KAYALARIN DELİNEBİLİRLİĞİ Sondajcılık

Transkript

KAYALARIN DELİNEBİLİRLİĞİ
Sondajcılık Uygulamalarına Giriş
Adil ÖZDEMİR
Jeoloji Yüksek Mühendisi
Ankara–2012
i
ii
Giriş
JENERİK SAYFASI
OLUŞTURULACAK
ii
ÖNSÖZ
Delinebilirlik; bir matkabın kayaç içinde belirli bir zamanda kayacı
delerek ilerlemesidir. Bir diğer ifade ile kaya kütlesinde delik delme kolaylığıdır. Delme hızı ise kayaç içerisinde, m/dk, cm/dk veya mm/dk olarak
ölçülür. Delinebilirlik ile delme hızı aynı kavram olarak tanımlanabilir. Delinebilirlik kolay ya da zor olarak delme hızı ise hızlı ya da yavaş olarak
ifade edilir. Delinebilirliğe etki eden birçok parametre vardır. Bunlar makine ve ekipmana bağlı parametreler (sondaj makinasının tipi, dönme hızı,
baskı kuvveti, matkap tipi vb.), delme işlemine bağlı parametreler (delme
yöntemi, makinanın çalışma performansı ve bakımı, sondörün deneyimi
vb.) ile jeolojik parametreler (kaya tipi, kayaların mekanik özellikleri, süreksizlikler, mineral bileşimi)’dir. Makine, ekipman ve delme işlemine bağlı
parametreler kontrol edilebilir parametreler olup, jeolojik ve mühendislik
özelliklerine bağlı parametreler ise kontrol edilemeyen parametrelerdir.
Kaya delinebilirliğinde kontrol edilemeyen parametrelerin belirlenmesi (jeolojik ve mühendislik özelliklerinin), sondaj çalışmasında kullanılacak delme yöntemi, matkap türü, matkap dönme hızı, matkap üzerine uygulanacak yük miktarı, delme dizisi niteliği, pompa türü, dolaşım sıvısı/hava hızı ve hacmi, personel vb. gibi kontrol edilebilen parametrelerin en
iyi şekilde seçilebilmesine (tasarım aşamasında) imkan vermektedir. Ayrıca,
elde edilen veriler maliyet tahmininde ve sondaj çalışma sürelerinin planlanmasında kullanılabilecektir.
Bu kitapta “, Sondaj, Kayaların, Delinebilirlik, Mühendislik Özellikleri” anahtar terimleri esas alınarak konu incelenmiş ve Kayaların Delinebilirliği’ne sondajcılık uygulamaları açısından bir giriş yapmak amaç
edinilmiştir.
iii
Yazarın Yüksek Lisans Tezi’nin çalışmasının bir ürünü olan bu çalışmanın sonuçlanmasında en önemli paya sahip olan, müracaat ettiğim her
konuda beni içtenlikle karşılayan ve bilgi birikimini benimle paylaşan tez
hocam sayın Doç.Dr.Nihat Sinan IŞIK’a (Gazi Üniversitesi Teknoloji Fakültesi İnşaat Mühendisliği Bölümü), mesleki yaşamımda yine kıymetli tecrübelerinden faydalandığım çok değerli hocam Prof.Dr. M.Yener ÖZKAN’a
(ODTÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü) Prof. Dr. Celal KARPUZ (ODTÜ Maden Müh. Bölümü) ve manevi destekleriyle beni hiçbir zaman yalnız bırakmayan ve onlardan çaldığım vakitler için beni affetmelerini beklediğim
çok değerli eşime ve çocuklarıma teşekkürü bir borç bilirim.
Adil ÖZDEMİR
Jeoloji Yüksek Mühendisi
Aralık 2011, Ankara
iv
İÇİNDEKİLER
Sayfa No
ÖNSÖZ ................................................................................................................... iii
TEŞEKKÜR ............................................................................................................ iv
İÇİNDEKİLER......................................................................................................... v
ÇİZELGELER LİSTESİ ....................................................................................... ..vii
ŞEKİLLER LİSTESİ .............................................................................................. viii
RESİMLERİN LİSTESİ .......................................................................................... ix
1. GİRİŞ ....................................................................................................................1
2. SONDAJ YÖNTEMLERİ ..................................................................................6
2.1. Döner Sondaj Yöntemleri............................................................................7
2.1.1.Kırıntılı döner sondaj yöntemi ..........................................................7
2.1.2.Karotlu döner sondaj yöntemleri ......................................................9
2.2. Döner-Darbeli Sondaj Yöntemleri ...........................................................12
3. SONDAJ MATKAPLARI VE KAYA DELME MEKANİZMALARI.......13
3.1. Sondaj Matkapları ......................................................................................13
3.1.1. Kırıntı örnek almaya uygun matkaplar ........................................13
3.1.2. Karot örnek almaya uygun matkaplar ..........................................17
3.2. Kaya Delme Mekanizmaları .....................................................................19
3.2.1. Üç konili matkapların kaya delme mekanizmaları .....................19
3.2.2. Elmaslı matkapların kaya delme mekanizmaları ........................21
3.2.3. PDC matkapların kaya delme mekanizmaları .............................24
4. SONDAJI ETKİLEYEN FAKTÖRLER .........................................................26
4.1. Kayaların Jeolojik ve Mühendislik Özellikleri .......................................27
4.1.1. Dokusal özellikler.............................................................................27
4.1.2. Fiziksel ve mühendislik özellikleri ................................................30
4.2. Sondaj Parametreleri (Çalışma Koşulları) ..............................................45
4.2.1. Üç konili matkapların çalışma koşullarını etkileyen faktörler ..45
4.2.2. Elmaslı matkapların çalışma koşullarını etkileyen faktörler .....54
v
Sayfa No
5. DELİNEBİLİRLİĞİN DEĞERLENDİRİLMESİ ..........................................63
5.1. Kaya Delinebilirliğinde Sertliğin ve Aşındırıcılığın Etkisi ...................63
5.2. Kaya Dokusunun Delinebilirliğe Etkisi ..................................................65
5.3. Dayanım Özelliklerinin Kaya Delinebilirliğine Etkisi ..........................66
5.4. Bir Kaya Delinebilirliği Kriteri Olarak Krater Oluşumu ......................70
5.5. Bir Kaya Delinebilirliği Kriteri Olarak Spesifik Enerji ..........................72
5.6. Delinebilirlik Analizinde Kullanılan Sayısal ve
Deneysel Yöntemler ..................................................................................76
5.6.1.Laboratuar deneyleri ile delme hızı tahmini .................................76
YARARLANILAN KAYNAKLAR ....................................................................91
vi
ÇİZELGELERİN LİSTESİ
Sayfa No
Çizelge 4.1. Kayaçların Dokularına Göre Sınıflandırılması ............................28
Çizelge 4.2. Doku ve Tane Boyu ile Delinme Hızı Arasındaki İlişki..............30
Çizelge 4.3. Kaya Formasyonu ile Delinme Arasındaki İlişki .........................32
Çizelge 4.4. Kırılma Şekline Göre Delinme Durumu .......................................33
Çizelge 4.5. Tek Eksenli Basınç Dayanımlarına Göre
Kayaçların Sınıflandırılması............................................................34
Çizelge 4.6. Mohs Sertlik Değerleri .....................................................................35
Çizelge 4.7. Mohs Sertlik Değerlerine Göre Kayaçların Sınıflaması ..............35
Çizelge 4.8. Mohs Sertlik Skalasını Kullanan Yönteme Göre Kayaçların
Aşındırıcılık Ortalama Sertlikleri ...................................................38
Çizelge 4.9.Rosiwall Sertlik Skalası.....................................................................39
Çizelge 4.10.Rosiwall Sertlik Skalasını Kullanan Yönteme
Göre Kayaçların Aşındırıcılık-Ortalama Sertlikleri .....................39
Çizelge 4.11. Bazı Yaygın Kayaç Tiplerinin Kuvars ve Silika İçerikleri .........41
Çizelge 4.12.Cerchar Aşınma İndeksi Kayaç Sınıflaması ................................44
Çizelge 4.13. Formasyona Uygun Matkap Seçimi ............................................47
Çizelge 4.14. Kesintilerinin Kuyu Dışına Atılması İçin Gereken Hız ............54
Çizelge 4.15. Kayaların Genel Özelliklerine Uygun Elmaslı
Matkap Aralıkları ..........................................................................55
Çizelge 4.16. Tek Eksenli Basınç Dayanımı ile Yüzeyden Taneli Elmaslı
Matkap Değerleri Arasındaki İlişki ..............................................56
Çizelge 5.1. Kaya Koparma İşlemi İçin Spesifik Enerji Değerleri ...................75
Çizelge 5.2. DRI Sınıflandırması ......................................................................... 86
vii
ŞEKİLLERİN LİSTESİ
Sayfa No
Şekil 1.1. Kaya Delinebilirliğini Etkileyen Parametreler ....................................3
Şekil 1.2. Kaya Delinebilirliğine Etki Eden Jeolojik Özellikler ..........................4
Şekil 2.1. Başlıca Sondaj Yöntemleri .....................................................................6
Şekil 2.2. Düz Dolaşımlı Döner Sondaj Yöntemi .................................................8
Şekil 2.3. Ters Dolaşımlı Döner Sondaj Yöntemi.................................................8
Şekil 2.4. Konvensiyonel Karotlu Sondajın Genel Modeli ...............................10
Şekil 2.5.Wire-Line Karotlu Sondajın Genel Modeli .........................................11
Şekil 2.6. Diğer Sondaj Yöntemleri ......................................................................12
Şekil 3.1. Konili Matkap Yapısı ............................................................................14
Şekil 3.2. Konili Matkap Terminolojisi ...............................................................14
Şekil 3.3. Çelik Dişli Üç Konili Matkap ..............................................................15
Şekil 3.4. Tungsten Karbid Dişli Üç Konili Matkap ..........................................15
Şekil 3.5. Parmak, Balık Kuyruğu Ve Kanatlı Matkaplar.................................16
Şekil 3.6. Kırıntı Örnek Almaya Uygun PDC Matkaplar .................................16
Şekil 3.7. Karot Örnek Almaya Uygun PDC Matkaplar ..................................17
Şekil 3.8. Yüzeyden Taneli Elmaslı Matkap .......................................................18
Şekil 3.9. Emprenye Elmaslı Matkap.............................................................................18
Şekil 3.10. Kırıntı Örnek Almaya Uygun Elmaslı Matkaplar ..........................19
Şekil 3.11. Vidyeli Matkabın Yapısı ....................................................................19
Şekil 3.12. Kazma Etkisi İle Formasyonda Krater Oluşturma Evreleri ..........20
Şekil 3.13. Ezerek Parçalama İşlemi ....................................................................20
Şekil 3.14. Delme İşleminde Kuvvetler Dengesi ...............................................21
Şekil 3.15. Elmaslı Matkapların Delme Mekanizmaları ...................................23
Şekil 3.16. PDC Matkapların Delme Mekanizması ...........................................24
Şekil 3.17. PDC Kesici Elemanlarının Kayayı Sıkıştırma veya
Baskı Kuvvetlerinden Ziyade Makaslama Mekanizması
İle Parçalaması.....................................................................................24
Şekil 3.18. Makaslama ve Baskı Düzleminin PDC Kesici
Elemanı İle İlişkisi ..............................................................................25
viii
Sayfa No
Şekil 4.1. Gerilme-Deformasyon Eğrisine Bağlı Spesifik
Tahrip Enerjisi Grafiği .........................................................................34
Şekil 4.2. Cerchar Deneyi Aşındırıcılık Değerleri İle Mohs Sertlik
Skalası Arasındaki İlişki ......................................................................44
Şekil 4.3. Değişik Koşullarda Matkap Yükü İle Kaya
Parçalanması Arasındaki İlişki ...........................................................51
Şekil 4.4. Delme Hızı Üzerinde Matkap Baskısının Etkisi ...............................56
Şekil 4.5. Delme Hızı İle Matkap Dönüş Hızı Arasındaki İlişki .....................57
Şekil 4.6. Yoğunluk ve Viskozitenin Delme Hızı Üzerindeki Etkisi ..............58
Şekil 4.7. Tij İle Kuyu Duvarı Arasındaki Anülüs Alanı..................................60
Şekil 4.8. En Uygun Sondaj Sıvısı Dolaşım Hızı ve Miktarı Değerleri ...........60
Şekil 5.1. İndisler Arasındaki İlişkiler ................................................................64
Şekil 5.2. Darbeli Sondajda Delme Hızı İle Doku
Katsayısı Arasındaki İlişki ..................................................................65
Şekil 5.3. Dayanım Özellikleri İle Doku Katsayısı Arasındaki İlişki ..............66
Şekil 5.4. Delinebilirlik İçin Teorik Ve Deneysel Eğriler Arasındaki İlişki ....67
Şekil 5.5. Sahada Sondaj Sırasında İlerleme Hızı Enerji Tüketimi – Matkap Ağırlığının ..............................................73
Şekil 5.6. Eğriler Yardımı İle Delinebilirlik İndeksinin Bulunması ................78
Şekil 5.7. Talaş Oluşumu ......................................................................................79
Şekil 5.8. Kırılganlık Deneyinin Şematik Görünümü ........................................ 85
Şekil 5.9. Minyatür Delme (Sievers) Aletinin Şematik Görünüşü ................... 85
Şekil 5.10. Delme Hızı Oranı (DRI) Tayininde Kullanılan Diyagram ............. 86
RESİMLERİN LİSTESİ
Sayfa No
Resim 4.1. Shore Skeleroskop Aleti .....................................................................36
Resim 4.2. Cerchar Deney Aleti ...........................................................................43
Resim 5.1. Mikromatkap Deney Düzeneği ........................................................77
Resim 5.2. Diş batırma Deney Düzeneği ............................................................78
ix
1. GİRİŞ
Mühendislik ve araştırma-geliştirme çalışmalarında ulaşılmak istenen
başlıca hedef gerek tasarlanan sistemin, gerekse geliştirilmek istenen ürünün
maksimum performansa sahip olmasıdır. En iyi sonuçların elde edileceği şartları ortaya koyabilmek için öncelikle performansı belirleyen özellik belirlenir
ve bu özelliği etkileyen faktörler incelenir. Ardından bu faktörlerin performansı belirleyen özellik üzerindeki etkilerinin tespit edilmesi ve en uygun kombinasyonun bulunması için (kontrol edilemeyen faktörler de gözetilerek) deneyler yapılır. Yapılan deneyler sonucunda elde edilen performans göstergesi değerlendirilerek optimum şartlar tespit edilir. Bu yaklaşım çerçevesinde yapılan
deneyler sisteme sorulan soru, deney sonuçları da sistemin verdiği cevap olarak algılanabilir. Kritik olan nokta ise doğru cevabı alabilmek için doğru sorunun sorulmasının gerekliliğidir [Savaşkan ve diğ., 2004].
Günümüzde, insanoğlunun artan nüfusu nedeni ile gereksinimlerini karşılamak için yeraltı zenginliklerinin önemi daha da artmıştır. Yeraltı zenginliklerini insanoğluna ulaştırmak yani insanoğlunun kullanımına sunmak için ilk
önce bu zenginliklere ulaşılması gereklidir. Bunun için yeraltı zenginliklerini
kaplayan örtü tabakasının aşılması gereklidir. Yine aynı şekilde yerüstü ulaşımının yetersiz kaldığı durumlarda yeraltından ulaşımın gerekliliği ortaya çıkmıştır. Yerüstünden yeraltına bir yol yani bir geçidin açılması ve bu geçidin
açılması içinde örtü tabakasının delinmesi gerekliliktir. Sadece yeraltındaki
zenginliklere erişmek veya yeraltında yapılar oluşturmak için değil, yeryüzünde kayaca bağlı yapılar oluşturmak içinde kayaların delinmesi gereklidir. Kısacası, kayaların delinmesini gerektiren her durumda “delinebilirlik” kavramı
ortaya çıkmaktadır.
Delinebilirlik; bir matkabın kayaç içinde belirli bir zamanda kayacı delerek ilerlemesidir. Bir diğer ifade ile kaya kütlesinde delik delme kolaylığıdır.
Delme hızı ise kayaç içerisinde, m/dk, cm/dk veya mm/dk olarak ölçülür. Delinebilirlik ile delme hızı aynı kavram olarak tanımlanabilir. Delinebilirlik kolay
ya da zor olarak delme hızı ise hızlı ya da yavaş olarak ifade edilir. Delinebilirliğe etki eden birçok parametre vardır. Bunlar makine ve ekipmana bağlı parametreler (sondaj makinasının tipi, dönme hızı, baskı kuvveti, matkap tipi
v.b.), delme işlemine bağlı parametreler (delme yöntemi, makinanın çalışma
performansı ve bakımı, sondörün deneyimi v.b.) ile jeolojik parametreler’dir
(kaya tipi, kayaların mekanik özellikleri, süreksizlikler, mineral bileşimi). Makine, ekipman ve delme işlemine bağlı parametreler kontrol edilebilir parametreler olup, jeolojik ve mühendislik özelliklerine bağlı parametreler ise
kontrol edilemeyen parametrelerdir [Özdemir, 2007].
1
2
Sondaj Yöntemleri
Delinebilirlik tayinlerinde, bu faktörlerden sadece bir tanesi değiştirilerek o faktörün delme hızı üzerindeki etkisi gözlenir. Delinebilirlik tayininde,
farklı formasyonlar için ölçülen değerler karşılaştırılabilir olmalı, aynı ekipman
ve eşit şartlar altında delme hızı ölçümü yapılmalıdır.
Sondaj işlemi, birçok faktörden etkilenen karmaşık bir olaydır (Şekil
1.1). Matkap türü ve çapı, dönme hızı, baskı kuvveti, tork ve dolaşım sıvısı
kontrol edilebilen parametrelerdir. Diğer yandan kayanın fizikomekanik özellikleri ve jeolojik koşullar (süreksizlikler, tabakalanma durumları, tane boyutu,
matriks yapısı, gözeneklilik, çimentolanma derecesi ve aşındırıcı mineral oranı
gibi kontrol edilemeyen faktörler) kaya delinebilirliğinde etkili olmaktadır
(Şekil 1.2). Kayaların delinebilirliği ilerleme hızı, matkap aşınma miktarı, matkap ömrü ve diş batma gibi miktarı çeşitli kavramlarla tanımlanabilmektedirler.
Kaya delinebilirliğinde kontrol edilemeyen parametrelerin belirlenmesi
(jeolojik ve mühendislik özelliklerinin), sondaj çalışmasında kullanılacak delme yöntemi, matkap türü, matkap dönme hızı, matkap üzerine uygulanacak
yük miktarı, delme dizisi niteliği, pompa türü, dolaşım sıvısı/hava hızı ve hacmi, personel vb. gibi kontrol edilebilen parametrelerin en iyi şekilde seçilebilmesine (proje aşamasında) imkan vermektedir. Ayrıca elde edilen veriler maliyet tahminlerinde ve sondaj çalışma sürelerinin planlanmasında kullanılabilecektir [Özdemir, 2007].
Delinebilirliğe etki eden kaya yapısına bağlı faktörler, kayanın oluşum
sürecinden formasyonundan, Mohs sertliğine, tek eksenli basınç dayanımından
kayacın birim hacim ağırlığına, kaya kütlesinin yapısal özelliklerinden (kırıkların durumu, çatlaklar v.b.), kayacın dokusal özelliklerine kadar birçok değişkene bağlıdır.
