateşleme gerçekleştirilmektedir. Sürtünme ve ateşten etkilenmeyen bu kapsüller özel manyeto ile ateşlenmektedir. Elektriksiz kapsül deliğe yerleştirildikten sonra, yüzeyde gecikme elemanları kullanılabilir. Bu nedenle gecikme zaman aralıkları değiştirilebilir. Değişik zaman aralıkları için üretilebilirler. Gecikmesiz Adi kapsüllerin yarattığı zamanlama sorununu ortadan kaldırmak ve deliklerdeki patlayıcıları, istenilen zamanda elektrikli ve milisaniye mertebesinde aralıklar ile patlatabilmek için, elektrikli kapsüller kullanıma girmiştir. kapsüller Yarım saniye gecikmeli elektrikli kapsüller Mili saniye gecikmeli elektrikli kapsüller Nonel GT Özellikle elektriksel kökenli yangınların ve tehlikelerin olası olduğu durumlarda kullanılabilmesi nedeni ile büyük bir avantaja sahiptir. NONEL ateşleyicisinin fonksiyonu elektrikli-gecikmeli kapsüllerin işlevine benzer ancak buradaki kabloların ve kapsülün yerini, içinde şokun iletiminin yapıldığı plastik bir tüp almıştır. Plastik tüpün dış çapı 3mm.'dir. İç kısmı reaktif bir madde ile kaplanmıştır. Bu madde yardımı ile şok dalgası yaklaşık 2000 m/sn hızla iletilebilir. En güvenli ve emniyetli ateşlemeler NONEL sistem patlatma makineleri ile gerçekleştirilir. Bu makineler: HN1; Basit ve elde taşınabilir, sert metal alaşımdan yapılı, PN1; Basınçlı hava ile çalışan aletlerdir. NONEL GT; Kısa gecikme aralıklarında ve saniyenin onda biri yada yarım saniyelik gecikme aralıklarına sahip olabilirler. Kısa gecikme periyoduna sahip olanları basamak patlatmada, diğerleri tünel patlatmada kullanılır. Bağlantı ve başlatım işlemleri için NONEL grubu başlatıcıları UB O yada infilaklı fitil kullanılabilir. NONEL UB O ateşleyicileri, bir ucu kapalı, diğer ucunda kapsül bulunan bir NONEL tüpünden oluşur. İnfilaklı fitil ise az miktarda patlayıcı madde içerenlerinden (5 g/m gibi) seçilmelidir. Basamak patlatmalarında NONEL tüp fitile bir multiclip ile bağlanır. Tünel patlatmalarında ise bir NONEL Bunch Connector kullanılır. Standart tüp uzunlukları 4.8, 7.8 ve 15 metredir. Hercudet Elektromanyetik Nonel UNIDET Bu sistem ile sınırsız sayıda gecikme periyodu sağlanabilir. Sistem, 500 msn'lik gecikmeli bir detonatör ve 17, 25 ve 42 msn. gecikmeli yüzey NONEL bağlantıları içerir. Bu sistemin temel elemanı, 500 msn. gecikmeli U500 olarak bilinen detonatördür. Standart tüp uzunlukları, 4.8, 6.0, 7.8 ve 15.0 m'dir. Sistem gaz ile çalışmaktadır. Gaz; %60 hava + %40 gaz karışımı şeklinde kullanılmaktadır. Gaz, CH ve H 4 2 'den oluşur. Kaçakların önlenmesi amacı ile bir koku mekanizması kurulmuştur. Sistem başlıca dört aşama içerir: Bağlantı aşaması; Seri ve paralel bağlama yapılabilir. Nitrojen veya hava ile akış basıncı (flow pressure) ve kaçakların test edilmesi Şarj işlemi; Borulara gaz verme işlemi Ateşleme; Gaz herhangi bir ateşleyici ile ateşlenir. Detonasyon sonrası 2400 m/sn'lik dalgalar iletiliyor. Gecikme doğal olarak sağlanıyor. Buraya kadar görülen sistemler, direkt olarak iletim mekanizması ile patlatılan sistemlerdi. Yeni geliştirilen metotlar ise "Elektromanyetik Ateşleme Metotları" dır. Bunlardan bazıları: Elektromanyetik alan özelliklerinden yararlanılarak geliştirilen bir sistemdir. Œu birimlerden oluşur: Osilatör (frekans yayıcı) Nissan RCB Mercek şeklinde bir anten (frekans verici) Sistemi: Frekansları alan sarımlar (coil) Sistemde, kapasitör ile 550 Hz.'lik bir manyetik alan yaratılıyor. Bu alan frekans olarak patlatma yapılacak alana iletiliyor ve burada, elektrik akımına çevriliyor. Bir diot yardımı ile alternatif akım doğru akıma çevrilerek kondansatörde sığalanır. Belirli bir değerden sonra patlatma gerçekleşir. Sistemin dezavantajı; gecikmenin uygulanamamasıdır. Dolayısıyla, vibrasyona dikkat edilmelidir. Magnedet Nissan RCB sistemine benzer ancak daha yüksek frekanslar kullanılır (KHz düzeyinde). Doğru akımla patlatma Sistemi: yapılması nedeni ile kaçaklara karşı emniyetlidir. Bu sistem için gecikme uygulanabilir.
