Daha Önce Geliştirilen Kazı Deney Setleri ve Yapılan Çalışmalar

Kayaç kazılabilirlik özelliklerinin belirlenmesinde yaygın olarak kullanılan yöntemlerden biri laboratuvar ortamında yapılan kaya kesme deneyleridir (ISRM, 1981). Bu deney yöntemlerinin ülkemizde ilk kullanımı özellikle 1980’ li yıllardan sonra İTÜ ve ODTÜ’ de kazı mekaniği alanında yapılan çalışmalarla hız kazanmıştır (Bilgin ve Shahriar, 1987; Ceylan, 1987). İTÜ’ de kazı mekaniği alanında ilk çalışmalar küçük boyutlu kazı deney setinin kurulmasıyla başlamıştır (Bilgin ve Shahriar, 1987). Şekil 3.1’ de gösterilen küçük boyutlu kazı deney seti McFeat-Smith ve Fowell (1977,1979) tarafından geliştirilmiş standart bir laboratuvar deneyidir.

Şekil 3.1 : İTÜ Maden Mühendisliği Bölümü Kazı Mekanizasyonu ve Teknolojileri Laboratuarında bulunan küçük boyutlu kazı deney seti.

58

Küçük boyutlu kesme deneylerinde 7.6 cm çapında karot veya 20 x 10 x 10 cm boyutlarında numune kullanılmaktadır. Numune sabitlendikten sonra kesme açısı –5o_,

temizleme açısı 5o _{ve genişliği 12.7 mm olan kama uçlu keski kullanılarak 5 mm}

kesme derinliğinden kesilir (McFeat – Smith ve Fowell, 1977). Kesme sırasında oluşan kuvvetler birim deformasyon ölçer ile donatılmış dinamometre ile bilgisayara kayıt edilir. Kayıt edilen kesme kuvvetlerinin ortalaması, birim kesme hattından çıkan pasa miktarına bölünerek spesifik enerji bulunur. Bulunan bu indeks değer daha önceden geliştirilmiş abak yardımıyla kollu galeri açma makinelerinin performans tahmininde kullanılır (Fowell ve McFeat - Smith 1976; McFeat - Smith, Fowell, 1977). Laboratuvarda ölçülen spesifik enerjiye göre masif çatlak aralığı geniş formasyonlarda kullanılabilecek kollu galeri açma makinelerinin tiplerini ve karşılaşılabilecek problemleri belirten bir sınıflama sistemi geliştirmişlerdir (McFeat - Smith ve Fowell, 1979).

Kayaçların kazılabilirliğinin araştırılmasında yaygın olarak kullanılan bu test cihazı ülkemizde Ortadoğu Teknik ve Selçuk Üniversitelerinde de mevcuttur (Dursun, 2012). Ayrıca küçük boyutlu kazı deney setinde yapılan kazı deneyleri yardımıyla doğal taş üretiminde yaygın şekilde kullanılan zincirli mermer kesme makinelerinin performanslarının artırılmasıyla ilgili çalışmalar yapılmıştır (Çopur ve diğ., 2008, 2010). Yapılan bu çalışmada araştırmacılar doğal taşlar üzerinde kesme deneyleri yaparak kesici kol üzerinde keskilerin yerleştirilmesiyle ilgili bir model önermişlerdir. Kollu galeri açma makinelerinin veya zincirli mermer kesme makinelerinin tasarımında veya performans tahmininde küçük boyutlu kazı seti kullanılabilse de, ülkemizde özellikle son zamanlarda artan tünel projelerinde TBM kullanımının artmasına paralel olarak TBM projelerinin daha sağlıklı yapılabilmesi için Tam Boyutlu Doğrusal Kazı Deney Seti’ ne ihtiyaç duyulmuştur. Bu kapsamda tam boyutlu doğrusal kaya kesme deney seti, İ.T.Ü. Maden Fakültesi Maden Mühendisliği Bölümü’ nde, Türkiye’ deki mekanize tünel açma yöntemlerinin geliştirilmesi amacıyla NATO-TU projesi çerçevesinde kurulmuştur (Eskikaya ve diğ, 2000). Tam boyutlu doğrusal kazı seti; tam cepheli tünel açma makineleri (TBM), kısmi kesitli tünel açma makineleri (roadheader), kesici yükleyiciler (shearer-loader), sürekli kazıcılar (continuous miner) gibi mekanize kazı makinelerinin performansını tahmin etmek amacı ile kullanılmaktadır.