Sondaj yöntemi sınıflaması birkaç kritere göre yapılabilir. En mantıklı
sınıflama, kaya parçalanması için gerekli enerji türüne göre yapılabilir. Kayalarda birçok amaç için sondaj yapılır ve bu amaçla geliştirilen birçok yöntem,
kayalarda başarıyla delme işlemleri gerçekleştirmiştir.
Sondaj Yöntemleri
3
Şekil 1.1. Kaya delinebilirliğini etkileyen parametreler
[Thuro, 1997’den değiştirilerek]
Kaya delmede birçok yeni yöntem deneyimlerle elde edilmiştir. Bunlardan en başarılı olan pratik uygulama mekanik parçalama işlemidir. Daha çok
yumuşak kayaçların kesilmesinde uygulansa da bu yöntem yüksek basınçlı su
püskürtmek suretiyle yapılmaktadır.
Kayaca mekanik etki uygulama darbe veya dönme hareketi olmak üzere
temelde 2 yöntemle yapılır. Bu iki etki birleştirilerek karma bir yöntem olan
döner-darbeli sondaj yöntemi geliştirilmiştir.
Sondaj, matkapla kayacın etkileşim yüzeyinin farklı kesme kuvvetlerinin
etkisiyle parçalanmasıdır. Sondajın etkinliği, diğer bir deyişle sondaj matkabının delme hızı, matkap-kayaç ara yüzeyine uygulanan enerji türüne bağlıdır
[Karanam ve Misra, 1998] .
4
Sondaj Yöntemleri
Şekil 1.2. Kaya delinebilirliğine etki eden jeolojik özellikler
[Karaman, 2008]
Herhangi bir sondaj yönteminin 3 ana fonksiyonel bileşeni vardır:
1. Sondaj Enerjisi (Kaynak)
2. Takım-Sondaj Dizisi (İletici)
3. Matkap (Uygulayıcı)
Bunlara dördüncü bir bileşen olarak sondaj sıvısı eklenebilir. Sondaj sıvısı, kuyuyu temizleme, kırıntıları atma, matkabı soğutma ve aynı zamanda
kuyu duvarlarını sağlam tutma görevindedir.
Bu üç ana bileşen enerjinin kullanımıyla ilişkilidir. Bu kullanım şu şekilde olur;
1. Delgi, ilk hareketi verir. Enerjiyi orijinal şeklinden (hidrolik sıvı, havalı, elektrik veya yanmalı motor) mekanik hale çevirir.
2. Sondaj dizisi (tij vb.), enerjiyi matkaba aktarır.
Sondaj Yöntemleri
5
3. Matkap, sistemdeki enerji uygulayıcısıdır. Mekanik olarak kayaca etki
eder ve delmeyi sağlar.
Sondajda, matkabın kaya kütlesine girmesi iki ayrı işlem içerir. Bunlar;
1. Matkap-kayaç etkileşim yüzeyinde kaya kütlesini parçalamak
2. Sondaj boyunca kırılan formasyon parçalarını kaldırmak
Bu iki işlem sondajın performansını etkiler.
Sondaj aletinin uyguladığı gerilim, kayacın dayanımını aştığı anda, matkabın deliciliği başarıya ulaşmış olur. Kayacın delinmeye karşı gösterdiği bu
direnç; delinme dayanımıdır. Fakat bu, bilinen dayanım parametrelerine eşdeğer bir dayanım türü değildir. Dahası, yaratılan gerilim alanı, istenen şekil ve
boyutta bir delik oluşturabilmek için, delme işlemi yapılan yere doğrudan bir
gerilimle uygulanmalıdır. Bu gerilimler doğada dinamik haldedir (zamana bağımlıdır). Fakat, delme sürecinde statik koşullara çok yakın ihmal edilebilir
değerler alınır [Karanam ve Misra, 1998] .
2. SONDAJ YÖNTEMLERİ
Günümüz sondaj yöntemleri dönme ve darbe işlemine göre ikiye ayrılabilir (Şekil 2.1). Bunlar ;
1. Döner Sondaj Yöntemleri
2. Döner-Darbeli Sondaj Yöntemleri
Şekil 2.1. Başlıca sondaj yöntemleri
6
Sondajı Etkileyen Faktörler
7
2.1. Döner Sondaj Yöntemleri
Döner sondaj yöntemleri, kırıntılı ve karotlu sondaj yöntemleri olarak
ikiye ayrılabilir.
2.1.1. Kırıntılı döner sondaj yöntemleri
Baskı (yük) altında dönen bir matkabın kesici dişleri aracılığıyla formasyonu parçalaması sonucu oluşan formasyon parçalarının bir dolaşım sıvısı
(çamur veya su) ile dışarı atılması işlemidir. Bu yöntemde dönme ile koparma
işlemi egemen olup, ilerleme baskı ve tork aracılığı ile sağlanmaktadır. Bu yönteme çamurlu sondaj yöntemi de denilmektedir.
Kırıntılı döner sondaj yöntemi, sondaj sıvısının dolaşım şekline göre
bünyesinde iki alt yöntemi barındırmaktadır. Bunlar;
1. Düz dolaşımlı döner sondaj yöntemi
2. Ters dolaşımlı döner sondaj yöntemi
Düz dolaşımlı döner sondaj yöntemi
Bu yöntemde, sondaj sıvısı olarak genellikle çamur kullanılmaktadır.
Pompa ile havuzdan alınan sıvı takım içerisinden geçerek kuyu duvarı ile takım
arasındaki boşluktan yükselir ve kuyu dışarısına çıktıktan sonra kanallar aracılığıyla tekrar havuza gönderilir (Şekil 2.2).
Ters dolaşımlı döner sondaj yöntemi
Bu yöntemde, sondaj sıvısı olarak genellikle çamur kullanılmaktadır. Havuzdaki çamur, yerçekimi ve kanallar vasıtasıyla kuyu ağzına gelir. Takım ile
kuyu duvarı arasından kuyu tabanına kadar iner ve kuyuyu doldurduktan sonra matkap deliklerinden takım içerisine girer. Takım içerisine giren bu çamur
bir pompa aracılığı ile emilerek tekrar havuzu boşaltılır (Şekil 2.3).
8
Şekil 2.2. Düz dolaşımlı döner sondaj yöntemi
Şekil 2.3. Ters dolaşımlı döner sondaj yöntemi
9
2.1.2. Karotlu döner sondaj yöntemleri
Karotlu sondajlar, kaya ve zeminlerin mühendislik özelliklerinin belirlenmesi (çatlak, dolgu, eklem sistemleri vb.) ve laboratuarda bir takım deneylerin yapılabilmesi veya bir maden sahasının aranması, değerlendirilmesi ve
işletilebilirliğinin araştırılması amacıyla özel ekipmanlar kullanılarak yapılan
sondajlardır.
Karotlu sondaj yöntemleri, konvensiyonel (Şekil 2.4) ve wire-line (Şekil
2.5) sondaj yöntemleri olarak ikiye ayrılır.
Karotlu sondaj çalışmalarında, karot alınabilmesi için kuyu içi ve dışarısında kullanılmak üzere değişik özellikte ekipmanlara gereksinim duyulmaktadır. Basit olarak takımın en alt ucunda bulunan matkap, sondaj makinasının
morseti tarafından ve takım aracılığı ile döndürülmektedir. İlerleme için gerekli olan baskı, sondaj makinasının morseti tarafından takım üzerine uygulanmaktadır. Matkabın formasyon içerisine girmesi ile delme işlemi başlar.
Matkabın içi boş olduğu için delinen formasyonun bir bölümü, silindir
şeklinde kesilerek önce matkabın daha sonrada matkabın üst kısmında bulunan karotiyer içerisine girer. Bu silindir şeklindeki formasyon örneğine, karot
adı verilmektedir. Belli bir uzunluğu olan karotiyer dolduğu zaman, tüm takım
çekilerek kuyu dışarısına alınmaktadır. Matkap veya karotiyerin iç kısmında
bulunan segman, karotu sıkı bir şekilde kavrayarak tutar ve manevralar sırasında karotun karotiyer içerisinden çıkmasını engeller. Matkabın formasyonu
kesmesi sırasında, takım içerisinden pompa aracılığıyla su veya sondaj sıvısı
basılmaktadır. Sondaj sıvısı, matkabın soğumasını ve kuyu tabanında yer alan
kırıntıların kuyu dışarısına atılmasını sağlar.
Konvensiyonel takımların tamamı, karot çapından bağımsız olarak aynı
temel uygulama özelliklerini taşır ve karotun karotiyerden çıkartılması için
karotiyer her dolduğunda takımın kuyudan tamamen çekilmesi gereklidir.
10
Şekil 2.4. Konvensiyonel karotlu sondajın genel modeli [Özdemir, 2009]
Wire-line karotlu sondaj tekniğinin esasını, delme işlemi sonucunda elde
edilen karotun kuyu dışarısına alınması için, tijlerin kuyu dışarısına çıkarılmasına gerek olmaması oluşturmaktadır.
Wire-line karotlu sondajlarda kullanılan tijler, dış tüp ile aynı ölçüdedir
ve iç tüp tijlerin içerisinde kolayca hareket edebilmektedir. Wire-line sondaj
tekniğinde, iç tüp karot ile dolduktan sonra, ince bir çelik halata bağlı olan ve
over shot (olta) adı verilen ekipman kuyuya indirilir. Over shot, iç tüp başlığının üst kısmında bulunan ve çam ağacı adı verilen parçayı kavrar. Halat kuyu
dışarısına çekildiğinde, iç tüpün dış tüp içerisinde sabit bir şekilde durmasını
ve geriye kaçmamasını sağlayan sustalar kapanır ve iç tüp serbest kalır. Daha
sonra halat çekilmeye devam edilerek karotla dolu ve over shot ile tutulmuş
olan iç tüp, tijlerin içerisinden kuyu dışarısına alınır.
İç tüp boşaltılarak bakım ve kontrolü yapıldıktan sonra, tijler içerisinden
halatla kuyu tabanına gönderilir. Kuyuda su varsa, iç tüp doğrudan doğruya
tijlerin içerisinden atılır. Su kaçağı var veya kuyu kuru ise, over shot çelik halat
ile indirilir. İç tüp dış tüp içerisine oturduğunda, iç tüp başlığında bulunan sus-
11
talar kendiliğinden açılarak iç tüpün sabitlenmesini ve geriye doğru gitmesini
önler. Bu işlem sonrasında, karotlu sondaj çalışmasına devam edilir.
Şekil 2.5. Wire-line karotlu sondajın genel modeli [Özdemir, 2009]
12
2.2. Döner-Darbeli Sondaj Yöntemleri
Döner-darbeli sondaj yöntemi, darbenin matkaba iletilme şekline göre
kuyudibi ve yerüstü çekiçli yöntem olarak ikiye ayrılabilir. Ayrıca, değişik formasyonlarda yaşanan sondaj güçlüklerini önlemek, her tür formasyonu güvenli
bir şekilde delebilmek ve örnek alınabilmesini sağlamak amacıyla koruma borusu eşliğinde sondaj, burgulu sondaj, ters dolaşımlı kuyudibi tabancası ile
sondaj vb. gibi özel sondaj yöntemleri de geliştirilmiştir (Şekil 2.6).
Şekil 2.6. Diğer sondaj yöntemleri [Özdemir, 2009]
3. SONDAJ MATKAPLARI VE KAYA DELME MEKANİZMALARI
3.1. Sondaj Matkapları
Sondaj matkapları, formasyonlardan örnek alma şekline göre iki grupta
incelenebilir.
1. Kırıntı örnek almaya uygun matkaplar
2. Karot örnek almaya uygun matkaplar
3.1.1. Kırıntı örnek almaya uygun matkaplar
Bu matkaplar, üzerlerine uygulanan baskı (yük) ve dönme hareketi yardımıyla temasta oldukları formasyonu delerler. Bu delme işlemi, bir kesme ve
öğütme işlemidir. Kesme ve öğütme işlemleri sonucunda oluşan kırıntılar, su
ve sondaj çamuru veya diğer taşıyıcılar (hava vb.) ile kuyu dışına (yerüstüne)
taşınırlar. Bu tür matkaplara, karotsuz ilerleme matkapları da denilmektedir.
Üç konili matkaplar
Üç konili matkaplar gövde, koniler ve koni yataklarından oluşmaktadır
(Şekil 3.1 ve Şekil 3.2). Üç konili matkaplar, çelik ve tungsten karbid dişli olmak
üzere ikiye ayrılır (Şekil 3.3 ve Şekil 3.4). Konili matkaplar aşınmaya dayanıklılığı artırılmış çelik alaşımlardan imal edilmektedir. Çamurlu ve havalı sondaj
çalışmalarda kullanılabilecek özelliktedirler. Her tür formasyona uygun tipleri
bulunmaktadır. Döner sondaj yönteminde en çok kullanılan matkap tipidir.
13
14
Şekil 3.1. Konili matkap yapısı
Şekil 3.2. Konili matkap terminolojisi
15
Şekil 3.3. Çelik dişli üç konili matkap
Şekil 3.4. Tungsten karbid dişli üç konili matkap
Parmak, balık kuyruğu ve kanatlı matkaplar
Bu tip matkaplar, genellikle yumuşak ve taneli formasyonların delinmesinde kullanılmaktadır. Tek parça, birkaç veya daha fazla parçanın birleştirilmesiyle imal edilen matkaplardır (Şekil 3.5).
16
Parmak
Balık kuyruğu
Üç kanatlı
Şekil 3.5. Parmak, balık kuyruğu ve kanatlı matkaplar
PDC matkaplar
PDC matkaplar petrol, jeotermal ve patlatma deliği sondajlarında başarıyla kullanılmaktadır. PDC matkaplar, pahalı olmalarına rağmen dikkatli kullanılmaları durumunda ömürleri oldukça uzun olmakta ve sondaj maliyetini
önemli derecede düşürmektedirler [Özdemir, 2009]. PDC matkapların hem
kırıntı hem de karot örnek almaya uygun türleri bulunmaktadır (Şekil 3.7 ve
Şekil 3.8).
Şekil 3.6. Kırıntı örnek almaya uygun PDC matkaplar
17
Şekil 3.7. Karot örnek almaya uygun PDC matkaplar
3.1.2. Karot örnek almaya uygun matkaplar
Sondaj işlemi sırasında, bir taraftan delme işlemi devam ederken diğer
taraftan da formasyondan kesilen malzemenin silindir boru şeklindeki örnek
alıcı (karotiyer) içerisine girmesi sağlanır. Karot örnek alıcı (karotiyer) kullanılan sondaj çalışmalarında kullanılan matkaplara, karot örnek almaya uygun
matkap denilmektedir.
Elmaslı matkaplar
Karotiyerlerin (karot örnek alıcı) ucunda yeralan, kesme işlemini yapan,
yapısında doğal veya yapay elmasların bulunduğu matkaplara elmaslı matkap
denilir. Bir elmaslı matkap üç ana birimden oluşmaktadır. Bunlar;
1. Elmas taneleri
2. Gövde
3. Matris
Elmaslı matkapların hem kırıntı hem de karot örnek almaya uygun türleri bulunmaktadır (Şekil 3.8, Şekil 3.9, Şekil 3.10). Karot örnek almaya uygun
elmaslı matkaplar, elmas tanelerinin matrise işlenme şekline göre ikiye ayrılmaktadır. Bunlar;
18
1. Yüzeyden taneli elmaslı matkaplar
2. Emprenye elmaslı matkaplar
Vidyeli matkaplar
Tungsten karbid’e sondajcılık dilinde vidye denilmektedir. Kesici yüzeyine vidye taneleri yerleştirilerek imal edilen, yumuşak formasyonların delinmesi için kullanılan matkaplara vidyeli matkap (vidye kron) denilmektedir ve
bu matkaplar karotlu sondaj çalışmalarında kullanılmaktadır (Şekil 3.11).
Şekil 3.8. Yüzeyden taneli elmaslı matkap
Şekil 3.9. Emprenye elmaslı matkap
19
Şekil 3.10. Kırıntı örnek almaya uygun elmaslı matkaplar
Şekil 3.11. Vidyeli matkabın yapısı
3.2. Kaya Delme Mekanizmaları
3.2.1. Üç konili matkapların kaya delme mekanizmaları
Konili matkaplar, formasyonu matkap üzerine verilen baskı ve tork ile
parçalar. Parçalanma olayı, iki türlü olmaktadır [Göktekin, 1991];
1. Kazarak parçalama
2. Ezerek parçalama
Kazarak parçalama, kolay delinebilen formasyon matkaplarının formasyonu parçalama şeklidir. Bu parçalama türünde, matkabın dişleri kayaca gömülür ve dönmenin etkisiyle dişler kayacı iterek talaş kaldırır gibi ince yapraklar halinde formasyondan parçalar koparır (Şekil 3.12). Özellikle kil türü formasyonlarda bu tür parçalanma söz konusudur [Göktekin, 1991].
20
Şekil 3.12. Kazıma etkisi ile formasyonda krater oluşturma evreleri
[Özdemir, 2009]
a. Diş ile formasyon temasında formasyonun elastik şekil değiştirmesi
b. Dişin temas ettiği yüksek gerilme bölgelerinde kesme çatlakları oluşumu
c. Kesme çatlaklarının yüzey boyunca ilerlemesi ile parçalanma
Ezerek parçalama, kolay delinemeyen formasyonlardaki parçalama şeklidir. Matkap dişleri, formasyon üzerine formasyonun tek eksenli basınç dayanımından daha fazla bir kuvvetle basar. Dişin bastığı yerdeki formasyon ezilerek ince toz haline gelir ve buraya gömülen dişin yükünü çevreye iletir. Oluşan
kayma gerilmesi, formasyonun kayma dayanımını yenerek formasyonun parçalanmasını sağlar [Göktekin, 1991]. Böylece dişin altında bir krater oluşur
(Şekil 3.13).
1
2
3
4
Şekil 3.13. Ezerek parçalama işlemi [Özdemir, 2009]
1. Dişin formasyona batması
2. Formasyonun tek eksenli basınç dayanımının yenilmesi
3. Tek eksenli basınç dayanımının yenilmesi ile kayma gerilmesi oluşması
4. Kayada krater oluşumu ve delme işleminin gerçekleşmesi
21
Formasyonun parçalanması için gerekli olan enerji dişe gelen yüke, dişin
formasyona çarpma hızına ve formasyon üzerinde kalma süresine bağlı olduğu
için dişlerarası açıklığı fazla olan matkaplarda delme işi daha hızlı olur. Çünkü,
dişler yüzeye daha hızlı çarparlar ve çarptıkları yüzeyde kalma süreleri daha
fazladır [Özdemir, 2009].
3.2.2. Elmaslı matkapların kaya delme mekanizmaları
Elmaslı matkapların delme işlemini gerçekleştirebilmesi için, üzerlerine
bir yük (baskı) uygulanması ve matkabın ekseni etrafında döndürülmesi gerekmektedir. Delme işlemi, matkabın baskı altında döndürülmesi sonucunda
oluşan makaslama kuvvetinin kayacı plastik deformasyona uğratması ile gerçekleşmektedir. Bu makaslama kuvveti, matkap üzerine uygulanan baskı ve
dönme işlevlerinin bileşkesidir [Heinz, 1985]. Şekil 3.14’de görüldüğü gibi,
elmaslı matkabın verimli bir delme operasyonu yapabilmesi için bu baskı ve
döndürme kuvvetleri arasındaki ilişkinin iyi bir şekilde ayarlanması gereklidir.
