Field And Laboratory Studies On The Performance Prediction Of Raise Boring Machines

Abstract

Türkiye'de ve Dünya'da gerek maden gerekse de altyapılar için kuyu açma işleri son senelerde önemli ölçülerde artmıştır. Bu nedenle kuyu açma makineleri bir çok maden ve inşaat projelerinde tercih edilmektedir. Dünya'da bir çok ülkede ve özellikle maden sahalarında bu makinalar kullanılmaktadır. Örneğin İsveç'in Kiruna demir madeninde 17 adet bu makinalardan bulunuyor. Bu madende 3 yıl boyunca 50 km'lik bu makinalarla kuyu açmayı planlamışlar. Türkiye'de ise bu makinaların kullanımı gittikçe artmaktadır. Türkiye'de özellikle metalik madenlerinde başyukarı kuyu açma makinaları en güvenli ve en hızlı kuyu açma yöntemi olarak gözükmektedir. Maden ve inşaat projelerinde, cevher ve insan nakliyatı ve havalandırma amacı ile açılan dikey kuyular veya diğer dikey yapılar, çok zorlu ayrıca da tehlikeli ve zaman alıcı bir iştir. Başyukarı kuyu açma makinaları, madenlerde iki düzey arasında patlayıcı madde kullanmadan, çok sağlam kuyu açmasını sunmaktadır. Bu makinalar 1950 senesinden bu tarafa dünya'da bir çok maden de havalandırma ve cevher nakli kuyuları açmak için kullanılmıştır. Ayrıca geçen 20 yılda tünellerde de kullanılmaya başlamıştır. Bu makinaların 0-90º açısı arasında çalışabildiği için madenlerin havalandırma ve cevher nakil şaftları, hidroelektrik santrallerin denge bacaları, eğimli cebri boru hatları, metroların yeraltı geçişlerinde hatları arası geçiş tünelleri (yatay), havalandırma bacaları, merdiven tünelleri (eğimli), kara yolu tünellerinin havalandırması gibi farklı amaçlar için kullanılmaktadır. Kazı, yer altında bulunan galeri ya da boşluğa ulaşana kadar devam ediyor. Makine bu süreçte tijleri otomatik bir kol rod tutucu (rod handler) yardımıyla ekleyerek pilot delgiye devam ediyor. Aşağıda bulunan galeri boşluğuna ulaşıldığında ise trikon bitler sökülerek asıl kazıyı yapacak olan genişletici başlık (reamer) takılıyor ve başyukarı olarak tabir edilen şekilde, tersten kazı başlıyor. Delme-patlatma yöntemlerine göre birçok avantaj sağlayan RBM'ler günümüzde en çok kullanılan kuyu açma ekipmanları arasındadır. Klasik yönteme göre daha hızlı ve güvenli delgi yapabilen makinenin dört farklı yöntemi ile kuyu açmasını sağlıyor. Klasik kuyu açma yönteminde, trikon bitlerin yardımı ile önce küçük bir kılavuz delgi açılıyor ve sonra bu açılan deliği bir veya daha fazla aşamada istenilen çapa kadar büyütür. Pilot delgi sırasında öğütülen malzeme flashing ile yüzeyde çökelme havuzunda toplanırken Reamer ile yapılan tarama kazısı sırasında tarayıcı kafadaki kesici uçların her dönüşü sırasında keserek zeminden söktüğü 0-5 mm boyutlarındaki kazı malzemesi ise aşağıya dökülüyor ve belirli aralıklarla yükleyici yardımıyla toplanarak kamyonlarla pasa sahasına naklediliyor. Normalde bir 50 metre kuyunu delme-patlatma yöntemi ile bir kaç ayda açarken, bu makina aynı kuyunu 15 günde açmak kapasitesine sahiptir. Bu makinalar ayrıca büyük şehirlerde de su, elektrik, atıksu kuyu açmasını da daha kolay bir şekilde yapmaktadırlar. Şehirlerde delme-patlatma yöntemi yasak olduğu için bu yöntem en güvenilir ve en hızlı kuyu açma yöntemidir. Ayrıca madenlerde yukarı seviyeye erişim olmadığında bu makinalar alt seviyede kurulup ve yukarıya doğru kuyu açma özelliğine sahiptiler. Bu yöntem literatürde 'kör kuyu' açma yöntemi geçmektedir. Dördünce yöntemde de madenin alt seviyesi kesici kafanı takmaya müsait olmadığı için kullanılmaktadır. Burada da hem kılavuz delgi ile ve hem de kılavuz delgisiz genişletme operasyonu yapılmaktadır. Bu makinaların yatırım maliyetleri çok yüksek olduğundan dolayı, seçim aşamasında dikkatli olmak gerektirmektedir. Oldukça karmaşık ve pahalı olan RBM'lerin performansı kuyu çapı ve jeoloji gibi farklı ve çok sayıda parametreye bağlı olarak değişmektedir. Bu nedenle RBM seçimi özenle yapılmalı ve proje için uygun özelliklere sahip bir makine seçilmelidir. Bir diğer önemli noktada da büyük çaplı kuyu açmakla ilgilidir. Büyük çaplı kuyuları açmak için, başyukarı kuyu açma sistemi en güncel, güvenilir