Mekanize Kazı Yöntemlerinin Gelişimi

1818’ de Brunel’ in Thames nehrinin altından tünel açabilmek için geliştirdiği kalkan için aldığı patent ile mekanize kazının başladığı kabul edilebilir. Bu tünel açma işleminde kazı işlemi insan gücü kullanılarak yapılırken geliştirilen kalkanın ana amacı kazı yapılan kısımda (arında) ve gerisinde kalkan boyunca stabilitenin sağlanabilmesiydi. Kazı işlemini ise madenciler yapmaktaydı (Megaw ve Bartlett, 1981).

İskoçya’daki kömür ocaklarında kömürün diğer formasyonlara göre daha zayıf bir dayanıma sahip olması, aşındırıcı da olmamasından dolayı dökme demir kesici uç basınçlı hava ile birlikte 1850 yıllarında kazı işlemlerinde kullanılmaya başlanmıştır. Bu tarihten sonra kömür kesme makinelerinin gelişmesi ve uygulanması hızla artmış ve potkabaç makinesinin kullanıma başlanmasıyla birlikte İngiltere de 1800 yılında 10 milyon ton / yıl kömür üretimi 1865 yılında yaklaşık 10 katına çıkmıştır. 1900’ den sonra elektrik enerjisinin yeraltına girişi ve malzeme alanındaki yeni gelişmelerle yeni darbeli deliciler ve kömür kazı makineleri üretilmiş ve bugünkü modern kazı makinelerinin tasarım temelleri atılmıştır (Shepherd ve Withers, 1960).

Alman kömür sabanlarının ilk olarak 1948 de İngiltere’ ye girişi ve Anderson kesici yükleyicilerinin 1948 de imali ile kazı mekaniğinde gelişim yeni bir aşamaya girmiş ve karşılaşılan büyük zorluklar İngiliz kömür idarelerine bağlı bir kazı mekaniği gurubunun kurulmasına sebep olmuştur. Bu gurup çalışmalarını bugüne kadar devam ettirmiş ve kazı mekaniği biliminin gelişmesine büyük katkı sağlanmıştır. Ülkemizde mekanik kesme yapan kazı makinelerinin kullanımı ise ilk olarak 1970’li yıllarda GAP çerçevesindeki Urfa sulama tünellerinin açımı sırasında kullanılmış ve bugüne değin başta kömür madenciliği olmak üzere çeşitli sektörlere uzanan yayılım göstermiştir (Hekimoğlu ve diğ., 1998).

8

Ülkemizdeki ilk saban, Almanya’nın Ereğli Kömür İşletmelerinde (EKİ) kullanılmak üzere hibe ettiği koparıcı sabandır. Zonguldak-Gelik Bölgesi’nde, taşkömürünün yapısal ve jeolojik özellikleri sebebiyle etkin olarak kullanılamayan koparıcı saban, 1983 yılında Orta Anadolu Linyitleri işletmesinde (OAL) kurularak verimli olarak kullanılmıştır. OAL’ deki bu yarı-mekanize uzunayak deneyimi, 1986 yılında fiili olarak üretime başlayan tam mekanize ayaklar için bilgi birikimi sağlamıştır (Url – 2).

Tamburlu kesici makinalar ilk olarak tek tamburlu olarak üretilmiş fakat gelişen teknoloji ile çift tamburlu olarak üretilmeye başlanmıştır. Ayrıca motor güçlerinde de artışlar sağlanmış ve yüksek kazı kapasitelerine ulaşılmıştır. Günümüzde kullanılan tamburlu kesicilerin çalışma boyutları da büyümüştür. Bu makinaların imalatçıları, kömür üretiminde mekanize kazıyı en çok uygulayan olan Almanya, İngiltere, A.B.D. ve Avustralya gibi ülkelerdir (Altındağ ve Güney, 1994).