Hem çevreye zarar vermeleri açısından hem de patlayıcı enerjisinin boşa harcanması bakımından, bu problemlerin önüne geçmek gerekir. Patlatma tasarımında etken olan önemli diğer faktörlerden bazıları şunlardır: İstenilen Fragmantasyon Ölçüsü: Kullanılan patlayıcı miktarı ve dilim kalınlığına bağlıdır. Dizaynı etkileyen parametrelerden birisidir. Fragmantasyon derecesi, yükleme-taşıma ekipmanının boyutlarına göre ayarlanır. Gücü düşük olan patlayıcılar için, dilim kalınlığı ve delikler arası mesafe daha fazla olmalıdır. Büyük dilim kalınlığı ve delikler arası mesafe, daha büyük kaya fragmantasyonu oluşturur. Bu durumda delme maliyeti azalır. Ancak, daha büyük blokların yüklenme-taşınması gerekeceğinden, yükleme ve taşıma ekipmanlarının bakım-onarım maliyetleri artacaktır. Maliyetlerin optimizasyonu gerekir. Delik Çapı: Delik çapı seçiminde; jeolojik ortamın özelliği, arzu edilen fragmantasyon derecesi ve delme maliyeti önemlidir. Çok az süreksizlik içeren kaya kütlesini parçalamak için küçük çaplı fakat daha küçük delikler arası mesafeye sahip düzeneklerin kullanılması halinde, daha küçük kaya fragmantasyonu elde edilir. Yani, delik sayısı artırılarak kaya fragmantasyon boyutu değiştirilebilir. Patlatma dizaynı yapılırken, serbest yüzeyden en fazla yararlanmak amacı ile sıralar arası mesafe eşit iken, ilk sıra delikler ile ayna arası mesafe biraz daha fazla tutulur. Düzgün ayna oluşturulabilmesi amacı ile splitting adı verilen, daha küçük delikler delinir. Bu delikler ayna sınırlaması amacı ile basamağın en sonunda yer alır. Daha düzgün bir aynanın oluşturulabilmesi için kullanılan bir diğer yöntem ise Hava Yastıklı Patlatma (Air Cushion Blasting) yöntemidir. Bu yöntemde, havanın sıkıştırılması prensibi kullanılarak daha az patlayıcı kullanılarak, daha iyi bir ayna stabilitesi sağlanmaya çalışılır. 4. PATLATMA TEORİSİ: Patlatma, çok hızlı yanma ve yüksek basınçlı gazların oluşumu ile gerçekleşir. Patlatmanın meydana geldiği noktadan başlayarak çeşitli zonlar oluşur. Patlatmada amaç; stres ortamı yaratarak kayaçların çekme dayanımını artırıp, mümkün olduğunca azenerji harcayarak kayacı kırmaktır. Kayacın dayanımı arttıkça çatlak oluşumu artar. Darbe miktarı çatlakla doğru orantılıdır ve şişme özelliğine bağlıdır. Çatlak yapılarının oluşumu gaz basıncına değil, şoka bağlıdır. Kayaç patlamadan başlıca üç aşamada etkilenir: İlk aşama, patlatmanın olduğu noktadan başlar ve delik duvarlarındaki kırılmalar ile genişleme oluşur.bu zona, Oluşum bölgesi yada patlatma boşluğu adı verilir. İkinci aşama, patlatma boşluğunun hemen etrafını saran kısımdır. Kompresyon gerilim dalgası, kayaç içinde ses dalgaların yayılma hızına eşit hızda, delikten her yöne doğru yayılır. Bu dalga, serbest kayaç yüzeyine karşı yansıdığında, kaya kütlesi ile serbest yüzey arasında çekme gerilimlerine neden olurlar. Kayacın çekme mukavemeti geçildiğinde, kayaç kırılır. Bu zona, geçiş bölgesi adı verilir. Bu bölge içinde de bazı alt-bölgeler yer alır.