Delme olayının anlaşılabilmesi için, matkabın kesme yüzeyinin iyi bir
şekilde incelenmesi gereklidir. Matkabın kayayı delme yeteneği, kayanın sertliği ve dayanımına bağlıdır [Özdemir, 2009].
Şekil 3.14. Delme işleminde kuvvetler dengesi [Sunay, 1966]
Elmaslı matkapların başlıca 3 ana kaya delme mekanizması bulunmaktadır. Bunlar [Heinz, 1985];
22
1. Yontma
2. Basınçla gevşetme
3. Kazıma ve aşındırma
Yontma
Yumuşak kayalarda elmas tanesi (taş), kaya ile temas ettiğinde kaya üzerinde yeterli derinlikte ve yerel bir makaslama gerilmesi oluşturur. Elmas tanesi, baskı altında döndürüldüğünde tarla sürmede kullanılan pulluğun oluk
açması gibi kayada bir oluk oluşturur. Bu aşamada, normal yük kesme yükünden daha fazladır. Elmas taneleri matrise, birinin açtığı oluğu arkadan gelen
tanenin derinleştirmesini sağlayacak şekilde yerleştirildikleri için bu işlemler
sonucunda kayanın delinmesi sağlanır (Şekil 3.15A).
Basınçla gevşetme
Delinen kayanın basınç dayanımının yüksek olduğu ve her elmas tanesine delmeyi sağlayacak yeterli miktarda baskının verilmediği durumlarda, elmas tanesinin kayayı kesmesi kayada basınçla gevşeme şeklinde olur. Kesme
sırasında bir elmas tanesi, kaya üzerinde bir noktadan geçerken tanenin izi
basınç gevşemesi sebebiyle kayada çatlama oluşur. Ardarda ve yan yana gelen
tanelerin oluşturacakları izlerin artması ve derinleşmesiyle delme işlemi gerçekleşir.
Yüksek kapasiteli sondaj makinalarında, yumuşak kaya matkapları kullanıldığında basınç gevşemesi nedeniyle yerel yenilmeler oluşturularak delme
işlemi gerçekleştirilir. Kaya yüzeyinde, yaklaşık 50-100 mikron derinliğinde
çatlaklar oluşur. Dönme işleminin etkisiyle elmas tanesi kaya yüzeyini tahrip
etmeden geçmemektedir (Şekil 3.15B).
Kazıma ve aşındırma
Kazıma ve aşındırma şeklindeki delme işlemi genellikle çok sert kayalarda ve çok yüksek dönme hızlarıyla birlikte çalışıldığında oluşmaktadır. Kazıma ve aşındırma mekanizması, kayanın basınçla gevşetilmesine benzemektedir.
23
Elmas tanesi fazla miktarda parçalanmış bir bölgeyi çapraz olarak geçtiğinde, kesme derinliğinin çatlak derinliğine oranla çok küçük olduğu gözlenmektedir. Üç delme işleminde de bahsedildiği gibi, delme işleminde kayanın
yenilmesi karmaşık bir işlemdir. Yontma tipi kesme ve basınçla gevşetme mekanizması yumuşak kayalar dışındaki bütün kayaçlarda etkili olup, birbirine
benzemektedir. İlk olarak basınç gevşemesi nedeniyle çatlak oluşmakta ve
çatlak büyüdüğünde kırıntılar kopmaktadır. Bununla birlikte, her seferde elmas tanesi belirli bir bölge üzerinden geçerken kayacı ezmekte ve bu ezilme
işlemi kayanın alt yüzeyine de yansımaktadır (Şekil 3.15C).
Delme işleminde hangi mekanizmanın gerçekleştiği, elmas tanesi cinsine, kayanın tane boyutu, sertliğine ve tek eksenli basınç dayanımına bağlıdır.
Çatlak yayılma şekli, muhtemelen kayanın tane boyutunun bir işlevidir.
Şekil 3.15. Elmaslı matkapların delme mekanizmaları [Heinz, 1985]
24
3.2.3. PDC matkapların kaya delme mekanizmaları
PDC matkaplarda, dişlerin kayayı kesmesi esnasında değişik safhalar
vardır (Şekil 3.16). İlk aşamada, matkap dişleri ile kaya üzerinde bir makaslama kuvveti oluşturulur (Şekil 3.17). Bu makaslama kuvveti, kayacın dayanımı yenilinceye kadar artmaya devam eder ve bu esnada kırılma olmaz.
Kayanın dayanımından fazla bir makaslama kuvveti uygulandığında kay adan parçalar kopar ve kuvvette bir düşüş olur. Böylece bir döngü tamamlanmış olur. Bundan sonra dişler serbest yüzeyde batmaya başlar. Şekil
3.18’de makaslama ve baskı (yük) düzleminin PDC kesici elemanı ile ilişkisi
görülmektedir.
PDC matkaplar birincil olarak makaslama hareketleriyle kayayı kesmekte olup, diğer matkaplar (örneğin taşlı, elmas ve emprenye elmas) kayayı kırma ve ezme olayları ile delmektedir (Şekil 3.19).
Şekil 3.16. PDC matkapların delme mekanizması [Ersoy, 2008]
Şekil 3.17. PDC kesici elemanlarının kayayı sıkıştırma veya baskı kuvvetlerinden
ziyade makaslama mekanizması ile parçalaması [Ersoy, 2008]
25
Şekil 3.18. Makaslama ve baskı (yük) düzleminin PDC kesici elemanı ile ilişkisi
[Ersoy, 2008]
PDC matkapları kayayı makaslama hareketi ile keserek parçalamaktadır.
Diğer matkaplar, örneğin elmas ve konili matkaplar kayayı kırarak, sıkıştırarak
ve öğüterek parçalamaktadır. Makaslama hareketi ile kesme işlemi, sıkıştırma,
kırma ve ezme işleminden daha az enerji tüketmektedir. Böylece sondajda,
PDC matkaplarında daha az matkap baskısı uygulanmaktadır.
4. SONDAJI ETKİLEYEN FAKTÖRLER
Sondaj işlemi, birçok faktörden etkilenen karmaşık bir olaydır. Matkap
türü ve çapı, dönme hızı, baskı kuvveti, tork ve dolaşım sıvısı kontrol edilebilen
parametrelerdir. Diğer yandan kayanın fizikomekanik özellikleri ve jeolojik
koşullar (süreksizlikler, tabakalanma durumları, tane boyutu, matriks yapısı,
gözeneklilik, çimentolanma derecesi ve aşındırıcı mineral oranı gibi) kontrol
edilemeyen faktörler kaya delinebilirliğinde etkili olmaktadır.
Sondaj birçok faktörce etkilenen karmaşık bir işlemdir. Bunlardan en
önemlileri [Karanam ve Misra, 1998];
a. Matkap tipi ve geometrisi
b. Uygulanan baskı ve dönme hızı
c. Hava veya çamur püskürtmesi yapılan ortam ve püskürtme hızı
d. Kaya özellikleri
Bunlardan (a) ve (c) kontrol edilebilir sondaj parametreleriyken, (d)
kontrol edilebilir bir parametre değildir.
Sondaj yöntemlerinin performansı genelde kayaçların delinebilirliği ile
ifade edilir. Bu, belirlenen bir kayaçta delmenin tahmini veya gerçek hızı olarak
tanımlanır. Döner veya döner-darbeli sondaj yöntemlerinde, delinebilirlik indeksi, bu özelliğin bağıl kanıtı olarak göz önüne alınır.
Delme indeksi, kullanışlı bir parametredir ve uygun sondaj tekniğini belirlemeye yardımcı olur. Yani, ortalama bir sondaj sonucu elde etmek için, döner sondaj veya döner-darbeli sondaj yöntemi kullanmak gibi. Aynı zamanda,
delme işleminin standartlarını oluşturmada ve yapılan işin maliyetini ölçmede
kullanılmaktadır. Ayrıca, tijlerin ve matkabın ortalama ömrünü belirlemeye de
yardımcı olur. Kayacın delinebilirliğinin bilinmesi, sondaj matkap ve makinelerin üretiminin yapılması ve diğer mekanizmalar için büyük önem taşır.
Kaya delinebilirliğinde kontrol edilemeyen parametrelerin belirlenmesi
(kaya özelliklerinin), sondaj çalışmasında kullanılacak delme yöntemi, matkap
türü, matkap dönme hızı, matkap üzerine uygulanacak yük miktarı, delme dizisi niteliği, pompa türü, dolaşım sıvısı /hava hızı ve hacmi, personel vb. gibi
kontrol edilebilen parametrelerin en iyi şekilde seçilebilmesine (tasarım aşamasında) imkan vermektedir. Ayrıca elde edilen veriler maliyet tahminlerinde
ve sondaj çalışma sürelerinin planlanmasında kullanılabilecektir.
26
Delinebilirliğin Değerlendirilmesi
27
4.1. Kayaların Jeolojik ve Mühendislik Özellikleri
Kaya delinebilirliği üzerinde etkili olan jeolojik ve mühendislik özellikleri, dokusal özellikler, fiziksel ve mühendislik özellikleri olmak üzere iki grup
altında toplanabilir [Özdemir, 2007].
4.1.1. Dokusal özellikler
Kayalar genel olarak, volkanik, sedimanter ve metamorfik olmak üzere
3’e ayrılırlar. Kaya malzemelerinin davranışları, yapılarını oluşturan minerallerin ve mineral taneleri arasındaki matriks malzemesinin özelliğine bağlı olarak farklılık arz etmektedir. Kayaların dokusal özellikleri de, kaya malzemesini
oluşturan mineral taneleri ve matrikse bağlı olarak farklılıklar gösterir. Çizelge
4.1’de kayaların dokularına göre sınıflandırılması Goodman (1989) tarafından
gerçekleştirilen çalışmadan alınarak verilmiştir.
Kaya dokusu, Williams ve diğ. (1982) tarafından, kristalleşme derecesi,
tane büyüklüğü veya taneleşme ve kayayı oluşturan bileşenler arasındaki yapı
veya geometrik ilişkiler olarak tanımlanmıştır. Bunun yanında, Howarth ve
Rowlands (1987) ise, taneler arası ilişkiler ve tanelerin geometrik özellikleri
olarak tanımlamışlardır. Bu tanımlamalardan hareket ederek, kaya dokusunun,
kaya malzemesini oluşturan tanelerin birbirilerine bağlanmalarının sağlanabildiği ortamlar olarak tanımlamak mümkündür.
28
Çizelge 4.1 Kayaların dokularına göre sınıflandırılması [Goodman, 1989]
29
Kayaların dokusal özelliklerinin tespitinde, kaya dokusunu oluşturan tanelerin geometrik özelliklerinin, ince kesitlerden alınan mikroskop görüntüleri
ile tanımlanması gerekmektedir. Bu geometrik özellikler ise şu şekilde özetlenebilir; tane şekli, açısı, tanelerin birbirine bağlanma derecesi, tanenin özelliklerinin birbiriyle olan ilişkisi ve matriksin büyüklüğü. Kayaların dokusal özelliklerini belirleme konusunda Howarth ve Rowlands (1987) tarafından gerçekleştirilen çalışma son derece önemlidir. Bu çalışmada araştırmacılar, dokuyu
oluşturan tanelerin şekilsel özelliklerinden faydalanarak doku katsayısı (TC)
kavramını öne sürmüşlerdir. Bu durum kayaların dokusal özelliklerinin sayısallaştırılmasını sağlamış ve bu sayede kayaların mekanik özellikleri, fiziksel
özellikleri ile dokusal özellikleri arasında bir ilişkinin var olup olmadığı konusunda araştırmalar yapmak mümkün olmuştur. Bunun yanında kayaların
minerolojik, dayanım ve benzeri özellikleri ve TC arasındaki ilişkiler farklı
araştırmacılar tarafından araştırılmış ve sonuçlar değerlendirilmiştir.
Howarth ve Rowlands (1987) gerçekleştirmiş oldukları çalışma ile TC
kavramını öne sürmenin yanında, kayaların tek eksenli basınç dayanımları,
çekme dayanımları, elastik modülleri ve sondaj ilerleme hızları ile dokusal
özellikler arasındaki ilişkileri araştırmışlardır. Yapılan çalışmalar sonucunda,
özellikle sondaj ilerleme hızı ile TC arasında son derece yüksek bir korelasyon
bulunmuştur. Bunun yanında, tek eksenli basınç dayanımı ve çekme dayanımı
ile TC arasında da önemli korelasyona sahip ilişkiler bulunmuştur. Özellikle
sert kaya grubuna ait kayalar üzerinde yapılan araştırmalar, TC ile çekme ve
basınç dayanımları arasında son derece önemli ilişkilerin olduğunu göstermektedir.
Kaya dokusu ve tane boyu, delinebilirliği etkileyen faktörlerden biridir.
Tane boyları ince ve doku kompakt (yoğun) olduğu zaman delinebilirlik düşmektedir. İri tane boyuna ve daha gözenekli dokuya sahip kaya türlerinde ise
delinebilirlik yüksektir.
Tane şekli, delme hızı üzerinde etkili bir özelliktir. Köşeli taneli kayalarda yapılan ilerleme miktarı, yuvarlak taneli kayalarda yapılan ilerleme miktarından daha azdır. Ayrıca, köşeli tane içeren kayalarda, matkap aşınma miktarı
da fazladır. Çizelge 4.2’de doku ve tane boyutuna göre delinme hızları verilmiştir.
30
Çizelge 4.2. Doku ve tane boyu ile delinme hızı arasındaki ilişki [Wilbur, 1982]
4.1.2. Fiziksel ve mühendislik özellikleri
Kayaçların fiziksel özellikleri olarak anılan özellikleri, bir kayayı diğer
kayalardan farklı kılan ve kayanın yapısına bağlı olarak değişen özelliklerin
toplamı olarak tanımlanabilir. Bu özellikler kayanın oluşumuna ve doku ve
bileşen kompozisyonuna bağlı olarak farklılık arz etmekte olup, kaya malzemesinin tanımlanmasında önemli roller üstlenmektedir.
Mekanik özellikler ise, kaya malzemesinin dinamik ve statik yükler altındaki davranış modellerini temsil eden özellikler olarak sınıflandırılabilir.
Mekanik özelliklerin tayini gerek laboratuar gerekse arazide gerçekleştirilen
deneyler ile elde edilir.
Delinebilirlik özellikleri ise, kaya yapılarında açılacak sondaj, tünel, galeri, kuyu ve benzeri yapıların açılması esnasında kaya malzemelerin delme işlemlerine ne derece direnç göstereceğinin anlaşılabilmesini tespit eden özelliklerdir. Bunun yanında kaya malzemelerin delinebilirliği, delme işlemini gerçekleştirecek olan makinelerin performansları üzerinde de etkili olmaktadır. Bu
sebepten dolayı, makine performanslarını temsil eden parametrelerde kayaların delinebilirlik özellikleri ile birlikte değerlendirilebilir.
Bir kayacın delinebilirliğinde incelenen önemli fiziksel ve mühendislik
özellikleri; yoğunluk, birim hacim ağırlık, gözeneklilik (porozite), su emme,
doluluk ve boşluk oranı, dayanım, sertlik, aşındırıcılık vb.’dir.
31
Yoğunluk ve birim hacim ağırlık
Yoğunluk (p) ve birim hacim ağırlığı (y) kayaların birim hacimlerinin
ağırlığını vermesi açısından son derece önemlidir. Birim hacim ağırlık deneylerinin yanında delinebilirliğe etkisinden dolayı gözeneklilik (porozite) ve buna
bağlı boşluk hacmi ve boşluk oranlarının hesaplanmasında fayda vardır.
Kayadaki gözeneklilik artışı, kaya dayanımının azalmasına neden olmaktadır. Yüksek gözenekli kayaların delinebilirliği yüksektir.
Süreksizliklerin durumu, kırıklar ve çatlaklar
Kaya kütlesinin genel yapısı delme işleminin etkinliğinde önemli rol oynar. Kaya kütlesinin yapısı ile kaya delinebilirliği arasında önemli bir ilişki
vardır. Eklemli kaya yapılarında sondaj yapmak, sağlam kaya yapılarına oranla
çok daha zordur. Aşırı eklemli, süreksizlik araları açık bölgelerde sondaj yapmak beraberinde birçok sorun getirmektedir. Bu formasyonlarda, sondaj işlemi sırasında matkabın sıkışması delinebilirliğin düşmesi açısından en büyük
etkendir.
Eklem sistemlerindeki en önemli karakteristik özellik, süreksizlikler
arasındaki mesafedir. Kayanın delinebilirliği, bu mesafeye bağlıdır. Süreksizlikler arası mesafe, kaya kütlelerinin kalitelerinin sınıflandırılmasında kullanılan
önemli bir parametredir. Bu mesafe azaldıkça, delme ortamının sürekliliği de
azalacak, bunun sonucunda, delinebilirlikte azalacaktır. Yapılan araştırmalarda
elde edilen sonuçlara göre, 1 metre ve üzerindeki süreksizlikler arasındaki
mesafelerde, delme işlemi daha etkili olmaktadır. 50 cm ve altındaki mesafelerde ise, delinebilirlik çok düşüktür [Hoseinie, 2008].
Delinebilirliğe etki eden süreksizlikler ile ilgili bir diğer önemli özellikte,
süreksizliklerin açıklıkları ve bu açıklıkları dolduran dolgu malzemesinin varlığıdır. Arası kapalı çatlarlar veya eklemlerin olduğu durumların, delinebilirlik
üzerine çokta olumsuz bir etkisi yoktur. Açık eklemlerin bulunması, matkabın
eksenden sapmasına, temizlik elemanlarının (basınçlı hava, su vb.) buralardan
kaçmasına ve matkabın kilitlenmesine neden olmaktadır. Süreksizlikleri dolduran dolgu malzemesi ana kayadan daha yumuşaksa, matkap bu süreksizlikler boyunca ilerlemek isteyeceğinden, delinebilirlik azalacaktır. Tam tersi durumlarda ise, delinebilirlik etkilenmeyecektir. Kısacası, süreksizlik dolgu malzemesinin delme işlemi yapılan kayadan daha sert veya aynı sertlikte olması
delinebilirliğe olumsuz bir etki yapmayacaktır. Yapılan araştırmalarda, daha
küçük yapılı dolgu malzemelerinin olduğu süreksizliklerde delinebilirliğin
olumsuz yönde etkilendiği görülmüştür. Bu gibi durumlarda, delik dibindeki
ufalanmış kayanın dışarı çıkması zorlaşmaktadır ve sonuçta yine delinebilirlik
olumsuz yönde etkilenmektedir [Wilbur, 1982].
32
Eklemlerin eğimi de delinebilirliği etkileyen faktörlerdendir. Eklemler
sondajın sapmasına ve bunun sonucunda delme yükü ile delinme performansı
olumsuz yönde etkilenmektedir. Dolgu malzemesi ile dolmuş eklem takımlarında eğime bağlı olarak delme işlemi sırasında ve sonrasında, kuyu içerisine
dolabilir bu durumda matkabın sıkışmasına neden olabilir. Sondaj yönü ile
eklem yüzeyi arasındaki açı artar ise, delinebilirlik kolaylaşabilir [Wilbur,
1982]. Çizelge 4.3’de kaya formasyonu ile delinme durumu arasındaki ilişki
verilmiştir.
Süreksizliklerin içerisinde daha küçük boyutlu kırık ve çatlaklarıda
(mikroçatlak) sayabiliriz. Delinebilirlik tanımında kırıklar, bir çekiç darbesi ile
kayacın nasıl kırılacağını ifade eder. Masif kırıksız kayalar daha yavaş delinirken, dayanımı düşük kayalar daha hızlı delinmektedir [Wilbur, 1982]. Çizelge 4.4’de kırılma şekline göre delinme durumu verilmiştir.
