Türkiye Taşkömürü Kurumu Armutçuk Taşkömürü İşletme Müessesesi yeraltı ocaklarında yüksek basınçlı su jetleriyle kömür kazısının araştırılması ve uygulanabilirliği / Nuri Ali Akçın

Abstract

Suyun aşındırma etkisi çok eskiden beri bilinmektedir. Su hızının artmasıyla bu etki daha da artmaktadır. Suyun bu gücünden yararlanmak için yüksek hızlı (veya yüksek basınçlı) su jetleri geliştirilmiştir. Su jetleri, uygun konum ve koşullarda malzemeler üzerine tutulduğu zaman aşınma hızlanmakta ve malzeme giderek parçalanmak tadır. Herhangi bir pompadan veya basınç yükselticiden sağ lanan basınçlı su bir nozülden su demeti şeklinde fışkırtılırsa yüksek basınçlı bir su jeti elde edilmiş olunur. Su demetinin yayılma biçimi, hızı, basıncı ve uygulandığı yüzeyde oluşturduğu kalıcı basınç nozül tasarımına bağ lıdır. Yüksek basınçlı su jetleri akım tiplerine göre devamlı jetler, kesikli jetler ve sutopları olmak üzere üç grupta toplanmaktadır. Devamlı jetler kesme-parçalama çalışmalarında, kesikli jetler ve sutopları ise yalnız par çalama çalışmalarında kullanılmaktadır. Yüksek basınçlı su jetleri önce laboratuvarda çeşitli malzemelerin kesilmesi ve parçalanmasında denenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre- sanayii ve arazi uygu lamalarına geçilmiştir. Su jetleriyle yapılan kesme ve parçalama çalışmalarında basınç, gerilme, aşınma, çatlama, dalga yayılması ve çökme etkileri bir arada görülmektedir. Bu da kesme veya parçalama işleminin açıklanmasını güçleştirmektedir. Fakat, kullanılacak su jeti ile ilgili etmenlerin, kesilecek veya parçalanacak malzemenin özelliklerinin ve uygulama şeklinin çok iyi belirlenmesi açıklamada yardımcı olmaktadır. VI Yüksek basınçlı su jetleri kesme-parçalama ve hassas kesme çalışmalarında kullanılmaktadır. Kesme-parçalama çalışmaları kayaçların, kömürün ve çeşitli malzemelerin laboratuvarda kesilmesinden, delik delme, tünel açma, hidrolik kazijhidromekanik kazı, beton kırma ve buzlu veya donmuş zeminlerin temizlenmesine kadar olan geniş bir alanı kapsamaktadır. Hassas kesme çalışmaları ise sanayide çeşitli malzemelerden hassas profiller çıkartılma sında ve düzgün yüzey elde edilmesinde görülmektedir. Hidrolik veya hidromekanik kazı metodlarıyla yapılan madencilik "Hidrolik Madencilik" olarak bilinmektedir. Hidrolik madencilik, terim olarak cevherin arından 'su gücüyle kazılması ve su-cevher karışımının hidrolik olarak taşınmasına kadar olan tüm çalışmaları kapsamak tadır. Kazılan cevherin suyla arından uzaklaştırılması hidrolik madenciliğin ön koşullarındandır.Bu koşul ancak kömür kazısında gerçekleşebildiği için hidrolik madencilik daha çok kömür işletmeciliği alanında yaygındır. Kazıcı ünitenin su olması nedeniyle grizu patlama tehlike si ve toz sorunu ortadan kalkmaktadır. Hidrolik üretim yöntemleri bilinen yöntemlerin aynısıdır. Fakat, özellikle kalın ve dik damarlarda hidrolik üretim yöntemleriyle daha ekonomik ve daha güvenli bir işletme yapma olanağı vardır. Bu çalışmada, Batı Karadeniz Taşkömürü Havzasında üretim çalışmalarını sürdüren T.T.K. Genel Müdürlüğü kısaca tanıtılmış ve kurumun üretim yapmakta olduğu damarlardan hangilerinin hidrolik üretim için uygun olduğu etüd edilmiştir. Damar seçimi yapıldıktan sonra, bu damarda hidrolik kazı yapabilmek için gerekli olan kazı parametreleri ve yöntemleri araştırılmıştır. Havzada işletilmekte olan 16 damar kalınlık, eğim, şekil, doğrultu, tavan-taban koşulları, kömürün yapısı, uygulanan üretim yöntemi ve maliyetler bakımından incelendiğinde hidrolik üretim için en uygun damarın Armutçuk VII Bölgesindeki "Büyükdamar" olduğu görülmüştür. Büyükdamar, havzadaki en kalın ve en dik damarlardan birisidir. Damarda, dilimli göçertmeli kısa ayak yöntemiyle üretim yapılmaktadır. Bu yöntemle pano rezervinin ancak #50' ı alınabilmektedir. Üstelik, güvenli ve ekonomik bir işletme yapılamamaktadır. Damar koşullarına göre arakatlı göçertme yöntemiyle hidrolik üretim yapmak mümkündür. Dünya' da bir çok ülkede benzer koşullara sahip damarlarda bu yöntem başarıyla uygulanmaktadır. Büyükdamarda hidrolik kazı yapabilmek için tayin edilmesi gereken kazı parametreleri iki aşamalı bir de neysel çalışma programı ile saptanmıştır. Birinci aşamada, deneysel donanımın en uygun kesme koşulları belirlenmiştir. Donanım; dakikada 24 MPa basınçta 8?, 3 İt su veren bir basınç yükseltici, yeteri