Şekil 2. Delik çevresindeki bölgeler Bunlar; ufalanma ve çatlak bölgeleridir. Teoride, geçiş bölgesi patlayıcı tarafından yaratılan yüksek düzeydeki basıncın ani olarak düştüğü noktada başlar. Ani düşüş enerjisinin şok dalgaları, plastik akma, ufalanma ve çatlama gibi olaylara neden olur. Çatlaklar, ışınsal uzantılara sahiptir. Üçüncü aşamada, serbest hale geçen gaz büyük bir basınç ile çatlak yapılarına girer ve çatlakları genişletir. Eğer patlama deliği ile serbest yüzey arasındaki mesafe doğru olarak hesaplanmış ise, bu arada yer alan kaya kütlesi ileri doğru hareket edecektir. Bu bölgelerin bitiminde, katı ortamın sismik tahribattan sonra, orijinal yapısına döndüğü bölge başlar (Sismik bölge). Asıl gözlemler bu bölgede yapılır. Ölçümlerde; genlik ve frekans ölçümleri ve bu değerlerin patlatma yerinden itibaren nasıl değiştiği saptanmaya çalışılır. 4.1. Sismik Dalgalar ve Özellikleri: Patlatma sonucu yer katmanı içinde, deliğin hemen çevresinde, basınç dalgaları oluşur. Bu dalgalar yayılmaya başlar, patlatma noktasından uzaklaştıkça stabiliteye ulaşır ve Sismik dalga (titreşim dalgası) adını alır. Sismik dalga hareketi, katı, sıvı ve gaz ortamlarda dalganın birim zamana meydana getirdiği sıkıştırma etkisinin ortaya koyduğu, yerdeğiştirme özelliğidir. Dalga hareketi ile enerji iletimi sağlanır. Böyle bir taşınımın gerçekleştirilmesi, ortama uygulanan başlatıcı ve ortamın tanecik yapısının sapmasına neden olan kuvvetler ile sağlanır. Taneciklerin yerdeğiştirme hareketi, kohezyon kuvvetini aşarsa elastik olmayan (geri dönüşsüz), bağ kuvvet sınırları arasında kalıyorsa elastik bir deformasyona neden olur. Elastik bir dalga hareketi sonunda kütlesel bir nakil yoktur. Sadece ortamı oluşturan hareketin denge durumundan sapması ile oluşan bir enerji geçiş hareketi sözkonusudur. Böyle bir geçişte iki tür hız rejimi vardır: Meydana gelen sismik dalganın, ortamın yoğunluğu ile ilgili olarak, ortamdan bağıl geçiş hızı (dalganın kendi hızı) Dalganın geçişi sırasında, dalga enerjisi ile oluşan tanecik salınımı (ppv; tanecik hızı). Bu hız lokal olarak tespit edilir. Aşağıdaki eşitlik ile hesaplanabilir:
ppv= K * D W n * Empirik * e αd D : Mesafe, patlatma noktası ile algılayıcı arası uzaklık W: Bir anda patlayan deliklerdeki şarj miktarı (en az 9 ms altındaki patlama aralıkları tek patlama kabul edilir) n: Bölge jeolojisine bağlı sabit K: Enerji iletim sabiti (patlayıcı dizaynına bağlı sabit) α, Jeolojik faktörlere bağlı bir sayıdır. Dalganın ortamdan geçerken enerjisinin azıldığını göstermesi bakımından negatif işaretlidir. Enerji yayınımı için etkin parametreler şunlardır: Ortamın sönümlenme katsayısı Jeolojik yapı Dalga türü Ortamdaki süreksizlikler Frekans Dalga geliş açısı Başlatıcı kaynağın kuvveti Sismik dalga ilerlemesinin iki türü vardır: Yüzey dalgaları: Yer yüzeyinden ilerleyen dalgalar Yapısal dalgalar: Yer katmanlarından yayılan dalgalar Yapısal Dalgalar: Bünye dalgaları adını verdiğimiz Primer ve Sekonder dalgalar (P ve S- dalgaları) bu grup içinde