Çizelge 4.3. Kaya formasyonu ile delinme durumu arasındaki ilişki [Wilbur, 1982]
33
Çizelge 4.4. Kırılma şekline göre delinme durumu [Wilbur, 1982]
Tek eksenli basınç dayanımı
Kayaların dayanım özellikleri, yaygın olarak dünyanın her tarafında
standart olarak elde edilebilir olduklarından uzun zaman delinebilirlik ölçütü
olarak kullanılmışlardır. Fakat tek eksenli basınç dayanımı kayacın aşındırıcılık, kırılganlık ve süreksizlik gibi özellikleri hakkında bir fikir vermemektedir.
Dayanım, delinebilirliği etkileyen en önemli unsurlardan birisidir. Bu
nedenle matkap çalışma koşulları, kaya dayanımlarına göre saptanmalıdır.
Aksi takdirde, matkap çok kısa sürede ömrünü tamamlayacaktır. Kayanın tek
eksenli basınç dayanımı arttıkça kaya delinebilirliği azalmaktadır.
Kaya delinebilirliği çalışmalarında, kayaların dayanım özellikleri tek eksenli basınç, tek eksenli çekme (Brazilian) ve nokta yük deneyleri yapılmak
suretiyle belirlenmektedir.
Nokta yük dayanım testi, kayaların dayanımlarına göre sınıflandırılmasında ve anizotropilerinin belirlenmesinde yaygın olarak kullanılan bir indeks
deneydir.
Tek eksenli basınç dayanımı, kayaçların en önemli mühendislik özelliğidir. Tek eksenli basınç dayanımı birçok kayaç sınıflama sisteminde kullanılan en önemli parametredir. Çünkü kayacı oluşturan malzemenin sağlamlığı,
genel kaya kütlesinin dayanımını arttırmaktadır. Tek eksenli basınç dayanımını etkilen önemli faktörlerin başında; kayacı oluşturan mineraller ve dağılımları, mikro çatlaklar, porozite, yoğunluk, elastisite v.b. gelmektedir. Düşük
poroziteli kayaçlar genelde yüksek yoğunluk değerlerinde olmakla birlikte,
yüksek basınç dayanımları, düşük yoğunluk değerli kayaçlar düşük basınç
dayanımı vermektedir. Çizelge 4.5’de tek eksenli basınç dayanımlarına göre
kayaların sınıflandırılması verilmiştir.
34
Çizelge 4.5. Tek eksenli basınç dayanımlarına göre kayaların sınıflandırılması
[ISRM, 1978]
Kaya numunelerinde basınç dayanımı, üzerine uygulanan basınç kuvvetine karşı, kayaların kırılmadan önceki dayanma yeteneği olarak tanımlanır.
Kısacası, kayaçların kırılmaya karşı gösterdikleri dirençtir. Düzgün geometrik
şekilli numunelerin basınç dayanımlarının bulunmasında kullanılan en yaygın
yöntemdir.
Tek eksenli basınç dayanımı deneyleri ile birlikte deformasyon deneyi de yapılabilir. Deformasyon, delinebilirlik çalışmalarında kayacın davranışını kavrayabilmek açısından önemlidir. Deformasyon deneyi ile bulunabilecek bir diğer kavram ise spesifik tahrip enerjisi (Destruction Specific Energy,
SEDES) kavramıdır. Delinebilirlik kavramına referans olabilecek bir kavram
olan spesifik tahrip enerjisi (SEDES), deformasyon deneyi sonunda elde edilen a
- e grafiğinin altında kalan alan olarak hesaplanır. Daha açık ifadeler ile tanımlamak gerekirse, kaya içinde yeni yüzeyler veya yeni çatlaklar için gereken
enerji miktarıdır. Birimi genellikle kj/m3 olarak ifade edilir [Ersoy, 2003]. Şekil
4.1’de gerilme-deformasyon eğrisine bağlı spesifik tahrip enerjisi grafiği verilmiştir.
Şekil 4.1. Gerilme-deformasyon eğrisine bağlı spesifik tahrip enerjisi grafiği
[Ersoy, 2003]
35
Sertlik
Bir kayacın sertliği, kayanın minerallerini bir arada tutan bağ kuvveti
dolayısıyla çizilmeye karşı gösterdiği dirençtir. Sertlik belirlemede, Mohs sertliği, Shore Scoleroscope indeksi, Schmidt çekici sertliği indeksi ve NBC koni
delici sertliği, darbe dayanım indeksleri kullanılmaktadır. Mohs Sertlik Skalası
(Çizelge 4.6 ve Çizelge 4.7) Avustralyalı mineralog Friedrich Mohs (17731839) tarafından 1824 yılında önerilmiştir.
Çizelge 4.6. Mohs sertlik değerleri [NAST, 1955]
Mineral
Sertlik
Elmas
10
Korindon
9
Topaz
8
Kuvars
7
Feldspat
6
Apatit
5
Fluorit
4
Kalsit
3
Jips
2
Talk
1
Çizelge 4.7. Mohs sertlik değerlerine göre kayaların sınıflaması
[Hoseinie, 2008]
36
Shore Skeleroskopu ile yüzey sertliğinin ölçülmesi
Bu yöntemde, belirli bir ağırlığa (~ 2,40 gr) sahip elmas veya sertleştirilmiş metal uçlu bir çekice, sabit bir (~ 25 cm) yükseklikten yatay durumda konumlandırılmış bir numune üzerinde serbest düşme yaptırılır. Bu
çekiç, örneğin yapısına göre enerjisinin bir kısmını yüzeyde deformasyon oluşturacak şekilde numuneye aktarır kalan enerjisi ile de numune üzerinden
zıplamaktadır. Çekicin zıplama yüksekliği, skeleroskobun kadranından
okunmaktadır (Şekil 4.2).
Numunelerin pratikte her noktada homojen bir yapı göstermeyeceği düşünülerek numunelerden en az 20 okuma yapılmaktadır. Bunun için numune
yüzeyleri 5 mm aralıklara bölünerek numune yüzeyinin farklı noktalarından
ölçümler yapılmaktadır. Ölçüm yapılacak numunelerin, en az 10 cm2 yüzey
alanına ve 1 cm kalınlığa sahip olması gerekmektedir [Karpuz ve Hindistanlı,
2006]. Shore sertlik değeri, yapılan ölçümlerin ortalaması olarak kabul edilmektedir.
Resim 4.1. Shore skeleroskop aleti
Delinebilirlik için uygun sertlik ölçümü, Shore Skeleroscope sertliğidir.
Çünkü; Shore sertliği tane boyutu ve şeklini, tanelerin birbiriyle bağlanma oranı ve türü gibi kaya niteliklerini örneklemekte yani ölçümlerinde bu özellikleri
yansıtmaktadır [Ersoy, 1998].
37
Aşındırıcılık
Kayaların aşındırıcılığı, delme faaliyetlerinde önemli bir rol oynamaktadır. Kayanın aşındırıcılık özelliklerinin artması genel olarak, delme hızını düşürmekte ve buna bağlı olarak maliyetleri de olumsuz yönde etkilemektedir.
Bu nedenle, son yıllarda kayaların aşındırıcılıklarının önceden belirlenmesine
yönelik çalışmalar hız kazanmıştır. Bu çalışmaların genellikle kuvars miktarı,
kuvars tane çapı, çimentolanma maddesinin sağlamlığı, aşındırıcı minerallerin
geometrisi ve kayanın mekanik dayanımı üzerinde yoğunlaştırmış oldukları
dikkati çekmektedir.
Kayaların aşındırıcılığının ölçümü için ileri sürülen yöntemler “
Petrolojik Yöntemler ” ve “ Mekanik Yöntemler ” olmak üzere ikiye ayrılır
[West, 1981].
Petrolojik yöntemler
Petrolojik yöntemler, kayanın mineralojik bileşiminin sayısal tahminine
ve kayanın içerdiği minerallerin sertliklerinin bilinen değerleri ile bunun kombine edilmesine bağlıdır. Kaya sertliğini belirlemede Mohs Sertlik Skalası ve
Rosiwall Sertlik Skalası olmak üzere 2 tür yöntem kullanılmaktadır. Her iki
yöntemde de mineralojik bileşim, kayanın bir örneğinin ince kesitlerinin
petrolojik incelenmesiyle veya kaya 0.1 mm’den daha küçük taneler içerirse Xışınları difraksiyonu analizi ile belirlenmektedir. Her mineralin kaya içerisindeki oranı ile o mineralin sertliği çarpılmakta ve tüm kaya için sayısal bir değer
vermek için bulunan değerler toplanmaktadır. “Ortalama Sertlik” olarak tanımlanan bu değer, kayanın aşındırıcılığının bir ölçüsü olarak kullanılmaktadır.
Mohs sertlik skalasını kullanan yöntem
Bu yöntemde, kayaların ortalama sertliğini belirleyebilmek için öncelikle
kaya içerisindeki minerallerin hacimce yüzdeleri bulunmaktadır. Daha sonra
kaya içerisindeki her mineralin Mohs sertlik skalasına göre sahip oldukları
sertlik değeri ile hacimce oranları çarpıldıktan sonra bulunan değerler toplanmakta ve elde edilen sonuç kayanın ortalama sertliğini vermektedir. Mohs
skalasını kullanan petrolojik yöntemin bazı örnekleri Çizelge 4.8’de verilmiştir.
Çizelgede görülen kayaların aşındırıcılıklarına göre azalan bir sıra ile kumtaşı,
granit, çamurtaşı ve kireçtaşı şeklinde sıralanmaktadırlar.
Mohs sertlik skalasını kullanan yöntemin bir dezavantajı, sertlik numaralarını bildiğimiz şekilde sıralamanın yerine, miktarsal ölçümler şeklinde ele
almasıdır. Mohs sertlik skalası; daha sert mineralin daha yumuşak olanı çizme
yeteneğine dayalı bir sertlik skalasıdır. Bu skalanın kayalara değil sadece minerallere uygulanabilmesi önemli bir dezavantajdır [West, 1981].
38
Çizelge 4.8. Mohs sertlik skalasını kullanan yönteme göre bazı kayaların aşındırıcılık - ortalama sertlikleri [West, 1981]
Rosiwall sertlik skalasını kullanan yöntem
Rosiwall sertlik skalası; standart aşındırıcı bir tozla muamele edilen minerallerin karakteristiğine dayalı bir sertlik skalasıdır. Mohs sertlik skalasında
sertlik numaralarının miktarsal ölçümler şeklinde ele alınmasıyla ortaya çıkan
dezavantaj, korindon’la (zımparayla) ilişkili minerallerin sertliğini miktarsal
olarak ifade eden Rosiwall skalasının kullanımı ile ortadan kaldırılmıştır (Çizelge 4.9). Dört farklı kaya için Çizelge 4.10’da örnekler verilmiştir.
Kayalar bu skalaya göre, azalan bir şekilde kumtaşı, çamurtaşı, granit ve
kireçtaşı şeklinde sıralanmıştır. Sıralanma, Mohs skalasını kullanan yöntemde
verildiği gibi bütünüyle aynı değildir. Aşındırıcılığın bir ölçütü olan kuvars
içeriğine göre bir sıralama yapılacak olursa, kayaların Rosiwall’ın sertlik skalasını kullanan yöntem tarafından verildiği gibi aynı sırada sıralandığı görülebilir. Kuvars, Rosiwall’ın skalasında kayayı oluşturan diğer minerallerden daha
fazla aşındırıcıdır. Mohs skalası gibi, Rosiwall skalası da sadece minerallere
uygulanabilmektedir.
Aşındırıcılığın ölçütü “ortalama sertlik”’te, tane boyu, köşeli olma durumu ve kayaçtaki minerallerin bağlantısının sağlamlığı gibi faktörler her iki
yöntemde de hesaba katılmamıştır [West, 1981].
39
Çizelge 4.9. Rosiwall sertlik skalası
Mineral
Sertlik
Elmas
140000
Korindon
1000
Topaz
175
Kuvars
120
Feldspat
37
Apatit
6.5
Fluorit
5
Kalsit
4.5
Jips
0.25
Talk
0.03
Çizelge 4.10. Rosiwall sertlik skalasını kullanan yönteme göre bazı kayaların aşındırıcılık - ortalama sertlikleri [West, 1981]
Kuvars içeriği
Kuvars içeriği ya ince kesitlerden veya X-ışınları difraksiyonu ile belirlenir ve bazen kaya aşındırıcılığının bir ölçütü olarak kullanılır. Bu yöntemin
40
avantajı, tam bir mineralojik analiz yapmaktansa, sadece kuvars içeriğini ölçmenin çok daha çabuk ve basit olmasıdır. Bu yöntemin dezavantajları ise, tek
bir minerale aşındırıcılık belirlenmesi ve tane boyutu, tane şekli ve taneler
arası bağlantının sağlamlığı gibi faktörlerin hesaba katılmamış olmasıdır. Mc
Feath Smith [West, 1981] kayaların aşındırıcılık özelliklerini açıklamak için
kuvars içeriğinin yalnız başına yeterli olmadığını belirtmiştir.
Eğer kaya ince taneli malzeme içerirse (0.1 mm’den küçük taneler), ince
kesitleri inceleyerek kuvars tanelerini teşhis etmenin zorluğundan dolayı kuvars içeriği gerçek değerinden daha az olarak tahmin edilebilmektedir. Bu nedenle, ince taneler içeren kayalarda X-ışınları difraksiyonu yöntemi tercih
edilmektedir.
Schimazek aşınma indeksi
Schimazek ve Knatz [West, 1981], kayaların petrografik analizlerine dayanarak bir aşınma indeksi geliştirmişlerdir. Aşınma indeksi şu bağıntıdan elde
edilir.
F = Q.d.t
Burada; F : Aşınma indeksi (N/mm), Q : Kayanın kuvars içeriği (%), d :
Ortalama kuvars tane boyutu (mm), t : Kayanın çekme dayanımı (N/mm2)
Eğer kuvars tane boyutu 0.035 mm’den küçükse d = 0.025 mm kabul
edilir, zira bu değerin altındaki taneler keski aşınmasını etkilememektedir
[West, 1981].
Bağıntı incelendiğinde, kayanın kuvars içeriği bağıntıda çarpan durumundadır. Çok yüksek dayanıma sahip bir kaya aynı zamanda sıfıra çok yakın
bir değerde kuvars içerirse, bu eşitliğe göre kayanın aşınma indeksinin çok
düşük olduğu neticesine varılır. Dolayısıyla, bu tür kayalarda yapılacak kazı
esnasında galeri açma makinasının keski sarfiyatının düşük olacağı ve yapılan
kazının ekonomik olacağı düşünülebilir. Ancak, keski aşınmasına sebep olan
faktörlerden en önemlileri kayanın mekanik dayanımı ve kuvars içeriği olmasına rağmen, kuvars içeriği sıfıra yakın olduğu zaman kayanın mekanik dayanımı hiç dikkate alınmamış olur. Yani kayanın kuvars içeriği sıfıra yakın olduğu
zaman aşınma indeksi, kayanın mekanik dayanımı ne olursa olsun sıfır değerindeymiş gibi gözükür. Halbuki, kuvars içermeyen ve çok yüksek dayanıma
sahip kayalar da önemli ölçüde keski aşınmasına neden olabilmektedir. Bu
nedenle, dayanım faktörüne kuvars içeriği veya aşındırıcılık faktörünün ilave
edilmesiyle elde edilecek olan bağıntının daha umut verici olabileceği önerilmektedir [West, 1981].
41
Silika içeriği
Kayaların silika (SiO2) içeriğinin, kayaların aşındırıcılığının bir ölçütü
olabileceği önerilmektedir. Silika içeriği, kayacın toz haline getirilmiş bir örneğinin kimyasal analizi ile belirlenir. Bir kayanın silika içeriği, kayada sadece ne
kadar kuvars olduğunu değil aynı zamanda feldspat, mika ve kil mineralleri
gibi silikat minerallerinin miktarını da yansıtmaktadır. Çizelge 2.12’de bazı
yaygın kaya tiplerinin kuvars ve silika içerikleri verilmiştir. Mineral taneleri
arasındaki bağlantının sağlamlığı, tanelerin boyutu ve köşeli olma durumları
gibi faktörler daha önce anlatılan yöntemlerde olduğu gibi burada da dikkate
alınmamaktadır. Eğer, kayada aşındırıcı mineral olarak kuvars hakimse o zaman kuvars içeriği silika içeriğinden daha iyi bir aşındırıcılık ölçütü olacaktır
[West, 1981].
Silika içeriği ve kuvars içeriği terimleri bazen karıştırılmakta ve yanlış
kullanılmaktadır [West, 1981]. Kuvars oranı, kayadaki saf ‘’serbest’’ silikat
oranı olup, mikroskop altında ince kesitten veya X-ışınları yöntemi ile tespit
edilmektedir. Toplam silikat oranını ise ‘’serbest’’ saf kuvars oranı ve diğer
silikat minerallerinin silisyum oranı (olivin, piroksen, amfibol, kil, feldispat,
epidot, mika vb.) oluşturmaktadır. Bu içerik kimyasal analiz yöntemi ile saptanmaktadır [Ersoy, 1998].
Çizelge 4.11. Bazı yaygın kaya tiplerinin kuvars ve silika içerikleri
[West, 1981]
Mekanik yöntemler
Kaya aşındırıcılığının ölçülmesi için birçok mekanik deney bulunmaktadır. Bu deneylerden kaya delinebilirliğinde kullanılanları ilerleyen bölümlerde
açıklanmıştır.
42
Keski aşınma deneyi
Deneyde özel olarak yapılmış bir keski tutucusu tarafından tutulan bir
keski kullanılır [West, 1981].
Deneyin avantajı, tünel açma makinalarında kullanılan keskilerle aynı
malzemeden yapılan ve benzer şekildeki keskilerle kayanın karot örneği üzerinde yapılabilmesidir.
Cerchar deneyi
Koniklik açısı 90° olan keskin bir çelik uç, 7 kgf’lik bir yük altında uygun
boyuttaki (30 mm3) mengeneye sıkıştırılmış olan kayanın yüzeyine uygulanır
(Şekil 4.13). Daha sonra kaya örneğini tutan mengene, hareket ettirme kolunun
10 kez çevrilmesi suretiyle 10 mm yavaşça hareket ettirilir ve bu
yerdeğiştirme ölçekten kontrol edilir. Deneyin 1 dakika içinde tamamlanması
gerekir. Bu işlemden sonra yük kaldırılır ve çelik uçta meydana gelen aşınma
yüzeyi ölçülür. Aşınma yüzeyinin karşıt çapları boyunca 2 ölçüm yapılır. Ortalama değer alınır ve mm’deki aşınma yüzeyi çapı 10’la çarpıldıktan sonra kayanın aşındırıcılığı elde edilir. Kayanın aşındırıcılığı için ortalama bir değer
verebilmek için kayanın tek bir örneği üzerinde bir kaç ölçümün yapılması
gerekir. Her örnek üzerinde yeterli bir sayı olarak belirlenen 5 deney yapılması
önerilmektedir [West, 1989]
Cerchar indeksini esas alan bir aşındırıcılık sınıflaması Çizelge 4.12’de
verilmiştir. Şekil 4.4’de ise, Cerchar indeksi ile Mohs sertlik skalası arasındaki
ilişki gösterilmiştir.