ve hızlı yöntemdir. Bu makinalar örselenmemiş kuyular açıyor ki tahkimata bile gerek duyulmuyor. Bu sistem ile açılan kuyular, delme ve patlatma yöntemi ile açılan kuyulardan daha sağlamdılar ki bu avantajları havanın iyi dolaşmasına sebep oluyor ve bu yöntemi havalandırma kuyularının açmasına üstüne konumda tutuyor. Bu kuyularda tahkimata ihtiyaç olduğu zaman da püskürtme beton, bulon, ve çelik hasır da kullanabilmektedir. Ayrıca başyukarı kuyu açma makinaları, jeolojik duyarlılığı olan alanlarda da güvenli olarak kullanıla bilir. Türkiye'de başyukarı kuyu açma makinaların uygulamalardan biri, Kastamonu ilinde bulunan Eti Bakır Küre'nin Aşıköy yeraltı maden işletmesinde kullanılmıştır. Bu işletmede başyukarı kuyu açma makinası 2012 yılında Atlas Copco firmasından alınmıştır ve bu projeden önce iki havalandırma kuyusu açmıştır. Birinci havalandırma kuyunun uzunluğu 100 metreydi ve ikinci kuyunun da uzunluğu 65 metreydi. Yeni açılan havalandırma kuyusu 660 m ve 630 m düzeyler arasında açılmıştır. Bu kuyunun uzunluğu 22 m ve çapı da 2.6 metreydi. Burada ilk önce trikon bit kullanarak 30 cm çapında kılavuz delgi açılmıştır, sonra sabitleyiciler ilave edilmiştir. Sabitleyicilerin asıl kullanma amacı doğru yönde ve doğru açıda kuyunun ilerlemesidir. Sonra normal tijler ilave olarak delme işi devam etmiştir. Burada toplam 16 tij (reamer kafanın tiji dahil) kullanılmıştır. Normal tijlerin ağırlığı 450 kg ve uzunlukları 1.52 metredir. Bu kuyunun kılavuz delgisi 3 iş günüde bitmiştir ve genişletme işlemi ise 4 iş gün içinde bitmiştir. Böylece 22 metre iç havalandırma kuyusu 7 iş gününde bitmiştir. Bu tezde, kullanılan başyukarı kuyu açma makinanın performansı incelenmiş ve daha verimli kullanılması için öneriler sunulmuştur. Bu incelemeler, iki ayrı bölümde yanı laboratuvar ve sahada yapılmıştır. Laboratuvarda, sahadan alınan numunelerin fiziksel, mekanik ve petrografik incelemeleri yapılmıştır. Bu deneyler için Amerikan Standart ve Test Metotları (ASTM) ve Uluslararası Kaya Mekaniği Birliği (ISRM) tarafından önerilen standartlara göz önünde tutarak yapılmış. Fiziksel ve mekanik özellikleri belirlemeye yönelik olarak, tek eksenli basınç dayanımı, çekme dayanımı, statik elastisite modülü, akustik deneyler (dinamik elastisite modülü ve Poisson oranı), ve ince kesitlerin petrografik analizleri yapılmıştır. Bu deneylerin sonucu detaylı olarak 5. Bölüm ve Ekler Bölümünde açıklanmıştır. İlaveten doğrusal kazı deneyi, numunelerin kazıla bilirliği ve kazı performansı ile kazı derinliği arasında ki ilişkileri belirtmek için yapılmıştır. Taşınabilir doğrusal kazı deney setinde kama ve konik uçlu keskiler kullanılabildiği gibi mini disk keskiler de kullanılabilmektedir. Yapılan bu çalışma kapsamında farklı özelliklere sahip 3 standart keski yani kama, konik ve disk kullanılmıştır. Kazı deneylerin yapılmasının asıl amacı laboratuvarda spesifik enerjinin hesaplanması ve bu hesaplan miktarların hangisinin sahadaki spesifik enerjiye daha yakın olmasının incelemektir. Bu incelemenin sonucunda disk keskilerin spesifik enerji miktarları özellikle 5 mm derinlikte ve yardımsız kazı biçiminde daha yakın değerler göstermektedir. Ayrıca Kazı incelemesinde, makinanın penetrasyon oranı, itme kuvvetleri ve kesici kafanın dönme momentinin etkileyen faktörleri de araştırılmıştır. Bu tezin son bölümünde, makinanın performansı ile ilgili olan faktörler örneğin itme kuvvetleri, dönme momenti ve penetrasyon oranı teorik deneysel sonuçlarına göre tahmin edilmiştir. Sonra, tahmin edilen faktörler ile sahadan elde edilen gerçek veriler bir sonraki uygulamalara katkıda bulunmak amacı ile kıyaslanmıştır. Sahadan elde edilen sonuçlara göre makinanın penetrasyon değeri 1-11 tijleri için 2.12 mm/devir olmuştur. Disk kesiciler penetrasyon yöntemi ile hesaplanan miktar ise 2.49 mm/devir olmuştur. İtme kuvvetin gerçek değeri sahada 1376 kN hesaplanmıştır. Tahmin edilen miktarsa 1484 kN göstermektedir. Tork değerlerine baktığımız zaman da saha verileri 91 kNm ve tahmin edilen miktar ise 94 kNm gösteriyor. Tünel açma makinaları ile ilgili bir çok