kadar boru-hortum, çeşitli çapta 8 adet nozül ve bir numune taşıyıcıdan ibarettir. En uygun kesme koşulları,"tuvenan toz kömüre #10 oranında çimento karıştırılarak hazırlanan 30 adet briket numune üzerinde yapılan kesme deneyleriyle saptanmıştır. Sonuçta, II. Tip 2 mm çaplı nozülle 15 cm'lik etkileme uzaklığı ve 3,5 ra/dak'lık geçiş hızında yapılan çalışmaların en iyi sonuçları verdiği görülmüştür. İkinci aşamada ise Büyükdamardan alınan blok numuneler, donanımın en uygun kesme koşullarında kesilmiş ve sonuçlar yorumlanmıştır. Büyükdamardan değişik amaçlar için üç grup numune alınmıştır. Birinci grupta, çeşitli yerlerden damarı tem sil edebilecek 8 adet oluk numunesi alınmıştır. Bunlar üzerinde yapılan kimyasal analiz ve fiziksel testlerle kül, uçucu madde, sabit karbon, nem ve kükürt miktarları tespit edilmiştir. Damarda: litotip olarak belirlenen bandlardan da iki grup numune alınmıştır. Büyükdamara ait Darbe Dayanım indeksi (I. S. I) ve konik delici değer lerini tayin etmek için her bandtan ikişer adek oluk numunesi alınmıştır. Bu numuneler üzerinde yapılan - vnı testlerden elde edilen değerler arasında ilişkiler kurulmuştur. Aynı bandlardan 32 adet de blok numune alınmış ve bu numuneler kesme işlemine tabi tutulmuştur. Numune lerin 12 'si tabakalaşma düzlemine dik ve kalan 20' si de paralel doğrultuda kesilmiştir. Yapılan analizlerin ve testlerin sonucunda Büyük- damarın oldukça sert ve kırılgan olmayan bir yapıya sahip olduğu belirlenmiştir. Bunun için öncelikle kesme işlerinde kullanılacak su jetinin kritik basıncının 19 MPa civarında olması gerektiği tespit edilmiştir. Kullanılan basınç yükselticinin çıkış basıncı kesme için yeterlidir. Numuneler tabakalaşma düzlemine paralel ve dik doğrultularda kesilmelerine göre farklı şekillerde parçalanma göstermişlerdir. Paralel doğrultuda yapılan kesme çalışmalarında numunelerin bandlar halinde parçalandığı gözlenmiştir. Dik doğrultuda yapılan kesme çalışmalarında ise numune yüzeyinden pul-pul~ dökülmelerin olduğu ve etkili bir kesme işleminin gerçekleşemediği görülmüştür. Çok sert numuneler ancak iki geçişte parçalanabilmiştir. Tabakalaşma düzlemine paralel doğrultuda yapılan kesme çalışmalarında spesifik enerji değerlerinin 50 J/cm,dik doğrultuda ise 130 J/cm civarında olduğu hesaplanmıştır. Yapılan hesaplamalara göre mevcut basınç yükseltici ile 1 ton kömür kazabilmek için 37 MJ'lük enerji harcamak gerekecektir. Nikonov tarafından geliştirilen bazı eşitliklerden yararlanılarak hesaplanan değerlere göre mevcut basınç yükseltici ile saatte 18-19 ton kömür kazmak mümkün olabilecektir. Sonuç olarak; Büyükdamar, hidrolik madencilik için gerekli ön koşullara sahiptir ve damar koşullarına göre arakatlı göçertme yöntemiyle hidrolik üretim yapmak mümkündür. Hidrolik kazı için en az 19 MPa basınca sahip bir su jeti gereklidir. Damarın tabakalaşma düzlemlerine pa ralel doğrultuda gelişecek bir kazı yöntemi uygulanmalı dır. Damar yapısında mevcut olan klivaj düzlemleri kazı randımanının artmasında yardımcı olacaktır. Hidrolik EC yöntemle üretime, halen hazırlık planları yapılmakta olan Büyükdamar doğu bloku III ve VI no'lu fayları arasında kalan panolardan başlanabilir. Pano hazırlıkları mevcut sistemdeki gibi yapılabilir. Yalnız, ara kılavuzlar hidrolik taşıma yapılacak şekilde en az 7 'lü eğimlerde sürülmelidir. Kazılan kömürün pano dibinde susuz 1 aştırılarak mevcut taşıma sistemi ile taşınması daha ekonomik olacaktır. Böylece, hem mevcut sistem devreden çıkartılmayacak, ayrıca hidrolik taşıma için yatırım yapmaya gerek kalmayacaktır. Arakatlı göçertme yöntemiyle üretim yapıl ması halinde pano rezervinin #70-80 'nin kazanılması ve güvenli bir işletmecilik yapmak mümkün olabilecektir. Üstelik, bu yöntemle hızlı üretim yapılabildiği için yangın riski de azalacaktır. Ayrıca, 19 MPa basınca sahip 30 mm çaplı bir su jetinin kullanılmasıyla üretimin teorik olarak 1200-1300 ton/saat düzeyine çıkartılması da mümükün olabilecektir. Büyükdamarda uygulanacak bir hidrolik üretim çalış-, masından elde edilecek deneyime göre Ülkemizdeki başka işletmelerde de bu yöntemle üretim çalışmalarına da geçi lebileceği ümit edilmektedir.