Bu deney kullanıldığında kaya aşındırıcılığının tane boyutu ile hızlı bir
şekilde arttığı gözlenmiştir. Kayaların Cerchar aşınma indeksindeki artışlar,
matkabın delme hızını düşürmektedir. Cerchar deney ölçümleri; kayadaki sert
ve aşındırıcı minerallerden (toplam silisyum oranı) önemli oranda etkilenmektedir. Mineral sertliği magmatik kayaların Cerchar deney ölçümlerinde, mineral aşındırıcılığı tortul kayaların Cerchar deney ölçümlerinde önemli rol oynamaktadır. Bu nedenle aşınma indeksi ile delinen kayadaki toplam silisyum
içeriği arasında iyi bir ilişkilendirme mevcuttur [Ersoy, 1998].
Resim 4.2. Cerchar deney aleti
43
44
Çizelge 4.12. Cerchar aşınma indeksi kaya sınıflaması [Sauna ve Peters, 1981]
Şekil 4.2. Cerchar deneyi aşındırıcılık değerleri ile mohs sertlik skalası arasındaki
ilişki [West, 1989]
45
Kayaların aşındırıcılık özelliği, kaya ile temas eden matkap gövdesinde
ve özellikle matkap dişlerinde oluşan aşınmanın tahmini için göze alınması
gereken en önemli parametredir. Bir sondaj işleminde bu özellikler iyi tespit
edilerek uygun matkap tipi seçilmelidir. Cerchar Aşınma İndeksi ve Schimazek
F Aşınma Faktörü en fazla kullanılan aşınma ölçüm yöntemleridir.
4.2. Sondaj Parametreleri
4.2.1. Üç konili matkapların çalışma koşullarını etkileyen faktörler
Üç konili matkapların çalışma koşullarını etkileyen faktörler şunlardır
[Özdemir, 2007] ;
- Formasyon özelliklerine uygun matkap seçimi
- Matkaplar üzerine uygulanacak yük (baskı-ağırlık)
- Matkap döndürme hızı
- Matkap kesintilerinin kuyu dışına atılma hızı
Formasyon özelliklerine uygun matkap seçimi
Matkaplardan istenilen verimin alınabilmesi için, delinecek formasyonun aşındırıcılık ve tek eksenli basınç dayanımı değerinin bilinmesi gerekmektedir. Bu özelliklerinin bilinmesi, formasyonun delinmesi için kullanılacak en
iyi matkabın seçilmesini sağlayacaktır. Çünkü, matkap üretiminde formasyonların delinebilirlik özellikleri dikkate alınmaktadır. Formasyona uygun matkap
seçimi Çizelge 4.13’de verilmiştir.
IADC kodu 5-6-7 ile başlayan (tungsten karbid dişli) matkaplar yüksek
delme hızı sağlamak için geliştirilmiştir. En iyi delme hızını sağlayacak yük ve
dönme hızı ile delme yapamayacak duruma gelinceye kadar çalıştırılırlar.
Ömürleri 100-200 saat kadardır. Gerekli yük ve dönme hızında çalıştırılmazlarsa istenilen delme hızları elde edilemez. Aynı dönme hızı ve yük ile çalışan
farklı IADC kodlu çelik dişli matkapların, ilerleme hızlarında dahi %15-20 farklılıklar olabilmektedir. Problem farklı IADC kodlu matkapların, farklı çalışma
şartları için tasarlanmasından kaynaklanmaktadır [Aytekin, 2004].
46
Matkap üzerine uygulanabilecek yük sınırlı ise, işi yapabilecek en yumuşak matkap tipi seçilmelidir (Genel eğilim daha sert matkabın seçilmesi şeklindedir). Aynı seri içerisinde ise en az taban kontağı yapan (en az diş içeren)
matkap seçilmelidir. Bu kural uygulanırken, en az sapmalı matkabın seçilmesine dikkat edilmelidir. Sapma miktarı fazla olan matkaplar, düşük yüklerde
gevrek formasyonlarda hızlı delgi yapamamakta ve kilitlenmiş bir koni gibi
delme hızında düşmeye neden olmaktadırlar. Sapma miktarı küçük olan matkaplar aynı zamanda kuyunun sapma eğilimini azaltmaktadır [Aytekin, 2004].
Gevrek (kırılgan) formasyonlarda, tungsten karbid dişli matkap seçimi
çok daha hassastır. Komşu IADC kodlu matkaplar arasında %50’ye varan delme hızı farklılıkları oluşabilmektedir. Aynı seri içerisindeki farklı alt kategori
matkapları arasında dahi matkap üzerine uygulanan farklı yüklerde delme
maliyeti açısından farklılıklar olabilmektedir. 2000 metrenin altındaki derinliklerde bazı formasyonlar plastik davrandıkları için, bu tip formasyonların
sondajında IADC kodu 7 ve 8 ile başlayan matkaplar kullanılmamaktadır. Bu
tip matkaplar kullanıldığında, ilerleme hızı 0.3-1 m/saat’a kadar düşmektedir.
Böyle bir durumda, çelik dişli sapmalı matkaplar kullanılarak delme hızı 3
m/saat’e kadar çıkartılabilir [Göktekin, 1991].
Tungsten karbid dişli matkapların fazla yük ve dönme hızında çalıştırılmasının sebebi, tabanda dişlerin oturmadığı ve koparmadığı yüzeyin çelik dişlilere göre %70 fazla olmasıdır. Etkin parçalama için fazla yükleme gerekir.
Dişlerarası açıklık çelik dişli matkaplara oranla daha fazla olduğu için parçalanma yüzeyi azdır.
47
Çizelge 4.13. Formasyona uygun matkap seçimi [Özdemir ve Haspolat, 2006]
.
48
Uygun matkap seçimi yapıldıktan sonra kuyuya indirilen matkabın çalışması sırasında, gerekli özen gösterilmelidir. Yeni matkap, kuyu tabanına
çöken kırıntıların dışarı atılması ve çarpmalardan dolayı matkaba zara vermemek için döndürülerek ve dolaşım yapılarak kuyu tabanına indirilmelidir.
Eğer çaptan düşmüş bir kuyuya yeni bir matkap indirilecek ise, matkabın sıkışmasını önlemek için takım inişinin yavaş ve dikkatli yapılması gerekir. Her
matkabın, kuyu tabanında oluşturduğu bir modeli vardır. Yeni matkabın kendi
modelini oluşturabilmesi için gerekli olan süre, çekilen matkabın yıpranma
derecesine bağlıdır. Normal baskı ve dönme hızı değerleri uygulanmadan önce
en az 15-30 cm ilerleme yapılmalı daha sonra uygun değerlere getirilmelidir.
İyi bir kuyu hidroliği ve düşük katı maddeli sondaj akışkanları kullanılması uygun matkap delme hızının oluşması için bir gereksinimdir. Sondaj akışkanı, matkabın temiz kalmasını, yatak ömrünün uzun olmasını ve yüksek delme hızlarına ulaşılmasına yardım etmektedir.
Yeterli matkap yükü
Sondaj çalışmalarında, delme işleminin gerçekleşmesi için matkap üzerine yük verilmesi gerekir. Bu yük hidrolik olarak veya ağırlık boruları ile sağlanmaktadır. Matkap üzerine verilecek yükün 1000-3000 kg/inç değerleri arasında olması istenir. Matkap üzerine yeterli yük verilmez ise veya fazla verilirse, matkapta tasarım yapısına göre diş kırılmaları, dengesiz diş ve yatak aşınması gibi sorunlar gözlenir. Matkap üzerine yük verilirken göz önünde bulundurulması gereken hususlar şunlardır;
- Matkap çapı
- Matkabın imalatsal özellikleri (yatak yapısı vb.)
- Formasyon delinebilirliği
- Tij dayanımı
- Motor gücü
Bir matkabın yataklarının alabileceği maksimum baskı 50-60 ton civarındadır [Bilgin, 1991]. Matkap çapı arttıkça, koni yatakları da büyümekte dolayısıyla matkap daha dayanıklı olmaktadır. Matkap üzerine uygulanabilecek
maksimum yük bağıntı (1)’den, uygun matkap yükü ise bağıntı (2)’den hesaplanabilir [Praillet, 1990].
49
(1) Maksimum matkap yükü (Ib) = 810 D2
D = matkap çapı (inç)
(2) Wo = Sc x D/5
Burada, Wo= uygun matkap yükü (pound), Sc= formasyonun tek eksenli
basınç dayanımı (psi), D= matkap çapı (inç)
Örneğin, 9 7/8” matkap maksimum 36 ton (78 987 lb) baskıya dayanacaktır. İnç başına baskı bulunup psi cinsinden optimum kayaç basıncı bulunur;
(78 987 : 9 7/8) x 5 = 39 990 psi (280 MPa). Bu matkap 280 MPa’dan daha
yüksek dayanımlı kayaçlarda kullanılırsa delme hızı düşecektir veya delme hızı
aynı tutulursa dişler aşınacaktır. Daha düşük dayanımlı kayaçlarda ise, daha
düşük baskı ile aynı delme hızı elde edilir [Kahraman, 1995]. En uygun yükün
bağıntı (2)’den hesaplanan değerin +/- %10 kadar olduğu saha deneyleri ile
tespit edilmiştir.
İdeal matkap yükünün hesaplanmasında kullanılan diğer bir bağıntı aşağıda verilmiştir [Bilgin ve diğ., 1993].
Wi= Sc x D/2
Burada, Wi = ideal matkap yükü (kg/cm), Sc= basınç dayanımı (kg/cm2),
D = matkap çapı (cm)
Matkapların taşıyabilecekleri yük yapıları yanı sıra, büyüklüklerine de
bağlıdır ve matkap çapının inç’ine verilecek yük olarak belirtilmektedir. Örneğin 2000 kg/inç değeri, matkabın her inç çapı başına 2000 kg yük verilmesi
gerektiğini ifade eder.
Matkap yükü ile kaya parçalanması arasındaki ilişki
Daha önceki bölümlerde belirtildiği gibi, matkap üzerine uygulanacak
çok az veya çok fazla yük matkabın iş görememesine neden olabilir. Çünkü,
değişik IADC kodlu matkaplar, değişik diş aşınma ilkelerine göre imal edilmişlerdir. Bununla birlikte, birçok sondajda matkap ömrünü koni yatak ömrü tayin etmektedir.
IADC kodu büyük olan matkap yataklarının dayanımı, küçük IADC kodlu
matkaplara oranla daha fazladır. Koni yatak ömrü ile matkap üzerine verilen
yükü karşılaştırmak için yeterli saha verileri olmaması nedeniyle, en uygun
ağırlığı belirlemek oldukça güçtür. Ayrıca, matkap üzerine uygulanabilecek
maksimum yükün bilinmesi gereklidir. Maksimum yük, matkabın kullanılmak
üzere tasarlandığı formasyonda dişlerin %80 veya daha fazlasının formasyona
50
gömüleceği ağırlıklardır. Matkap üzerine uygulanacak maksimum yük matkap
IADC kodu ve çapına bağlıdır. Ekonomik matkap kullanımı için, kullanılacak
matkap çapı ve IADC koduna bağlı olarak verilen bu maksimum ağırlıkların
aşılmaması gereklidir. Uygun matkap yükü bu maksimum yükten %20-30 daha
azdır. Keçeli masuralı yataklar için matkap yükü %8 ile %10 oranında daha az
ve sürtünme yataklı matkaplar için %10 ile %12 daha fazladır. Uygun yük miktarının aşılması, matkapların koni kabuğu üzerinde dönmesine diğer bir deyişle dişlerin tamamen formasyona gömülmesi ve koni kabuğunun formasyonla
temas etmesine neden olabilir [Aytekin, 2004].
Şekil 4.5’de görüldüğü gibi yetersiz yüklerde, matkap dişleri istenen
kesme/koparma derinliğine ulaşamamakta ve delme hızı düşük olmaktadır.
Yeterli yüklerde, matkap dişleri istenen kesme/koparma derinliğine ulaşmakta
ve delme hızı yüksek olmaktadır. Aşırı yüklerde ise kopan parçalar, matkap
elemanları arasına sıkışmaktadır. Bu durum, delme hızını azalttığı gibi matkap
ömrünü de kısaltmaktadır. Şekildeki bütün durumlarda, matkabın döndürülme
hızı aynıdır.
51
Şekil 4.3. Değişik koşullarda matkap yükü ile kaya parçalanması arasındaki ilişki
[Özdemir, 2007]
52
Yeterli döndürme hızı
Matkabı döndürmenin temel sebebi, bir kesme işlemi sonucunda matkabı yeni bir kesme pozisyonuna getirmektir. Matkap ömrünü etkileyen faktörler
arasında matkap döndürme hızı da önemli bir paya sahiptir. Delinebilirliği
düşük formasyonlarda 30-40 dev/dk,delinebilme özelliği olan formasyonlarda
60-120 dev/dk, yüksek delinebilme özelliği olan formasyonlarda ise 70-140
dev/dk döndürme hızları tavsiye edilmektedir [Bilgin ve diğ., 1993; Cummins,
1973]. Çok yumuşak kayaçlarda ise 200-250 dev/dk değerlerine kadar çıkılmaktadır [Moore, 1986].
Delme hızını artırmak için baskı sabit tutulup dönme hızı artırılmalıdır
[Praillet, 1990]. Fakat dönme hızının fazla artırılması matkabı aşındıracaktır.
Genel kural, zor delinebilen ve aşındırıcı formasyonlarda yüksek baskı ve düşük dönme hızı, kolay delinebilen formasyonlarda ise düşük baskı ve yüksek
dönme hızı uygulamaktır [Moore, 1986].
Matkap kesintilerinin kuyu dışına atılma hızı
Matkabın kesintilerinin, kuyu tabanından en kısa sürede uzaklaştırılması
gerekir. Aksi durumda, kesintiler matkap dişlerinden uzaklaştırılana kadar bir
öğütme-küçültme işlemine uğrayacaktır. Bu işlem, matkapta güç kaybına dolayısıyla delme hızının düşmesine neden olur.
Matkap kesintilerinin kuyu dışına atılma hızının sayısal değeri, kullanılan sondaj yöntemine bağlıdır. Çamur dolaşımlı sondaj yöntemi ile çalışılırken,
matkap kesintilerinin kuyu dışına etkili bir şekilde atılması için gereken çamur
pompası debisi şu şekilde hesaplanabilir [Gümüşay, 1974].
V = 25 x Q / D2 – d2
Burada; V: Tij ve kuyu cidarı arasından çamurun yükselme hızı (m/dk),
Q = çamur pompası debisi (m3/dk), D = kuyu çapı (m), d = tij çapı (m)
Kuyu tabanında matkabın kestiği kırıntıların hareketi, kırıntı çap ve yoğunluğu ile ilişkilidir. Çamur pompasının kırıntıları kuyu dışına istenilen hızda
atamaması durumunda, kırıntılar büyük taneler şeklinde kuyu dibine çöker ve
matkap tarafından öğütülerek çamurun taşıyabileceği boyuta indirgenir. Sonuçta, delme hızının azalması ile birlikte matkap ömrü de kısalır. Ayrıca, sık sık
takım sıkışmaları ve kopmaları meydana gelebilir. Sondaj çamurunun 0.5 cm
boyutundaki kırıntıları kuyu dışına atabilmesi arzulanan bir durumdur. Kuyu
dışına, 0.5 cm’den daha küçük boyutlu kırıntıların gelmesi (matkabın taneleri
öğütmesi) istenmeyen bir durumdur. Matkabın formasyondan 1 cm’ye yakın
boyutta kırıntılar kopartması yüksek delme hızı, matkabın daha fazla metraj
53
yapması ve kırıntıların çamur havuzunda daha kolay çökelmesi için istenir
[Gümüşay, 1974].
Uzun tecrübe ve araştırmalar sonucunda, matkabın kestiği kırıntıların
kuyu dışına hızlı bir şekilde atılabilmesi için, dolaşım sıvısının kuyu dışına doğru minimum yükseliş hızının 7.6 m/dk olması gerektiği tespit edilmiştir. Bu
yükseliş hızından daha düşük hızlarda, kuyu tabanında kırıntı miktarı artmakta
ve kırıntı çökelmesi nedeniyle takım sıkışmaları gözlenmektedir. Tespit edilen
bu değer, kırıntı yoğunluğu ile dolaşım sıvısı yoğunluğunun eşit olması durumunda geçerli olup, dolaşım sıvısı yoğunluğu düşük ise alt sınır olarak kabul
edilen 7.6 m/dk’lık değerin artırılması veya sıvı yoğunluğunun kesilen kırıntı
yoğunluk değeri düzeyine yükseltilmesi gerekir. Yapılan hesaplar dolaşım sıvısı olarak su kullanıldığı takdirde geçerlidir [Gümüşay, 1974].
Yoğunluğu dolaşım sıvısı yoğunluğundan farklı olan formasyonlar delinirken, matkabın kestiği kırıntıların yerçekimi nedeniyle kuyu dışına atılma
hızlarında % 25’lik bir düşüş olacaktır. Bu durumda, matkabın kestiği kırıntıların kuyu dışına hızlı bir şekilde atılabilmesi için dolaşım sıvısı hızının % 25
oranında artırılması gerekecektir [Gümüşay, 1974].
Sondaj hidroliği hesaplarında göz önünde bulundurulması gereken hususlar şunlardır [Özdemir, 2007];
1. Kum ve çakıl gibi, tane irilikleri ve yoğunlukları fazla olan formasyonlar delinecekse, dolaşım sıvısı hızı en az 7.6 m/dk olmalıdır.
2. Dolaşım sıvısı olarak su yerine çamur kullanıldığında, kesilen kırıntılar ile dolaşım sıvısı arasındaki yoğunluk farkı ve yerçekimi etkisi nedeniyle
kırıntı düşüşü azalacaktır. Dolaşım sıvısı olarak su yerine çamur (su +
bentonit) kullanmak daha faydalıdır.
3. Dolaşım sıvısında polimer kullanılması, çamurun taşıma gücünü artırır. Bu durumda, kırıntıların kuyu tabanından hızlı bir şekilde uzaklaştırılmasını dolayısıyla delme hızının artmasını sağlar.
4. Matkap ve tij çapı arasındaki fark ne kadar az olursa dolaşım sıvısı hızı
da o kadar fazla olacaktır.
5. Büyük çaplı açılacak kuyularda büyük çaplı tij ve yüksek kapasiteli
çamur pompası kullanılması doğru bir uygulama olacaktır.
Düz hava dolaşımlı sondaj yönteminde ve patlatma sondajlarında (hava
soğutmalı üç konili matkap ve kompresör ile matkap kesintilerinin kuyu dışına
atılması için gereken hız 1500-2700 m/dk arasındadır. Matkap kesintilerinin
kuyu dışına atılması için gerekecek hız Çizelge 4.14’de verilmiştir. Bu değeri,
formasyonun özgül ağırlığı etkilemektedir. Bu sistem ile sondaj yapılırken
54
matkap kesintilerinin kuyu dışına uygun şekilde atılması için gerekecek kompresör debisi aşağıdaki bağıntıdan hesaplanabilir [Jimeno ve diğ., 1995].