Ülkemizde L Tipi Tek Tamburlu Kesici - yükleyici Uygulaması Soma’da Ege Linyitleri İşletmesi (ELİ) Müessesesi Eynez İşletme Müdürlüğü’ne bağlı Eynez Yeraltı Ocağında, Şubat 1990’da mekanize pilot ayağında yapılmıştır. Bu yarı mekanize ayak 50 metre uzunluğundaydı. Doğrultu boyunca çalışan bu ayakta kazı aracı olarak tek tamburlu kesici-yükleyici çalışmıştır. Tek tamburlu L tipi kesici- yükleyiciyle kömür üretimine bir başka örnek Garp Linyitleri İşletmesine (GLİ) bağlı Tunçbilek Yeraltı Ocağıdır. Burada 340 metre uzunluğundaki bir panoda, geçilmesi düşünülen tam mekanize üretime bilgi birikimi sağlamak ve kömürün mekanizasyona uygunluğunu saptamak amacıyla, 30 metre uzunluğunda bir pilot mekanize ayak oluşturulmuştu (Url – 2).

İnşaat sektöründe ise, kaya ortamında tünel açmak için geliştirilen ilk makine 1881’de İngiltere Folkstone’ da kullanılmıştır. Bu makine dönen 2 kolu ve bu kollar üzerine monte edilmiş tırnakları ile kayayı kazmaya çalışmıştır (Megaw ve Bartlett, 1981). Daha sonraları 2.14 metre çapında tam kazı cepheli bir makine kullanılarak Manş denizi altından Albay Beaumont’ un pilot tünel açması yine inşaat sektöründe varsayılan ilk modern gelişmelerdendir (Robbins, 1976).

Amerika'da ilk tünel açma makinesi Hoosac Tünelinde kullanılmıştır. Bu makine daire şeklinde döner bir kesme kafasına sahipti ve keskiler konsantrik daireler çizerek kazı yapacak şekilde dizilmişlerdi. Tutunma mekanizması, itme (baskı) mekanizması ve

9

pasa uzaklaştırma düzenleri vardı. Herman Haupt isimli meşhur inşaat mühendisi, bu makine ile 3 metrelik bir ilerleme yapmayı başarmıştı (Friant ve Özdemir, 1994).

Serbest dönen keskiler ise ilk 1955 de Goodman Manufacturing Company tarafından imal edilmiş ve bu keskilerle donatılan 3 adet tünel açma makinesi Oahe baraj tünelinde başarı ile kullanılmıştır (Muirhead ve Glassop, 1968). James Robbins isimli mühendis 1956 yılında, kalem keskiler yerine döner disklerin kullanılma fikrini ortaya atmış ve Toronto' daki bir uygulamada günde 38 m' lik ilerleme gerçekleştirmiştir ve bu uygulama TBM’ lerin orta sert ve yumuşak kayaçlarda ekonomik olarak kullanılabileceğini göstermiştir (Friant ve Özdemir, 1994). Daha sonra yapılan araştırmalar daha çok TBM’ lerin daha sert ve aşındırıcı kayaçlarda kullanımının sağlanması üzerine olmuş ve böylece bu çalışmalar daha çok disk kesicilerin sert kayaçlardaki performansının fizik prensiplerini anlamak üzerine olmuştur (Url – 3).

Yumuşak arazideki tünel teknolojisi de, Times nehrini 1824 - 1840 yılları arasında geçtiği meşhur Brunei şildinden başlayarak, gelişim göstermiştir ve bu makine Arazi Basınç Dengeleme Makinesinin (EPB) ilk tipini teşkil etmektedir.

TBM’ lerin madencilik sektöründe üretim amaçlı kullanımları sonraki yıllarda artış göstermiştir. Magma Copper Firması Sam Manuel maden ocağını genişletmek için 4.5 m çaplı bir Atlas Copco / Robins marka TBM' i kullanmış fakat açılması düşünülen galeri güzergahında çok uzun kurbalar olduğundan ve bazı yerlerde var olan fazla eğimlerden dolayı verimli bir kazı yapılamamıştır Bu sorunu gidermek için çalışma şartlarına uygun yeni bir makine tasarlanmış ve daha hızlı ve daha ekonomik bir üretim sağlanmıştır (Synnder, 1994).