The abrasion effect of water has been known many years. This effect increases as the velocity of water increases. High velocity (or high pressure) water jets have been developed to utilize this abrasion effect of water. When water jets directed to the material to be ?excavated under appropriate position and conditions, the material starts to wear away rapidly and gets fractured. A high pressure water jet can be obtained. by expel ling high pressure water which is produced by a pump or pressure intensifier through a nozzle as a regular jet stream. The type of expansion of water jet stream, its velocity, pressure and stagnation impact pressure created on the target material surface depend on the nozzle de sign. According to flow type, high pressure water jets are classified in three groups: steady jets, unsteady jets and water cannons. Steady jets are used for cutting and fracturing whereas unsteady jets and water cannons are employed for only fracturing purposes. Initially high pressure water jets were tried for cutting and fracturing various materials in laboratories. Depending upon the results obtained by these studies, their applications to the industry and in the field fol lowed. In cutting or fracturing studies using water jets; pressure, tension, abrasion, fracture, propagation of waves and caving effects are seen to be the major com bining failure modes and this feature of water jets makes it difficult to explain cutting or fracturing mechanism. However, detailed definition of various parameters asso ciated with the water jet to be used, properties of the material to be cut or fractured and application circum stances may facilitate to explain the failure mechanism. High pressure water jets are used for cutting- fracturing and precision cutting works. The application of cutting-fracturing work includes a wide area such as rocks, coal and various materials in laboratory, drilling, tunnelling, hydraulic excavation, hdraumechanical exca vation, concrete breaking and cleaning icy or frozen sur faces. Precision cutting is employed in the industry to produce profiles with greater accuracy and smooth faces from various materials. Mining which is carried out by hydraulic or hydraumechanical excavation methods is known as "Hydraulic Mining". Hydraulic mining as a term refers to various opera tions required for the excavation of mineral from the face by water power and transporting this water-mineral mixture. The hydraulic flushing of the mineral excavated from the face is the prerequisite for hydraulic mining. This conditions can only be achieved for coal excavation and so hydraulic mining is much more popular in the coal mining. Since the excavationitool is water, the danger of methane explosion and dust problem are eliminated. The working methods for the hydraulic coal mining are the same as those known methods in the conventional coal mining. In comparison, with hydraulic mining, especially those thick and vertical coal seams can be mined econom ically and with greater safety. In this study, Turkish Hardcoal Enterprise (T.T.K. ) which has undertaken the production of coal in the Western Blacksea Hardcoal Field is introduced briefly and the suitable coal seams for hydraulic mining are discussed. After the selection of the most suitable coal seam, the excavation parameters required for the hydrau lic mining and excavation methods are investigated. XII When 16 coal seams which are currently being mined are examined for thickness, dip, strike, shape, roof- floor conditions, lithology, applied working method and production cost; the most suitable coal seam for hydra ulic mining is seen to be Büyükdamar in the Armutçuk Region. Büyükdamar is the thickest and with the highest dip angle coal seam in the whole coal field. Currently, the working method of this seam is the sliced shortwall caving. Only 60$ of the total panel reserves can be re covered with this method. Furthermore this working meth od does not permit a safe and economic mining. Under the present conditions this coal seam can be effectively mined by hydraulic excavation employing sublevel caving method. This method has been succesfully applied to the coal seams presenting similar conditions in a number of countries. The excavation parameters need to be defined in order to apply hydraulic excavation method to Büyükdamar are studied with a two stage experimental program. At ? the first stage, the most appropriate cutting conditions for the experimental set-up were determined. The experi mental