yeralır. P-Dalgaları: Her tür dalganın başlangıcı primer dalgalardır. Bunlara kompresyon dalgaları adı da verilir. Frekansları 50 Hz'in üzerinde, hızları ise 5000-6000 m/sn aralığındadır. Taneciklerin sıkıştırılması ile oluşurlar. Bu nedenle primer dalgalar adını alırlar. Kayıt merkezlerine ilk olarak ulaşan dalgalardır. Hız eşitlikleri aşağıdaki gibidir: 4 B+ G V = 3 p ρ (m/sn) B: Bulk modülüs ρ:yoğunluk (kg/m3) G: Rijidite modülü (Pa) P-dalgaları, her ortamda yayılabilir. S-Dalgaları: Frekansları 30-40 Hz olan, hızları P-dalga hızlarının 2/3'ü oranında olan ve kayıt merkezlerine ikincil olarak gelen dalgalardır. Yayılma doğrultusuna dik düzlem üzerinde hareket eden dalgalar olmalarıdır. Hız eşitlikleri şu şekildedir:
G V = s ρ Gevşek moleküler yapıya sahip olan ortamlarda (hava ve su gibi) gözlenemezler. Katı cisimlerin düzlem kısımlarında ilerlerler. Birbirinden uzaklaştırıcı bir harekete sahip olmaları nedeni ile daha çok koparıcı, çatlatıcı bir özelliğe sahiptir. Patlatmada serbest yüzey bırakılmasının sebebi de, P-dalgalarının S-dalgalarına dönüşümünün sağlanmasıdır. S-dalgaları kayaç içerisinde her yönde ilerleyebilirler. Yüzey dalgaları: Rayleigh dalgaları (R-dalgaları) Love dalgaları: Yatay hareketin sözkonusu olduğu dalgalardır. Hidrodinamik dalgalar (H-dalgaları) Couple dalgalar (C- dalgaları) R-Dalgaları; Tanecik hareket şekline bağlı olarak, eğik silindir şeklinde bir dalga yapısı oluşur. Hızları, ortamın özelliklerine bağlı olarak 800-1600 m/sn arasındadır. Frekansları çok düşüktür. Bu nedenle, düşük frekanslarda enerji daha iyi korunur prensibinden hareketle, ençok zarara neden olan dalga türleridir. DoĞal frekans ile oldukça uyumludur. Dalga enerjisi çok uzaklara kadar taşınabilir. 5. SONUÇLAR Açık ocak madencilik metotlarına olan talebin her geçen gün artmasına bağlı olarak, patlatma sistem ve teorisi konusunda yapılan çalışmalarda her geçen gün artmaktadır. Bu çalışmada da gördüğümüz gibi özelikle ateşleme yöntemlerine ilişkin çok önemli gelişmeler elde edilmiştir. Ayrıca, patlatma teorisi tam olarak açıklanamasa bile büyük ölçüde ortaya konulabilmiştir.günümüzde yapılan çalışmalar daha çok, patlatmanın çevreye verebileceği hasarları en aza indirmek ve aynı zamanda da bu yolla boşa harcanan patlatma enerjisinden yararlanabilmek konusunda yoğunlaşmıştır. Yapılacak bütün tasarım çalışmalarında, bu yeni gelişmeler de göz önüne alınarak, ortam koşullarına, elde bulunan sermayeye yapılacak optimum bir seçim yapılmalıdır.
6. KAYNAKLAR 1. ERKOÇ, Ö.Y., Kaya Patlatma Tekniği, Patlatma Teknikleri Seminer Notları, İstanbul- M.K.E.K. Barutsan A.Ş., 1990. 2. OLOFSON, S.O., Applied Explosives Technology for Costruction and Mining, 1991. 3. MAMUREKLİ, D., Blast-Induced Ground Vibration Modelling in Open-Pit Mines, Doktora Tezi, Nottingham-UK, 1993. 4. MAMUREKLİ, D., Açık-ocak Madenciliğinde Patlatma ve Çevresel Etkileri, Yüksek Lisans Ders Notları, 1996. 5. TÜRKOĞLU, A.V., Patlatmanın Yeraltı ve Yerüstü Yapıları Üzerindeki Etkileri, Bitirme Ödevi, HÜ 1985.