Q = 224 x D3/2
Burada, Q = kompresör debisi (m3/dk), D = kuyu çapı (m)
Çizelge 4.14. Kesintilerinin kuyu dışına atılması için gereken hız
[Yıldız ve Köse, 2003’den değiştirilerek]
Formasyon
Delinebilirliği
Havanın kuyu dışına çıkış hızı (m/sn)
Minimum
Maksimum
Kolay
20
30
Normal
25
35
Zor
30
40
4.2.2. Elmaslı matkapların çalışma koşullarını etkileyen faktörler
Matkap seçimi
Matkap seçimi, delme hızını doğrudan etkilemektedir. Elmas taş kalitesi,
taş iriliği, su kanalı sayısı ve tipi, karat ağırlığı, matris özelliği delme hızına etki
eden en önemli matkap özellikleridir. Elmas taşın kalitesi, yapay veya doğal
oluşuna ve kristal yapısına göre farklılıklar göstermektedir [Özdemir ve Özdemir, 2006].
Herhangi bir kayada en iyi delme hızının elde edilebilmesi için kayanın
genel durumuna ve özelliklerine uygun matkabın seçilmesi gereklidir. Çizelge
4.15’de kayaların genel durumu ve uygun s.p.c (taş/karat, elmas iriliği) aralıkları, Çizelge 4.16’da ise tek eksenli basınç dayanımı ile yüzeyden taneli elmas
matkap s.p.c. değeri arasındaki ilişki verilmiştir.
Matkap dönüş hızı ve baskı miktarı
En iyi delme hızının elde edilebilmesi için matkap dönüş hızı ve matkap
üzerine uygulanacak baskının birlikte irdelenmesi gereklidir. Dönüş hızı ve
baskı, kayaç özelliklerine göre saptanmalıdır. Dönüş hızı ve baskı miktarları,
imalatçı firmanın önerdiği değerlerdir. Uygulamada ise, delme sırasında elde
edilen değerler daha geçekçi olmaktadır [Özdemir ve Özdemir, 2006].
Şekil 4.4 ve Şekil 4.5’de matkap dönüş hızı ve matkap üzerine uygulanan
baskı ile delme hızı arasındaki ilişki verilmiştir.
55
Çizelge 4.15. Kayaların genel özelliklerine uygun elmaslı matkap s.p.c. aralıkları
[Onan, 1992]
SERTLİK
KAYA
ŞEYL
TEBEŞİRTAŞI
GENEL
RUM
SAĞLAM
DU-
ÖZELLİK
YAPIŞKAN
ORTA
AŞINDIRICI
YUMUŞAK
ORTA SERT
SERT
ÇOK SERT
TALK
ALÇITAŞI
KİREÇTAŞI
ÇAMURTAŞI
KİREÇTAŞI
KUMTAŞI
DOLOMİT
SLEYT
RİYOLİT
BAZALT
MANYEZİT
PORFİRİT
ANDEZİT
DİYORİT
KİREÇTAŞI
DOLOMİT
MERMER
ÇÖRT
ŞİST
GRANİT
GNAYS
RİYOLİT
GABRO
ANORTİZİT
ANDEZİT
DİYORİT
KUVARSİT
ÇÖRT
ÇAKMAKTAŞI
TAKONİT
İTABİRİT
S.P.C
(taş/karat)
10-20
15-25
25-40
YAPIŞKAN
ORTA
AŞINDIRICI
YAPIŞKAN
ORTA
AŞINDIRICI
10-20
15-25
25-40
25-30
40-50
60-80
ORTA
40-50
AŞINDIRICI
60-80
SAĞLAM
ORTA
AŞINDIRICI
25-50
25-50
KIRIKLI
ORTA
25-50
AŞINDIRICI
40-80
ORTA
AŞINDIRICI
ORTA
50-150
50-150
80-150
AŞINDIRICI
80-150
KIRIKLI
SAĞLAM
KIRIKLI
SAĞLAM
KIRIKLI
56
Çizelge 4.16. Tek eksenli basınç dayanımı ile yüzeyden taneli elmaslı matkap s.p.c.
değerleri arasındaki ilişki [Datc, 2003]
* Datc, 2003, ince taneli formasyonları delmek için yüzey taneli elmaslı matkapları önermemekte, bu tip formasyonlarda iyi bir performans için emprenye matkapların kullanılmasını tavsiye etmektedir.
Şekil 4.4. Delme hızı üzerinde matkap baskısının etkisi [Akün, 1997]
57
Şekil 4.5. Delme hızı ile matkap dönüş hızı arasındaki ilişki [Onan, 1992]
Sondaj sıvısı özellikleri, miktarı, kuyuda dolaşım hızı ve basıncı
Sondaj sıvısı özellikleri, miktarı, kuyuda dolaşım hızı ve basıncı, delme
hızına etki eden en önemli faktörlerden birisidir. Dolaşım sıvısının debisi, viskozitesi, akma değeri, yoğunluğu, jelleşmesi, pH değeri ve katı madde içeriği
kontrol edilebilen özellikleridir.
Şekil 4.6’da görüldüğü gibi yoğunluğun artması, delme hızı üzerinde ani
bir düşüş yaratmaktadır. Fakat, belirli bir noktadan sonra ise bu etki zayıflamakta ve sabitlenmektedir. Viskozitenin artması ise, delme hızında daha yavaş
bir azalma yaratmaktadır. Viskozite ile delme hızı arasındaki bağıntı ters orantılıdır. Düşük viskoziteli bir sondaj sıvısı, en iyi delme hızının elde edilmesini
sağlamaktadır [Özdemir ve Özdemir, 2006].
58
Şekil 4.6. Yoğunluk ve viskozitenin delme hızı üzerindeki etkisi [Akpınar, 1999]
Kuyuya basılan sondaj sıvısı miktarı, lt/sn veya lt/dk olarak ifade edilmektedir. Pompa tarafından tijler içerisinden kuyuya basılan sondaj sıvısı miktarını sınırlayan bazı faktörler vardır. Bu sınırlamalar çoğunlukla; kesit alanlarının daraldığı yerler olan manşonlarda, karotiyer başlıklarındaki su kanallarında, çift tüplü karotiyerlerde iki gömlek arasında, elmaslı matkapların su
kanallarında ve takım dizisi ile kuyu duvarı arasındaki boşluk olan anülüste
oluşmaktadır. Dolayısıyla, kuyuya basılan sondaj sıvısı miktarının istenilen
seviyede tutulabilmesi ve sınırlayıcı bölümlerin aşılabilmesi için ilk önce belirli
bir basınca gereksinim bulunmaktadır [Özdemir ve Özdemir, 2006].
Kuyuya basılması gereken sondaj sıvısının, aşağıdaki fonksiyonları sağlaması için yeterli düzeyde olması gerekir. Bu fonksiyonlar [Özdemir ve Özdemir, 2006] ;
1. Optimum delme hızının elde edilmesi
2. Matkabın soğutulması
3. Kırıntıların taşınarak kuyu dışarısına atılması
4. Takımın çeşitli bağlantı yerlerinde oluşabilecek sızıntıların karşılanmasıdır.
Yukarıda yazılı olan bu 4 fonksiyonun yerine getirilebilmesi için yeterli
miktarda sondaj sıvısının kuyuya basılmasının gerekliliği ortadadır. Yetersiz
miktarda basılacak olan sondaj sıvısı, bu dört fonksiyonu yerine getiremeyeceği için elmaslı matkabın yanmasına, delme hızının düşmesine veya takım sı-
59
kışmasına sebep olacaktır. Bu duruma karşın aşırı miktarda basılacak olan
sondaj sıvısı da, bazı sakıncalar doğurmaktadır. Bunlar [Özdemir ve Özdemir,
2006];
1. Gereksiz güç sarfedilip maliyetin artırılması
2. Özellikle yumuşak formasyonlarda, karot erimesi ve karot yüzdesinin
düşmesine sebep olunması
3. Kuyu çapının genişlemesine veya daralmasına neden olunması
4. Elmaslı matkap matrisinin, aşırı derecede ve kısa sürede aşınarak elmas tanelerinin dökülmesine ve matkabın zamanından önce elden çıkması
5. Matkap üzerine uygulanan baskı miktarını azaltması olarak sıralanabilir.
Sondaj sıvısının, takım ile kuyu duvarı arasında bulunan anülüsten yükselirken belirli bir hıza sahip olması gereklidir. Böylece, kırıntıların da sondaj
sıvısı ile kuyu dışarısına atılması gerçekleşecektir. Tersi durumda, kırıntıların
kuyu içerisinde kalması sebebiyle, kuyu arızaları ve takım sıkışmaları meydana
gelecektir. Şekil 4.7’de takım ile kuyu arasındaki anülüs alanları, Şekil 4.8’de de
kuyudaki anülüs alanına bağlı olarak basılması gereken sondaj sıvısı miktarları
verilmiştir.
Tij manşonlarında ve bağlantı kısımlarında meydana gelen su sızıntılarının yüksek miktarda olması da, kuyuya basılacak sondaj sıvısı miktarını ve
dolaşım hızını etkileyecektir. Bu sızıntı miktarları; bağlantı dişlerinin aşınmışlığı ve eskiliği, kullanılan tij çaplarının küçülmesi, kuyu derinliği ve sondaj sıvısının basıncının yüksek olması ile orantılı olarak artmaktadır. Bazı durumlarda, kuyuya uygun miktarda sondaj sıvısı basılmasına karşın, bu sıvı tijlerin
bağlantı yerlerinden kaçarak, elmaslı matkaba yeterli miktarda su ulaşmasını
engellemektedir. Bu durumda, sondör kuyudan suyun dolaştığını görmesi nedeniyle farkında olmaksızın elmaslı matkabın yanmasına veya takımın sıkışmasına sebep olabilmektedir. Bu hususta, çok dikkatli davranılması ve gereken
tedbirlerin alınması gereklidir [Özdemir ve Özdemir, 2006].
Yeterli miktardaki sondaj sıvısının kuyuya basılabilmesi için, bu sıvının
yeterli basınç altında olması gereklidir. Karotlu sondaj çalışmalarında genel
olarak, sondaj sıvısının uygun olarak sağlanabilmesi için yüksek basınç değerlerine gereksinim duyulmaktadır [Özdemir ve Özdemir, 2006].
60
Şekil 4.7. Tij ile kuyu duvarı arasındaki anülüs alanı [Geogem, 2006]
Şekil 4.8. En uygun sondaj sıvısı dolaşım hızı ve miktarı değerleri [Geogem, 2006]
Sondaj kuyularında basınç değerlerine etki eden çok çeşitli faktörler bulunmaktadır. Bunlar
[Özdemir ve Özdemir, 2006];
61
Sondaj sıvısı miktarı
Basınç değeri, basılan sondaj sıvısı miktarının artırılmasından büyük ölçüde etkilenmektedir. Sondaj sıvısı miktarında yapılacak olan % 40 oranındaki
bir artış, basınç değerinin iki katına çıkartılmasını gerektirmektedir.
Tijler
Özellikle içleri paslı tijler ve manşonlar, basınç artışına neden olmaktadır. Ayrıca, dış çapları nispeten daha geniş olan W-serisi ve wire-line tijler kullanıldığında, anülüs alanı daha dar olduğu için basınç değeri artmaktadır.
Karotiyer
Karotiyer tüplerinin paslı, karotiyer başlığındaki su kanallarının pis ve
dar olması vb. gibi durumlar basıncın artmasına neden olmaktadır.
Elmaslı matkaplar
Elmaslı bir matkaptaki su kanalı sayısı ne kadar fazla ise, basınç değeri
de o oranda düşük olmaktadır. Ayrıca, elmas tane iriliği ve taşların matris dışında kalan yüksekliklerinin fazla olması da, bir ölçüde basınç miktarının daha
düşük olasını sağlamaktadır.
Delinen formasyon özelliği
Formasyon özelliği, çalışma basıncını doğrudan etkileyen faktörlerden
birisidir. Killi kayaçlarda, özellikle matkap üzerinin sarılması nedeniyle basınç
değerleri artmaktadır. Delme işlemi sırasında iri taneli kırıntıların oluştuğu
formasyonlarda, oluşan kırıntıların karotiyer çevresinde bir köprüleme ve
sıkıştırma yaparak basıncın yükselmesine neden olabilmektedir. Ayrıca, yıkıntılı formasyonlarda anülüs çıkışları tıkanabileceğinden yüksek çalışma basınçlarının oluşmasına sebep olmaktadır.
Uygulanan işlemler
Muhafaza borularının sürülmesi sırasında, anülüs alanının çok dar olması sebebiyle ve özellikle yıkıntılı bölümler geçilirken çalışma basıncının çok
yüksek değerlere çıkartılması gerekebilmektedir [Özdemir ve Özdemir, 2006];.
Genel olarak, her sondaj kuyusu kendine has bazı özel niteliklere sahiptir. Hiçbir zaman, yan yana ve aynı koşullar altında yapılan iki sondaj dahi, aynı
özellikleri göstermemektedir. Bu genelleme, sondaj sıvısı basınç değerleri içinde geçerlidir. Basınç, her şeyden önce sondaj sıvısının kuyuya basılması için
gereklidir. Kuyu derinleştikçe, sondaj sıvısı basıncının da yükselmesi gereklidir. Ayrıca; kuyu çapı, kullanılan takım özellikleri, sondaj sıvısı türü veya çamur kullanılması gibi faktörler basınç değerinin doğrudan etkilemektedir.
62
Önde gelen bazı karotlu sondaj kuruluşları tarafından, 1200 m derinliğe
kadar, N-çaplı standart takım ile yapılan karotlu sondaj çalışmalarında aşağıdaki basınç değerleri uygulanmaktadır [Özdemir ve Özdemir, 2006];
14 kg/cm2 : 0-300 m derinliklerde
42 kg/cm2 : 975- 1200 m derinliklerde
Bu değerler, özellikle bağlantı ve tij tiplerinde yapılacak değişiklikler ile
düşürülebilmektedir. Normal çalışma koşullarında, 21-28 kg/cm2 arasındaki
basınç değerleri yeterli olmaktadır. Bazı sondörler, nispeten yüksek basınçla
çalışmanın sondaj verimini etkilediğine inanmaktadırlar [Özdemir ve Özdemir,
2006].
5. DELİNEBİLİRLİĞİN DEĞERLENDİRİLMESİ
Kayaların delinebilirliğinin değerlendirilmesi için literatürde birçok
öneri sunulmuştur. Bunlardan bazıları ilerleyen sayfalarda tartışılmıştır.
5.1. Kaya Delinebilirliğinde Sertliğin ve Aşındırıcılığın Etkisi
Maddenin sertliği, çok yüzeysel tanımlanmış bir terimdir. Buna rağmen
mühendislik uygulamalarında sertlik; sert mineral bileşimi ve gücü, dayanım
ve matriks malzemelerinin bağ yapma kapasitesi olarak referans alınır
[Karanam, 1994 ; Singh, 1973].
Literatürde, sertliği belirlemek için birçok yöntem vardır. Knoop ve
Vicker sertlik deney yöntemleri kullanılarak, kayaların mikrosertlikleri saptanabilir [Das, 1974; Singh, 1969]. Bu yöntem, standart bir elmas ucun, yüzeyden
ne kadar derine indiğini ölçmeye dayanır. Ulusal Kömür Kurulu (NCB) koni
delici deneyi de aynı ilkeye sahiptir ve kayacın sertlik indeksini vermektedir.
Başka bir ilke de, elastisite modülüne dayanmaktadır. Aynı zamanda, kayaların
sertliğini saptamada kullanılır [Singh, 1973; Furby, 1964; Shepherd, 1951]. En
çok bilinen yöntemler, Schmidt Çekici, Shore Skleroskop [Shepherd, 1951] ve
Skelrograf [Singh, 1973]’tır. Bahsi geçen bu yöntemler, pek çok amaçla kaya
delinebilirliğini tespit etmede başarılı olan yöntemlerdir (Şekil 5.1 a, b, c, d)
Genel olarak sert kayaların delinebilirliğinin zor olduğu kabul edilir.
Yumuşak kayalarla karışmış olan sert kayaları delebilmek diğer kayalardan
daha kolay olabilir. Bu nedenle, kaya sertliği delinebilirlik için tek başına güvenilir bir rehber değildir. Delinebilirlik, minerallerin sertliğinden ziyade, hangi
sert minerallerin bağ yaptığıyla ilgilidir. En yüksek delinme hızı, Nevyeli’nin
Cuddalore kumtaşında (Chennia, Hindistan) tespit edilmiştir [Atkinson ve
Cassapi, 1984]. Bu kumtaşında kuvars oranı oldukça yüksektir. Buna rağmen
sert minerallerden oluşmuş olan kumtaşının mineraller arası bağı zayıf olduğu
için bu sonuç elde edilmiştir.
Aşındırıcılık, malzemeye ait ana özelliklerden biri değildir ve bunun değerini saptayan basit bir indeks de yoktur. Aslında, kayaları keserken alet
aşınma oranı, kayanın aşındırabilirliği ile ilgili bir değer olarak kabul edilmektedir [Atkinson ve Cassapi, 1984; Atkinson ve diğ., 1986]. Cerchar aşındırıcılık
indeksi deneyi ve mikromatkap delme deneyi, kayaların yaklaşık aşındırıcılığını alet aşınma hızından yola çıkarak tespit etmeyi amaç edinmektedir (Şekil 5.1
e, f).
Kayanın aşındırıcılığı ile delinebilirliği arasındaki bağıntı için, yani ilerleme hızı için gerekli çalışmalar yapılmıştır. Darbeli sondajda, kaya aşındırıcılı63
64
ğının artması, ilerleme hızını azaltmıştır. Bunun tersi olarak elmaslı sondajda,
aşındırıcılığı yüksek olan kayalarda (örneğin kumtaşı) ilerleme hızı yüksek
olarak tespit edilmiştir [Karanam, 1994]. Bu zıtlık, kumtaşı gibi yüksek aşındırıcılığa sahip kayaçların, elmaslı matkabı aşındırarak sivrileştirmesiyle kanıtlanmıştır.
Şekil 5.1. İndisler arasındaki ilişkiler [Sing, 1989]
a) İşlenebilirlik indeksi-Sert minerallerin ağırlıklı ortalaması
b) İşlenebilirlik indeksi-Cerchar aşındırıcılık indeksi
c) İşlenebilirlik indeksi-Aşınma katsayısı
d) Sert minerallerin ağırlıklı ortalaması-Aşınma katsayısı
e) Cerchar aşındırıcılık indeksi-Sert minerallerin ağırlıklı ortalaması ve
f) Cerchar aşındırıcılık indeksi-Aşınma katsayısı
65
5.2. Kaya Dokusunun Delinebilirliğe Etkisi
Kaya dayanımını ve delinebilirliği etkileyen dokusal etkiler: tane boyu,
tane şekli, tane kenetlenme (paketlenme) derecesi, gözeneklilik (çatlak ve gözenekler), tane yönelimi ve tane sınırlarının doğasıdır. Dayanım özellikleri,
tanelerin yüzdesi ve çimento malzemesi araştırmada yer alan nitelikleridir
[Karanam ve Misra, 1998]. Şekil 5.2’de darbeli sondajda delme (ilerleme) hızı
ile doku katsayısı arasındaki ilişki verilmiştir.
Şekil 5.2. Darbeli sondajda delme (ilerleme) hızı ile doku katsayısı arasındaki ilişki
[Howrath ve Rowlands, 1987]
Howrath ve Rowlands (1987)’ye göre, doku katsayı değeri istatistiksel
olarak kaya dayanımı ve delinebilirlik verileriyle hayli yüksek korelasyon değerine sahiptir (Şekil 5.3). Sondaj testi, hem darbeli hem de döner sondaj yön-
66
temlerini içermektedir. Doku katsayısı, delinebilirlik ve kaya dayanım özellikleri için kullanılabilir bir araçtır [Karanam ve Misra, 1998].