literatür bulunmaktadır ama başyukarı kuyu açma makinaları ile ilgili ciddi bir eksiklik gözükmektedir. Bu tezin asıl amacı bu makinaların çalışma yöntemini ve uygulanan performans parametrelerinin, tünel açma makinaları gibi tahmin etmektir. Bu çalışmanın sonucunda bu karara varılmıştır ki kaya kesme mekaniğinin iki temel kavramı, başyukarı kuyu açma makinalarının performansını tahmin etmek için kullanılır olabilir. İtme kuvvetleri ve dönme momentleri, Kaya basınç dayanımı fonksiyonu ve belirli bir süre için kayanın yüzü ile temas eden insertlerin sayısıyla formüle edilebilir. Bu çalışma sonucunda bir diğer önemli konu da saptanmıştır. Sahadan elde edilen spesifik enerji değerleri, tünel açma makinalarda ve başyukarı kuyu açma makinalarda, belirli penetrasyon ve benzeri kayaç basınç dayanımında, biri-birine çok yakındılar. Bu karşılıklı ilişki, tünel açma makinalarından elde edilen verilerin, başyukarı kuyu açma makinalarının da performansları ile ilgili olan faktörlerin tahmininde kullanılabilmesine uygun bulunmuştur. Bu karşılıklı ilişki, tünel açma makinalarından elde edilen verilerin, başyukarı kuyu açma makinalarının da performansları ile ilgili olan faktörlerin tahmininde kullanılabilmesine uygun bulunmuştur.

Excavation of shafts and other vertical structures in mining and civil engineering fields for material and human transportation and ventilation purposes is a difficult and dangerous job taking quite long time. Raise boring provides a safe means of excavating shafts between two levels of underground structures without using explosives. A raise boring machine (RBM) operates by the principle of first drilling a small diameter pilot hole and then, reaming the hole in one or more stages to the desired size. Raise boring system is the most up-to-date, secure and fast way for boring large diameter shafts. RBM creates a hole with smooth walls which usually does not require lining. The hole is more stable than a drilled and blasted raise and has better air flow, making it ideal for ventilation raises. In addition RBM can safely be used in areas of geological sensitivity. One of the applications of raise boring machines in Turkey was realized in Eti Copper Kure Asikoy underground mine located at Kastamonu to excavate a ventilation shaft between the levels 660 m and 630 m having a length of 22 m and excavation diameter of 2.6 m. This thesis describes an analysis of the raise boring performed, and gives suggestions on how to optimize the raise boring. The analysis is made in two parts, a laboratory analysis and an analysis of the excavation. The laboratory analysis investigates the physical, mechanical and petrographical property of sample which collected from mine. In addition linear cutting tests are performed to find out samples cuttability and relationships between cutting performances of cutters with different cutting depth, and maximum tool forces. The analysis of excavation concerns the achieved penetration rates, thrust force, and cutterhead torque and the factors influencing these parameters. At the last section of the thesis, excavation performance parameters of RBM such as thrust, torque, and penetration rate theoretically estimated based on the experimental results. Then, the realized and predicted values compared to serve a useful guide for future applications. The findings of the study showed that the two basic concepts of rock cutting mechanics could be used to estimate the performance of raise boring machines. Thrust force and torque values could be formulated using the parameters that are a function of the rock compressive strength, the number of inserts in contact with the face for a given time and the projectile area of each insert. Another important point emerging from this study is that field specific energy obtained for TBMs and RBMs is very closely related for a given penetration and in rocks having similar strength values. This interrelationship will permit to use immense accumulated data for TBM applications in different projects for predicting the performance of RBMs.