Stillwater maden şirketinde Chevron Resources firması gabro, norit ve anorthosit içinde cevherleri içinde kazı işlemleri için TBM kullanılmışlardır. Cevher kazısında istenilen verim elde edilemese de hazırlık galerilerinin kazılmasında TBM kullanımı başarılı olmuştur (Tilley, 1989).

Petrol arama projelerinde de TBM kullanılan bazı projeler vardır şöyle ki Petro Tech Resources firması, petrol yatağı altındaki kayalar içindeki tünelleri açmak için TBM kullanmaya karar vermiştir. Bu tünellerden rezervuara drenaj delikleri delinerek üretim hedeflenmiştir ( Özdemir, 1994).

10

Kazı işlemleri genel olarak klasik kazı (delme-patlatma) ve mekanize kazı olmak üzere ikiye ayrıldığından bu iki yöntem arasındaki farklar üzerine de yapılan çalışmalar olmuştur. Örneğin, Özdemir (1994) tarafından yapılan bir araştırma, delme - patlatma ile kazıda çok iri parça açığa çıktığından, yöntemin diğerlerine nazaran daha verimli olduğunu fakat ilerleme hızının sınırlı oluşu, titreşimlerin açığa çıkması, aşırı söküm yaparak tahkimat ve emniyet problemleri çıkarması bu yöntemin uygulanışını sınırladığını ortaya koymuştur.

Pakes (1991) yaptığı çalışma sonucunda, tüm işletme maliyetleri göz önüne alındığında açılan tünel uzunluğu arttıkça mekanik kazıcıların delme – patlatma yöntemine kıyasla daha verimli kazı yaptıkları, bu yüzden uzun ve sürekli tünel ya da galeri kazısında tercih edilir oldukları sonucuna varmıştır (Şekil 2.1).

Şekil 2.1 : Tünel uzunluğuna göre mekanize kazı ile delme – patlatmanın karşılaştırılması (Pakes, 1991).

Mekanize kazı yöntemlerinin geliştirilmesi amacıyla birçok çalışma yapılmış ve yapılmaya devam edilmektedir. Yapılan bu çalışmalar farklı alanlarda, farklı parametreler üzerinde olmaktadır. Çalışma alanlarının farklılık göstermesi makine performansının bağlı olduğu parametrelerin farklı olmasından kaynaklanmaktadır. Çizelge 2.1’ de kazı makinelerinin performansını etkileyen bu parametreler verilmiştir (Bilgin ve diğ., 2014). Kısmi cephe tünel açma makinesi Delme - Patlatma 1500 - 2000 Tünel uzunluğu (m)

Tam cepheli tünel açma makinesi

Ma

li

y

11

Çizelge 2.1 : Kazı makinelerinin performansını etkileyen parametreler (Bilgin ve diğ., 2014). Makine Parametreleri

Makinenin tipi

Makinenin ağırlığı ve boyutları İtme gücü ve tork kapasitesi Kesici kafa tipi

Kesici kafa güç ve RPM

Keski tipi ve boyutları, keski metalürjik özellikleri

Jeolojik – Jeoteknik Parametreler

Kaya kütlesi özellikleri Kaya kalite değeri (RQD) Tabakalanma, fay zonları

Çatlak kümeleri (yönelim, dolgu, boşluk gibi

Hidrojeolojik durum Olumsuz jeoloji

Fiziksel ve mekanik özellikler Kaya kesme parametreleri (spesifik enerji, kesme kuvvetleri)

Dayanım özellikleri (basınç ve çekme dayanımı, kohezyon, elastik değeri) Kaya dokusu ve aşındırıcılık (porozite, sert mineral/kuvars içeriği, mikro çatlaklar, tane boyutu )

Diğerleri (kırılganlık, su içeriği gibi) Operasyonel Parametreler

Teknik parametreler Açıklık şekli ve boyutları Eğim ve rekuplar

Madencilik Parametreleri Tahkimat (çelik bağ, püskürtme beton gibi)

Pasa nakliye (konveyör, vagon gibi) Yararlanma (güç, su, hava temini) Zemin iyileştirme

Vardiya durumu

2.2 Fiziksel Mekanik Testler Yardımıyla Kazılabilirlik Tahmini