Şekil 5.3. Dayanım özellikleri ile doku katsayısı arasındaki ilişki
[Paone ve diğ., 1966 ]
a) Tek eksenli basınç dayanımı (UCS), kuru
b) Brazilian disk çekme dayanımı (UTS), kuru
c) Statik tanjant young modulü (Estatik), kuru
5.3. Dayanım Özelliklerinin Kaya Delinebilirliğine Etkisi
Sondaj işleminde kaya; çekme, basınç ve makaslama gerilmelerinin etkisiyle yenilmektedir. Bu yenilme, uygulanan kuvvete göre değişir ve delinebilirliğin bu fiziksel özelliklerden biriyle ilişkili olması beklenir.
Elmaslı sondaj ve diğer döner sondaj yöntemleri
Paone ve Bruce (1963), yüzeyden taşlı elmaslı matkaplarla delinebilirlik
çalışmaları yapmış ve kayanın delinebilirliğinin, delmeye dayanımla doğrudan
ilişkili olduğu sonucuna varmışlardır. Bu çalışmada, ilerleme derinliği/dönme
hızı, kaya özelliklerinden şu formülle tahmin edilmiştir;
=
67
Burada; δ : İlerleme derinliği/devir (cm), T: Uygulanan tork (N-m), μ :
Sürtünme direnci katsayısı, Fv : Matkap üzerine uygulanan baskı (N), γ : Ortalama yarıçap (cm), S : Kayanın delinme dayanımı (MPa), A : Alan (cm2)
Delinme dayanımı için basınç dayanımının önemi, elmaslı matkapların
kesme hareketi üzerindeki deneysel çalışmalara dayanmaktadır. Bu deneylere
göre, düşey gerilim sıkışma gerilimini geçtiğinde kaya çatlamaktadır [Karanam
ve Misra, 1998]. Şekil 5.4’de delinebilirlik için teorik ve deneysel eğriler arasındaki ilişki verilmiştir.
Şekil 5.4. Delinebilirlik için teorik ve deneysel eğriler arasındaki ilişki
[Paone ve diğ., 1966]
68
Yüzeyden taşlı elmaslı bir matkabın delme kapasitesine ait istatistiksel
regresyon analizlerine göre [Paone ve Bruce, 1963; Paone ve Madson, 1966],
basınç dayanımı, Shore sertliği ve kayanın kuvars içeriği ilerleme hızını etkileyen faktörlerdir. Yapay elmaslı matkaplar için en belirleyici parametreler;
Young modülü, makaslama modülü, aşındırıcılık, kuvars içeriği ve basınç dayanımıdır. Aslında genel düşünce, hiçbir fiziksel özelliğin tek başına belirleyici
olmamasıdır. Tüm fiziksel özellikler, birbiriyle bağlantılıdır [Karanam ve Misra,
1998].
Diğer döner matkap tipleriyle ilgili benzer çalışmalar, birbirine yakın
sonuçlar içermektedir [Howrath ve Adamson, 1988]. Döner sert metal matkapların ilerleme hızı, belirleyici şekilde kayanın basınç dayanımı ile bağlantılıdır
[Ducklet ve Bates, 1981].
Ducklet ve Bates (1981) tarafından petrol kuyusu elmaslı matkabının
ilerleme hızının tahmini için geliştirilmiş olan ampirik eşitlik aşağıdaki gibidir.
ROP = 1220000 (
)
Burada, ROP : İlerleme hızı, m/dk; WDI : Elmasa yüklenen ortalama yük,
N/m2; RPM : Dönme hızı, dev/dk; IHSI : Birim alana düşen hidrolik beygir gücü
(hp), hp/cm2.; AFL : Çamur sıvısı kayıp oranı cm2/30 dk; EFS : Etkin formasyon
dayanımı, MPa.
Eşitlikte yer alan etkin formasyon dayanımı (EFS), tek eksenli basınç dayanımı (UCS) ve matkap altındaki hidrostatik basıncın toplamıdır.
Howrath (1986) yumuşak formasyonlarda üç konili döner matkapların
ilerleme hızını tahmin etmek için bir model geliştirmiştir. Bu modelde, matkap
üzerindeki ağırlık, dönme hızı, matkap çapı, matkap çeşidi ve kayanın ilerleme
hızına dayanımını parametre olarak kullanmıştır. Geliştirilen model, boyutsal
analiz ve genelleştirilmiş karşılık eğrileri ile oluşturulmuştur [Karanam ve
Misra, 1998].
R=(
+
)-1
Burada, R: İlerleme hızı, m/saat; a,b,c : Katsayılar; RPM : Dönme hızı,
dev/dk; S : Sondaj dayanımı, kPa.; W : Matkap üzerindeki ağırlık, N ; D : Matkap
çapı, cm
69
Özet olarak, elmaslı ve diğer döner sondaj yöntem matkaplarının ilerleme hızının tahmini için tek eksenli basınç dayanımı (UCS) en kullanışlı parametredir.
Döner-darbeli sondaj yöntemleri
Hava tahrikli darbeli yöntemli bir sondaj makinesi ile yapılan saha delinebilirlik testinde, delme hızı ve görgül (ampirik) delme hızı indeksi (DRI)
arasında yakın bir bağlantı olduğu gösterilmiştir [Howrath, 1986; Semer-Olsen
ve Blindheim, 1970].
Delme hızı oranı indeksi (DRI), sondaj için önemli olan kaya özellikleri
olan sertlik, dayanım, kırılganlık ve aşındırıcılık özelliklerini ifade etmektedir.
Bu indeks, çeşitli kayaçlardan alınan verilerle saptanmıştır [Howrath, 1986;
Semer-Olsen ve Blindheim, 1970]. DRI değeri ne kadar fazla ise, kayanın delinebilirliği o kadar büyük olmaktadır.
Rabia ve Brook (1981), yaptıkları çalışmada darbeli sondajda delme hızının tahmini için ampirik bir eşitlik bulmayı amaçlamışlardır. Bu eşitlikte,
ilerleme hızı, delme (çalışma) basıncı, Shore sertliği (SH) ve kaya darbe sertliği
sayısı (RIHN) kullanılmıştır.
PR = C [
]
Burada, PR : İlerleme hızı, m/saat; a,b,c : katsayılar; OP : Çalışma basıncı,
MPa; RIHN : Kaya darbe sertliği sayısı; SH: Shore sertliği
RIHN [Brook, 1977; Misra, 1972], Protodyakanov (1962) düşürme deneyinin geliştirilmiş halidir.
9 sert kaya örneği ile laboratuar ortamında yapılan darbeli sondaj çalışmaları [Paone ve diğ., 1969], basınç dayanımı, Shore sertliği ve Statik Young
modülü ile delme hızının oldukça iyi bir ilişkisi olduğunu göstermektedir. Daha
iyi bir bağıntı, her kaya için bir kaya dayanım katsayısı (CRS) değeri kullanılarak geliştirilmiştir [Paone ve diğ., 1969]. CRS yöntemi, Protodyakanov deneyinin değişik bir versiyonudur. Rabia ve Brook (1981) deneyindeki yöntemin
benzeri olarak kullanılmıştır. Delinebilirlik indeksinin amacı, CRS değerini
kullanışlı hale getirip, deney örneği kayanın birim hacmine düşen gerekli enerji
miktarını saptamaktır. Bununla birlikte, sondaj makinesi ve matkap performansı belirlenebilir. Bu sayede darbeli sondajda ilerleme hızı bulunabilir
[Karanam ve Misra, 1998].
R=
70
Burada, R: İlerleme hızı, inç/dk; P : İş oranı lb/dk; D : Matkap çapı, inç;
Eν: Hacimsel spesifik enerji, lb/inç3
Tandanant ve Unger (1975), değiştirilmiş bir CRS yaklaşımı kullanmıştır.
5 farklı çalışma basıncında, darbeli sondajda gerçek ilerleme hızlarıyla iyi bir
ilişki gösteren bir eşitlik geliştirmişlerdir:
=
Burada, R/P : İlerleme hızı/delicinin birim güç çıkışı, inç/ft/lb; f: Kaya
dayanım katsayısı (CRS); A : Delinen kuyunun alanı, inç2; K : Ölçek faktörü Inf’ =
0.47 (d-1.5), d: Delinen kuyunun çapı’dır.
Hartman (1959) tarafından geliştirilen delme hızı modeli, düşürme deneyinden elde edilen matkap krater değerini, matkabın kayayı delme davranışını ifade eden bir parametre olarak kullanmıştır. Şöyle ki;
PR =
Burada, PR : İlerleme hızı, cm/dk; V : Düşürme deneyinde tek bir darbede oluşan krater hacmi cm3; B: Darbe sayısı adet/dk; W : Matkap döndürme
sayısı, A : Kuyu alanı, cm2
Bütün bu çalışmalar, hiçbir kaya özelliğinin tek başına döner-darbeli
sondajda bir kayanın kırılma özelliklerinin belirlenmesinde kullanılamayacağını göstermektedir. Sondaj değişkenlerinin çokluğu, delme modellerini formüle etmeyi zorlaştırmaktadır. Uygulamada kullanımı çok az olan veya hiç gelişim
göstermeyen görgül (ampirik) deneyler ve modeller bu tip çalışmalar için kaynaktır ve bu görgül deneyler, döner-darbeli sondajda ilerleme hızının tahmininde en başarılı olan yöntemlerdir [Karanam ve Misra, 1998].
5.4. Bir Kaya Delinebilirliği Kriteri Olarak Krater Oluşumu
Darbe yükü çalışmalarının önemi, sondajcılık alanında oldukça dikkate
alınmasıdır. Kaya üzerinde, keski ağzının çarpması temel hareketi meydana
getirmektedir. Döner matkaplar ve darbeli-titreşimli aletler vb. gibi bilinen
birçok yöntemde durum aynıdır. Döner sondajda, hareketi dönen matkap sağ-
71
lasa da tek bir dişin kayaca ilk darbesi esas alınmaktadır [Karanam ve Misra,
1998].
Darbeli sondajda, kaya delinebilirliğinin belirlenebilmesi için yapılacak
işlerden birisi farklı darbe deney düzenekleri ile krater hacmi oluşturmaktır.
Simon (1964, 1956), darbeli sondajda düşürme deneyi ile formasyonda
krater oluşumunu ve temel kaya yenilme kriterini saptamak için kapsamlı bir
deney programı hazırlamıştır. Bu çalışmada, darbeli sondajda ilerleme hızının
tahmini için şu eşitlik önerilmiştir.
R=
Burada, PR: İlerleme hızı, inç/dk; P : Kayadan çıkan mekanik güç lb/dk;
Pt : Eşik güç inç.lb/dk; d : Kuyu çapı, inç ; S : Sondaj dayanımı, lb/inç2
Bu eşitlikten S değeri belirlenir. Bu değerin tersi, kaya delinebilirlik indeksini verir. Bu eşitliğin değiştirilmiş bir verisyonu önemli bir parametre olan
delicinin altında oluşan krater hacmini ‘V’ vermektedir. Geliştirilmiş hali şu
şekildedir [Karanam ve Misra, 1998] ;
R=
B=
Burada, Vst : İz matkabın ortalama krater hacmi; D : Matkap çapı, cm/dk;
N : Diş sayısı; f : darbe sıklığı
Basit laboratuar iz deneyi, 2a = 4 mm çaplı bir iz matkabın oluşturacağı
krater hacmi ve iz dayanımı Sst için kaya delinebilirliği hakkında çok değişik
bilgi vermektedir [Karanam ve Misra, 1998].
72
5.5. Bir Kaya Delinebilirliği Kriteri Olarak Spesifik Enerji
Spesifik Enerji (SE) kavramı, kaya delinebilirliğinin değerlendirilmesinde kullanılmak üzere Teale (1965) tarafından önerilmiştir. Teale (1965) SE’yi,
kayanın birim hacmini koparmak için gerekli enerji olarak tanımlamıştır.
Paithankar ve Misra (1976) da, yeni yüzey alanı oluşturma için kullanılan enerji terimi olarak kullanmışlardır (Şekil 5.5 a,b).
Teale (1965), kopartılan kaya parçası boyutu ile SE’nin ters orantılı olduğunu göstermektedir. SE’nin en küçük değeri, temel bir kaya özelliği olarak
alınabileceğine işaret etmektedir. SE, sondaj sırasında tek eksenli basınç dayanımına karşılık gelmektedir. Mellor (1965), SE ile tek eksenli basınç dayanımını (C0) şu bağıntı ile ilişkilendirmektedir.
Yüksek tek eksenli basınç dayanımına sahip çeşitli kireçtaşlarında, üç
konili matkaplarla yapılan döner sondajlarda oldukça yüksek SEv değerleri
gözlenmiştir. Döner sondaj yöntemi ile delinen bir kayanın SE değeri aşağıdaki
eşitlikle belirlenebilir [Chugh, 1992].
SEv =
Burada; W : Matkap üzerindeki yük (kg); N : dönme hızı (dev/dk); d :
Matkap çapı (mm); PR : İlerleme hızı (m/dk)
SEv
C0 x 10-9
73
(a)
(b)
Şekil 5.5. Sahada sondaj sırasında ilerleme hızı - enerji tüketimi –
matkap ağırlığının etkisi
a) Sahada sondaj sırasında ilerleme hızı üzerinde enerji tüketimi etkisi [Karanam, 1994]
b) Sahada sondaj sırasında enerji tüketimi üzerinde matkap ağırlığının etkisi [Karanam,
1994]
74
Tanımlanan koşullarda SEv, kırılma mekanizması parametrelerinin esas
özelliği olabilir ve ihmal edilebilir. SEv, kaya delme sırasında kuyu derinliği,
kırıntı kaldırma yöntemi, matkap tipi, matkap biçimi ve matkap boyutundan
bağımsızdır.
Paone ve diğ. (1969), Schmidt (1974), Tandanand ve Unger (1975),
Unger ve Fumanti (1972) bu varsayımları kullanarak geniş bir kaya çeşidi için
spesifik enerji değeri belirlemişlerdir. Belirlenen bağıntı şu şekildedir;
SEv =
Burada; SEV : Spesifik enerji, kg.cm/cm3; P0 : Delme yöntemi güç çıkışı,
kg.cm/dk; d : Matkap çapı, cm; PR : İlerleme hızı (cm/dk); Tr : (0.7) transfer
katsayısı
Wooton (1974), düşürme deneyinde enerji girişi ile yeni yüzey alanı yaratma arasındaki daimi doğrusal ilişkiyi 0.99 korelasyon katsayısı ile göstermektedir. Yavaş sıkışma deneylerinde, enerji girişine karşılık yeni yüzey alanı
grafiği önemsiz bir eğrileşme sunmaktadır. Her iki deneyin sonuçlarında, aynı
kaya için farklı iki SE indeksi değeri ortaya çıkmaktadır. Yüzey alanı enerjisi,
kayanın kırılma şekline bağlıdır. Wooton (1974), enerji girişi ile yeni yüzey
alanı oluşturmanın uygulanan yükün boyutuna bağlı olduğunu göstermektedir.
Spesifik enerji, iki benzer yöntemi karşılaştırırken veya herhangi bir
delme ünitesinin en uygun çalışma koşullarının saptanması için kullanılışlıdır.
Bazı tipik spesifik enerji değerleri Çizelge 5.1’de verilmiştir.
75
Çizelge 5.1. Kaya koparma işlemi için spesifik enerji değerleri
[Chugh, 1992’den değiştirilerek]
Spesifik Enerji
Ekipman /
Matkap
Kuyu Çapı (m)
Kayaya Uygulanan
Güç (Hp)
(kWh/m3)
Kaya Dayanımı
1000-2000
kg/cm2
Kaya Dayanımı
>2000 kg/cm2
Darbeli
0.038
5
72
108
Darbeli
0.048
9
58
76
Darbeli
0.076
11
50
76
Konili
0.2
30
58
233
Balta
0.1
15
22
-
Elmas
0.05
10
311
1250
Döner sondaj spesifik enerji değerleri, darbeli sondaja oranla geniş bir
aralık sunmaktadır. Spesifik enerji değerinin yüksek olduğu durumlarda, çalışmanın maliyeti yüksek olacaktır [Karanam ve Misra, 1998].
Bu bölümde, temel bir kaya özelliği olmayan spesifik enerji anlatılmıştır.
Bu bölümden çıkarılabilecek sonuç, yalnızca spesifik enerji değeri kullanılarak
delme performansının tahmin edilemeyeceğidir [Karanam ve Misra, 1998].
Bir kayanın sadece tek bir fiziksel veya mekanik özelliği doğrudan delinebilirlikle ilişkilendirilemez. Kaya delme olayı, kayanın çeşitli özellikleri ve
kaya yenilme mekanizması ile ilişkilidir. Sertlik, dayanım özellikleri, aşındırıcılık, tane boyu ve şekli, taneler arasındaki ilişki vb. kaya delinebilirliğini bütünleşik olarak etkilemektedir. Pek çok araştırmacı, herhangi bir kayanın delinebilirliğinin en iyi şekilde belirlenebilmesi için çeşitli çalışmalar yapmışlardır.
Sonuçta, kaya delinebilirliğinin en iyi şekilde herhangi küçük bir kaya örneği
üzerinde mikromatkap deneyi ile basit ve ucuz olarak belirlenebileceğini göstermektedir [Karanam ve Misra, 1998].
76
5.6. Delinebilirlik Analizinde Kullanılan Deneysel Yöntemler
Kayaların delinebilirliği; dayanım, kırılganlık, aşındırıcılık ve süreksizlik
özelliklerinden etkilenmektedir. Delinebilirlik tayininde, bu özelliklerden bir
kaçı birlikte değerlendirilir.
Kaya delinebilirliğinin tahmini, araştırmacıları uzun süredir meşgul etmektedir. Uluslararası Kaya Mekaniği Derneği’nin (ISRM) kayaların kazılabilirlikleri ve delinebilirlikleri konusunda kurduğu komisyon 1987’de Montreal’de
toplanmıştır. Bu komisyon tarafından delinebilirlik tayininde birkaç deney
yönteminin bir arada yorumlanması tavsiye edilmektedir.
Delinebilirliğin güvenilir olarak saptanması ancak çeşitli deney yöntemlerinin birlikte uygulanması ile gerçekleşir. Fakat, bu yöntem genellikle pahalı
olmaktadır. En güvenilir ve başarılı sonuçları, laboratuar spesifik enerji ve
aşındırıcılık deneyi gibi özel olarak tasarlanan ve delinebilirliğe etki eden çeşitli özellikleri birlikte irdeleyen deney yöntemleri vermektedir [Özdemir, 2007].
Delinebilirlik deney yöntemlerinin, kaya delinebilirliğinin saptanmasında kullanılması için belirli özelliklere sahip olması gerekir. Deney yönteminin
basitliği, ucuzluğu, sonuçlarının yeniden elde edilebilir olması bu özellikler
arasında sayılabilir. En önemlisi, deneyden elde edilen değerlerin kayanın delinebilirliği hakkında doğru sonuçlar vermesi ve yöntemin standart olarak uygulanabilir olmasıdır [Özdemir, 2007].
5.6.1. Laboratuar deneyleri ile delme hızı tahmini
Kayalarda yapılacak sondaj çalışmalarında delme hızının tahmin edilmesine yönelik olarak birçok laboratuar deney yöntemi bulunmaktadır. Bunlar,
döner ve döner-darbeli sondaj yöntemleri özelinde incelenebilir.