59

Tam boyutlu doğrusal kazı setinde gerçek boyuttaki keskilerle farklı kesme derinliklerinde keskiler arası mesafeler değiştirilmekte, bu sayede bu değerler için normal kuvvetler, kesme kuvvetleri, yanal kuvvetler ve spesifik enerji değerleri bulunabilmektedir. Spesifik enerji değeri bulunduktan sonra bir tünel açma makinesinin net kazı hızı geliştirilen bir model kullanılarak hesaplanabilmektedir (Rostami ve diğ., 1994).

Tam boyutlu doğrusal kazı setiyle küçük boyutlu kazı deney seti arasındaki ilişkiler daha sonra yapılan bir doktora çalışması kapsamında incelenmiştir (Balcı, 2004). Balcı (2004) tarafından yapılan bu çalışma kapsamında farklı kesme derinliğinde ve keskiler arası mesafeler değiştirilerek hem küçük boyutlu hem de büyük boyutlu kazı setinde birçok kesme deneyleri yapılmıştır. Kesme deneyleri sonucunda elde edilen farklı sonuçlar karşılaştırılarak aradaki ilişki kontrol edilmiştir (Balcı, 2004; Balcı ve Bilgin, 2007). Şekil 3.2’ de yapılan bu çalışma sonucunda her iki deney setinden elde edilen spesifik enerji değerleri arasındaki ilişkiye ait grafik verilmiştir.

Şekil 3.2 : Küçük boyutlu kazı deney seti spesifik enerji değeri (SE1) ve tam boyutlu kazı deney seti spesifik enerji değeri (SE3) arasındaki ilişki (Balcı ve Bilgin, 2007).

İTÜ Maden Mühendisliği Bölümünde kurulan tam boyutlu ve küçük boyutlu kazı deney setleri kullanılarak yapılan sanayiye yönelik projeler ve bilimsel çalışmalar sırasında yapılan kazı deneyleri sonucunda, bu deney setlerinin dezavantajları tespit edilmiştir. Örneğin; büyük boyutlu kazı setinde kazı deneyi için büyük blok

0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 SE 3 , L a bo ta ruv a r spes if ik ener ji, d = 9 m m (M J /m 3)

SE1, Laboratuvar spesifik enerji, d = 5 mm (MJ/m3)

y = 0.60x + 0.68 R2 _{= 0.83}

60

gerektiğinden ve deneyin yapılabilmesi için yetişmiş insan gücüne ihtiyaç duyulduğundan bu deney her zaman yapılamamaktadır. Buna karşın küçük boyutlu kazı setinde karot numune veya küçük blok numuneler üzerinde kazı deneyi yapılabilmektedir ancak bu deney setinde ise sadece kama uçlu keskilerle deney yapılabildiğinden TBM projelerinde bu deney seti kullanılamamaktadır. Ayrıca her iki deneyde sadece laboratuvar ortamında kullanılabildiğinden, kullanımı daha pratik ve taşınabilir bir kazı setinin geliştirilmesine İTÜ Maden Mühendisliği bölümünde 2004 yılında başlanmıştır (Bilgin ve diğ., 2006). Daha sonra yapılan çalışmalar sonucunda “taşınabilir (minyatür) doğrusal kazı seti” genel hatları ile ortaya çıkmıştır (Bilgin ve diğ., 2006, Feridunoğlu, 2009). Şekil 3.3’ te verilen taşınabilir doğrusal kazı setiyle hem laboratuvar ortamında hem de arazide daha pratik ve daha ucuz kazı deneylerinin yapılması amaçlanmıştır.

Şekil 3.3 : Taşınabilir doğrusal kazı seti.

Daha sonra yapılan bir çalışmada geliştiren taşınabilir doğrusal kazı seti ile tam boyutlu kazı seti arasındaki ilişkiler araştırılmıştır (Tumaç, D., 2010). Tumaç (2010), tarafından yapılan çalışmada aynı tür kayaç örnekleri üzerinde disk keskiler kullanılarak tam boyutlu doğrusal kazı deney setinde ve mini disk keskiler kullanılarak taşınabilir doğrusal kazı deney setinde kesme deneyleri yapılmış ve seçilen bir TBM

61

için tasarım parametreleri farklı farklı hesaplanmıştır. Daha sonra tam boyutlu kazı seti ile taşınabilir kazı seti arasındaki ilişki üzerinde durulmuş ve iki deney seti sonuçları arasında TBM performansı tahmini açısından bir ilişkinin olup olmadığı belirlenmeye çalışılmıştır. Sonuç olarak yapılan tork tahmininde tam boyutlu kazı setinden elde edilen değerin taşınabilir kazı setinden elde edilen değerin yaklaşık 2 katı, güç tahmininde bu oranın yaklaşık 2 kat, itme kuvveti oranının yaklaşık 4 kat ve net kazı hızı oranının ise yaklaşık 25 kat olduğu belirlenmiştir.