set-up basically consist of a pressure intensified which is capable of producing water 87.3 lt/min at 24 MPa, enough hose and pipes, 8 nozzles having different exit diameters and a travelling sample holder. The most appropriate cutting conditions were determined from many tests carried out on 30 block samples consisting of 90$ coal dust and 10$ cement. Eventually, the best cutting results were obtained with the 2nd type nozzle, having a diameter of 2 mm, at 15 cm stand-off distance and sample holder traversing at 3«5 m/min. At the second stage, the block coal samples taken from Büyükdamar were tested under the most appropriate cutting conditions which had been determined previously. XIII For various purposes three groups of samples were taken from Büyükdamar. For the first group, 8 samples were excavated from various levels in order to have a good representation of the seam. A number of chemical analyses and physical tests were conducted on these samples in order to determine ash content, volatil matter, fixed carbon, moisture and sulphur content. Two groups of samples were taken from the existing coal seam bands which are defined as lithotype bands. Two samples were also collected from each band to be used for the Impact Strenght Index (I.S.I) and Cone Indenter Hardness. A num ber of correlations were derived between various test results. Furthermore, 32 block samples were taken from those bands for the cutting tests. 12 of those samples were cut perpendicular and the remaning 20 were cut par allel to the bedding plane. Based on various analyses and test results, Büyük damar coal seam is recognised as very hard and non- brittle. Thus, the critical water pressure to be used for the cutting of such coal is determined to be around 19 MPa. The pressure intensifier used in the experiments is capable of producing such level of water pressure. It - has been noticed that depending on the cutting direction of the samples with regard to the bedding plane, the samples presented different types of failure. In those samples where cutting carried out parallel to the bedding fractures occured as laminar bands. Whereas in perpen dicular cutting to the bedding the sample fractured as small chips which in turn indicating ineffective cutting operation. In fact, very hard samples were only fractured after two successive travers. The specific energy values were derived as 50 J/cm^ for the parallel cutting to bedding and 150 J/cnr for the perpendicular cutting to bedding. To excavate 1 ton of coal with the same pressure intensifier used in the experimental set-up, 37 M J energy will be required. Based on Nikonov's equations, by using the same pressure intensifier some 18 or 19 tons of coal can be excavated within an hour. XI7 Pinal conclusion İ3 that Büyükdamar presents the preconditions for hydraulic mining and taking into account the conditions, sublevel caving method can be successfully applied to this seam. For the hydraulic excavation should be lined parallel to the bedding plane of coal seam. The presence of cleats in the coal seam is expected to facilitate the excavation. The application of hydraulic mining can be commenced on the panel situ ated between Büyükdamar East Block-Ill and the IVth Fault, of which the development plans are currently being prepared. The panel developments can be carried out the same as in the present mining method. One exception is that the sub-entries should be driven with a dip angle "of 7° allowing hydraulic transportation to be occurred. The hoisting of the excavated coal, following draining of water at the bottom-end of the panel is seen to be an economical solution. In this way, the present hoist sys tem will be still useful -and also there will be no need to make any investment for the hydraulic transportation. In sublevel caving method, 70$ or 80$ of the total panel reserve can be. won and the mining will be much safer. Since this mining method can proceed fast, any risk of fire will be kept to minumum. Moreover, employing a water jet with a diameter of 30 mm at 19 MPa, the theo retical production level may be increased to 1200 or 1300 tons per hour. It is expected that experience gained from the application of hydraulic mining to Büyükdamar will provide a basis. for the other mines of our country where this method is viable.