Döner sondajda laboratuar deneyleri ile delme hızı tahmini
Döner-darbeli sondajda kayaç özellikleri ile delinebilirlik arasındaki ilişkinin belirlenebilmesi için bir takım deneylerin yapılması gereklidir. Bunlar;
mikromatkap ve/veya diş batırma deneyi ve kayaların diğer özelliklerine bağlı
deneylerdir (tek eksenli basınç deneyi, gözeneklilik belirleme deneyleri, shore
sertlik deneyi, birim hacim ağırlık deneyi ve deformasyon deneyi).
Mikromatkap deneyi
Mikromatkap deneyinde, 3.18 cm çaplı matkaplar kullanılmaktadır. 60
dev/dk’lık dönme hızı ile 90 kg’lık bir itme yükü ile deneyler yapılmaktadır
77
(Resim 5.1). İlerleme 2.4 mm derinliğe ulaşınca delme işlemine son verilerek
toplam zaman ölçülür (her 0.8 mm derinlikte bir zaman ölçülerek toplam zaman bulunur). Dişteki aşınma miktarı tayin edilir. Dişteki aşınma miktarı, delinme özellikleri ortalama olarak belli olan kayaların yer aldığı cetvellerle karşılaştırılarak kayanın delinebilirlik katsayısı belirlenir [Jimeno ve diğ., 1995].
Resim 5.1. Mikromatkap deney düzeneği [Özdemir, 2009]
Diş batırma deneyi
Batırma deneylerinde, matkaplardan çıkarılan değişik türdeki dişler
üzerine, laboratuar ortamında kaya örneği parçalanıp bir oyuk oluşuncaya
kadar yük uygulanmaktadır (Resim 5.2). Sonuçta yük-batma eğrisi elde edilir.
Bu eğrinin eğimi yani oluşan oyuğun derinliğinin uygulanan yüke bölümü α
(kg/mm) delinebilirlik indeksi olarak tanımlanmaktadır (Şekil 5.6). Bu değer
delinebilirliği bilinen kayaların delinebilirlik indeksi ile karşılaştırılarak, kullanılacak matkap türü, ömrü, matkap üzerine uygulanacak yük (baskı) miktarı ve
ortalama delme hızı belirlenir [Kahraman, 1997].
Eğriler sürekli ve süreksiz olmak üzere iki çeşittir. Bu durumlar kayaların plastiklik özelliklerinden ve dişin uç açısından kaynaklanmaktadır. Plastik
ve kırılgan kayalarda diş batarken belli bir yükten sonra kayadan bir parça
(talaş) kopar, batma derinliği aniden artarken yükte de düşme görülür. Dolayısıyla eğri sürekli olur. Kırılgan olmayan kayalarda ise, talaş oluşmadığı için eğri
süreklilik arz etmektedir. Talaşın oluştuğu yük değerinin %50’sinden çizilen
teğetin eğiminden delinebilirlik indeksi bulunur [Kahraman, 1997].
78
Resim 5.2. Diş batırma deney düzeneği [Jimeno ve diğ., 1995]
Şekil 5.6. Eğriler yardımı ile delinebilirlik indeksinin bulunması [Kahraman, 1997]
79
Batırma tepkisi
Kama şeklindeki bir matkap dişinin kayaya batması üç aşamaya ayrılabilir. Bunlar [Kahraman, 1997];
a. Kamanın kaya ile teması sırasında kaya yüzeyindeki pürüzlerin ezilmesi
b. Kayanın plastik deformasyonu
c. Kamanın alt ucundaki ezik kısmın oluşması
Artan yük ile kamanın meydana getirdiği gerilmeler, ezik kısım tarafından kayaya iletilir. Gerilmelerin belli bir değere ulaşmasından sonra kaya yüzeyine doğru ani bir çatlama meydana gelerek küçük bir parça (talaş) kopar.
Bu olaya talaş oluşumu denmektedir (Şekil 5.7). Talaşlanma ile ani bir gerilme
boşalması meydana gelir ve kama-kaya arasındaki kuvvette düşme görülür
[Kahraman, 1997].
Kuyu tabanındaki gerilme durumu karmaşık ve delme işlemi birçok etkene bağlı olduğundan batırma sorununun çözümlenmesinde bazı basitleştirici
kabuller yapılmaktadır. Kayanın homojen, izotrop ve katı-plastik olduğu varsayılır [Kahraman, 1997].
Şekil 5.7. Talaş oluşumu [Kahraman, 1997].
Döner sondajda, delme hızının (delinebilirliğin) tahmini için literatürde
bulunan teorik ve görgül (ampirik) formüller şu şekildedir [Özdemir, 2009;
Kahraman, 1997];
80
1- Teale (1965) formülü:
DH =
Burada; DH = delme hızı, N = dönme hızı, T = tork, A = delik kesit alanı,
SE = spesifik enerji
2- Morris (1969) formülü:
DH = 17N
Burada; DH = delme hızı (m/h), N = dönme hızı (dv/dk),
=
penetrasyon deneyinde matkap dişinin batma miktarı (mm), F = talaş oluşturmak için gerekli kuvvet (kg), W = matkap baskısı (kg), C = diş sayısı
3- Clark (1979) formülü:
= k(
)2
Burada; DH = delme hızı, N = dönme hızı, D = matkap çapı, k = sabit, W =
matkap baskısı,
= delinebilirlik direnci
4- Warren formülü [Howart, 1986]
DH = (
+
)-1
Burada; DH = delme hızı, A,b,c = sabitler, Sd = delinebilirlik direnci (kPa),
D = matkap çapı, N = dönme hızı, W = matkap baskısı
81
5- Praillet (1990) formülü:
W=
DH=
Burada; DH = delme hızı, W = matkap baskısı, N = dönme hızı,
dayanımı, D = matkap çapı
= basınç
6- Karpuz ve diğ. (1990) formülü:
DH = 0.01418
Burada; DH = delme hızı, W = matkap baskısı, N = dönme hızı, D = matkap çapı, = basınç dayanımı
7- Pandey ve diğ. (1991) formülü (Laboratuar delme deneyinden) ;
DH = 2544.94-306.738 log
DH = 103.51-5.71 log
DH = 941.12-71.02 log
DH = 690.63-88.32 log f
Burada; DH = delme hızı (cm/dk), = basınç dayanımı,
= çekme dayanımı, = kesme dayanımı, f = protodyakonov indeksi (kaya dayanım katsayısı)
82
8- Wijk (1991) formülü:
=
DH = kN
(
)3/2
Burada; DH = delme hızı, K = sabit, N = dönme hızı, Sc = matkap diş sayısı,
W = matkap baskısı, D = delik çapı,
(Mpa),
= stamp test dayanım indeksi
C = diş sayısı
9- Maurer formülü [Wijk, 1991]:
DH =
Burada; DH = delme hızı, K = sabit, N = dönme hızı, Sd = delinebilirlik direnci,
D = matkap baskısı
10- Baurer formülü [Wijk, 1991]:
DH =
Burada; DH = delme hızı (ft/h), = basınç dayanımı (psi), N = dönme hızı (dv/dk), W = matkap baskısı (Ib), D = matkap çapı (inç)
83
11- Eskikaya ve diğ. (1993) formülü:
DH =
Burada; DH = delme hızı (cm/dk), K = kayaç özelliklerine bağlı bir katsayı,
N = dönme hızı (dv/dk), W = matkap baskısı (kg), = delinebilirlik indeksi (kg/mm), D = matkap çapı (cm), C = 6-7 arasında değişen bir katsayı
12- Kahraman (1999) formülü:
Konik dişli matkap için;
DH = 3.20
Kürsel dişli matkap için;
DH = 3.35
Burada; DH = delme hızı (m/h), N = dönme hızı (dv/dk), W = matkap
baskısı (kN)
α = delinebilirlik indeksi (kN/mm), D = matkap çapı (cm)
Döner-darbeli sondajda laboratuar deneyleri ile delme hızı tahmini
Döner-darbeli sondajda kaya özellikleri ile delinebilirlik arasındaki ilişkinin belirlenebilmesi için bir takım deneylerin yapılması gereklidir. Bunlar;
kırılganlık ile Sievers minyatür delik delme deneyleri ve kayaların diğer özelliklerine bağlı deneylerdir (tek eksenli basınç deneyi, gözeneklilik belirleme
deneyleri, shore sertlik deneyi, birim hacim ağırlık deneyi ve deformasyon
deneyi).
84
Delme hızı indeksi (DRI)
Delme hızı indeksi (DRI), deneysel uygulamalardaki delinebilirliği tam
olarak işaret etmez. Fakat, ilerleme hızının hesaplanmasına yardımcı olur. Aynı
zamanda kayanın delinmeye karşı gösterdiği en yüksek dayanımı temsil eder.
DRI ya da delme hızı indeksi, Norveç Teknoloji Enstitüsü (Norwegian Institu
of Technology) SINTEF’de 1960’lı yıllardan itibaren kayaların delinebilirliği
için yapılan çalışmaların toparlanması ile geliştirilmiştir [Yaralı ve Soyer,
2007].
1988 yıllından itibaren İskandinav ülkelerinde delinebilirlik konusunda standart bir deney haline gelmiştir. Delme hızı indeksi (DRI), kırılganlık ve
minyatür delme (Sievers) deneyleri sonucunda grafikten bulunmaktadır. Bu
iki deneyde kullanılan deney aletlerinin orijinali Norveç Bilim ve Teknoloji
Üniversitesi SINTEF Kaya ve Zemin Mekaniği Laboratuvarında [Norvegian
University of Science and Technology (NTNU) SINTEF Rock and Soil
Mechanics] bulunmaktadır. Bu deney yöntemi, özellikle sert kaya kazılarındaki delme performansının tahmininde kullanılmaktadır [Yaralı ve Soyer,
2007].
Bu deneylerden elde edilen sonuçlar, DHİ ile kayaların delinme özelliklerinin doğru ve güvenilir bir şekilde tahmin edilebileceğini ortaya koymuştur.
DHİ, iki nicelik temelinde hesaplanmaktadır. Bunlar [Dahl, 2003];
1. Kırılganlık değeri (S20)
2. Sievers değeri (Sj)
Kırılganlık deneyi ve değeri (S20)
Kırılganlık değeri, kolay kırılabilirlik deneyi ile hesaplanmaktadır. Devam eden darbelerle kayanın kırılmaya karşı olan direncinin ölçüldüğü bir
deneydir. Deney 1943 yılında, N. von Matern ve A. Hjelmer tarafından İsveç’te
geliştirilmiştir. Çeşitli kullanım amaçları için deney birkaç kez modifiye edilmiştir. Kırılganlık deneyi, 1950’lerin sonundan bugüne kaya delinebilirliğinin
tayininde kullanılmaktadır [Dahl, 2003]. Şekil 5.8’de kırılganlık deneyinin şematik gösterimi verilmiştir.
85
Sievers deneyi ve değeri (Sj)
Sievers değeri hesaplanmasında minyatür delik delme deneyi yapılır.
Bu deney, kayanın yüzey sertliğinin (veya oyulmaya karşı direncinin) ölçülmesinde kullanılır. Bu deney, 1950’lerde H. Sievers tarafından geliştirilmiştir [Dahl, 2003]. Şekil 5.9’da minyatür delik delme aletinin şematik görünümü verilmiştir.
Şekil 5.8. Kırılganlık deneyinin şematik görünümü [Dahl, 2003]
Şekil 5.9. Minyatür delme (Sievers) aletinin şematik görünümü [Dahl, 2003]
86
DRI değeri, Sj değeri tarafından düzeltilmiş kaya kırılganlık değeridir.
Delme hızı indeksi (DRI), Şekil 5.10’da verilen diyagram kullanılarak bulunur.
Diyagram üzerinde kırılganlık deneyinden elde edilen S20 değeri ve Sievers
minyatür delme deneyinden elde edilen Sj değeri kesiştirilerek DRI değeri belirlenir ve Çizelge 5.2 gibi sınıflandırılır.
Şekil 5.10. Delme hızı oranı (DRI) tayininde kullanılan diyagram [Dahl, 2003]
Çizelge 5.2. DRI sınıflandırması [Dahl, 2003]
Sınıf
DRI
Aşırı Düşük
≤ 25
Çok Düşük
26-32
Düşük
33-42
Orta
43-57
Yüksek
58-69
Çok Yüksek
70-82
Aşırı Yüksek
≥ 83
87
Döner-darbeli sondajda, delme hızının (delinebilirliğin) tahmin edilmesi
için literatürde bulunan teorik ve ampirik formüller şu şekildedir [Özdemir,
2009; Kahraman, 1997];
1- Hartman (1962) formülü:
DH =
Burada; DH = delme hızı, V = krater hacmi,
matkaptaki kanat sayısı, A = delik kesit alanı
= darbe frekansı,
=
2- Protodyakonov (1962) formülü:
DH =
Burada; DH = delme hızı (dk/m), d = delik çapı (mm), f = protodyakonov
indeksi,
G = pnömatik tabanca gücü (kW)
3- Bailey (1967) formülü:
DH =
(Pap)3/2 (
)1/2
Burada; DH = delme hızı, n = verim, SE = spesifik enerji, d = delik çapı, P
= işletme basıncı, Ap = piston alanı, S = strok, Wp = piston ağırlığı
88
4- Coates (1970) formülü:
DH =
Burada; DH = delme hızı, n = verim, bpm = darbe frekansı, Ap = piston kesit alanı,
S = strok, SE = spesifik enerji, A = delik kesit alanı
5- Hustrulid (1971) formülü:
DH =
Burada; DH = delme hızı (cm/dk), E = piston enerjisi (kg-cm), bpm =
darbe frekansı (darbe /dk), Tr = enerji transfer katsayısı, A = delik kesit alanı
(cm2), SE = spesifik enerji (kg-cm/cm3)
6- Schmidt (1972) formülü:
DH =
Burada; DH = delme hızı (cm/dk), G = piston gücü (kgm/dk), Tr = enerji
transfer katsayısı, SE = Spesifik enerji (kgcm/cm3), D = matkap çapı (cm)
7- Tandananad ve Unger (1975) formülü:
DH =
In Kd = 0.47(d-1.5)
Burada; DH = delme hızı (inç/dk), G = piston gücü (ft Ib/dk), A = delik
kesit alanı (inç2), Kd = düzeltme faktörü, D = delik çapı (inç), f’= geliştirilmiş
protodyakonov indeksi
89
8- Pathinkar ve Misra (1980) formülü:
Log DH = (0.04-0.00094 )logSE+0.0089 +2.544+log(
Burada; DH = delme hızı (cm/dk),
si (kgm),
= matkap uç açısı,
)
=piston enerji-
SE = Spesifik enerji (kgm/cm3), bpm = darbe frekansı (darbe/dk), A = delik kesit alanı (mm2)
9- Rabia ve Brook (1980) formülü:
DH =
Burada; DH = delme hızı, DD = Darbe dayanım sayısı, SH = Shore sertliği,
P = işletme basıncı, a,b,c = katsayılar
10- Wijk (1989) formülü:
DH =
Burada; DH = delme hızı, C = diş sayısı, V = krater hacmi, f =
protodyakonov indeksi, D = matkap çapı
11- Kahraman (1999) formülü:
Kuyudibi çekici kullanılacaksa,
DH = 3.24
Burada; DH = delme hızı (m/dk), P = çalışma basıncı (bar), d = piston çapı (mm),
90
Rn = Schmidt çekici (N-tipi) geri darbe sayısı
Yerüstü çekici kullanılacaksa,
DH = 0.47
Burada; DH = delme hızı (m/dk), bpm = darbe sayısı(darbe/dk),
eksenli basınç dayanımı (MPa), q = kuvars içeriği (%)
= tek
YARARLANILAN KAYNAKLAR
Akkoç, E. “Agregaların mekanik ve dokusal özellikleri arasındaki ilişkilerin araştırılması”. Yüksek Lisans Tezi, İTÜ, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 102
(2002).
Akpınar, K. “Su Kuyularının Açılması ve İşletilmesi, Sorunlar ve Çözümleri”, Ankara, 696 (1999).
Akün, M.E. “Effect of operational parameters and formation properties on
drillability in surface set diamond core drillings”. ODTÜ, Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, 251 (1997).
Akün, M.E. ve Karpuz, C. “Türkiye’deki arama operasyonlarında, operasyon parametreleri ve formasyon özelliklerine bağlı olarak ilerleme hızlarının iyileştirilmesi”, Madencilik Dergisi, 1,17-24 (1992).
Atkinson, T. and Cassapi V.B. “The prediction and reduction of abrasive wear in
mine excavating machinery”, I. Mech. E., 165-171 (1984).
Atkinson, T., Cassapi, V.B. and Singh, R.N. “Assessment of abrasive wear resistance
potential in rock excavating machinery”. Int. J. Min. Geo. Engg.,3, 151-163
(1986).
Aytekin, A. “Matkaplar“, MTA Hizmetiçi Eğitim Semineri, Diyarbakır, (Yayımlanmamış) (2004).
Bilgin, N., “Maden İşletmelerinde Kullanılan Deliciler. Çalışma Şartları ve Ekonomisi”, İTÜ Maden Fakültesi, 49 (1991).
Bilgin, N., Eskikaya, Ş. Dinçer. T. “TKİ’de kullanılan geniş çaplı rotari delicilerin
performans analizi”. Türkiye 13.Madencilik Kongresi, 199-210 (1993).
Brook, N. “The use of irregular specimens for rock strength tests”. Int. J. Rock
Mech. Min. Sci., 4, 193-202 (1977).
Chugh, C.P. “High Technology in Drilling and Exploration”, Oxford & IBH, 780
(1992).
Dahl, F. “DRI, BWI, CLI Standarts”, NTNU, 21 (2003).
Das, B. “Vickers hardness concept in the light of Vickers impression”. Int. J. Rock
Mech. & Min. Sci.,11:85-89 (1974).
Datc., “Product Catalogue”, Fransa, 418 (2003)
Ducklet, C.P. and Bates, T.R. “Predicting diamond bit drilling rates”, World Oil,
192-198 (1981).
91
92
Yararlanılan Kaynaklar
Ersoy, A., “Sondaj Teknikleri ve Uygulamaları”, Nobel Kitabevi, 350 (2008).
Ersoy, A., “Automatic drilling control based on minimum drilling specific energy
using PDC and WC bits”, Mining Technology: IMM Transactions section A,
112, 86-96 (2003).
Ersoy, A., Waller, M. D., “Textural characterisation of rocks”, Eng. Geology, 39, 123136 (1995).
Ersoy, A., “Polikristalin elmas matkapların kömür yan kayaçlarında delme verimliliği”, Sondaj Sempozyumu, 82-95 (1998).
Furby, J., “Tests for rock drillability”, Min. Quarry Engg., Vol.30, 292-298 (1964).
Geogem, “Diamond Core Drilling Bit Manual”, China, 206 (2006).
Goodman, R. E. Introduction to Rock Mechanics, John Wiley & Sons, Kanada, 562
(1989)
Göktekin, A., “Sondaj Tekniği”, İTÜ Maden Fakültesi Yayını, 431 (1991).
Gümüşay, E., “Su Sondaj Matkaplarının Kullanılması, Bakımı ve İmalatı Üzerine
Düşünceler”, DSİ Yayını,137 (1974).
Hartman, H.L., “Basic studies of percussion drilling”, Mining Engineering, N.Y.,11,
68-75 (1959).
Herdan, G., ve Smith, M.L., “Small particale statistics”, Elseveir, Houston, 66 (1953).
Heinz, W.F. ,“Diamond Drilling Handbook”, South African Drilling Association,
517 (1985).
Hoseinie, S.H., Aghababaei, H., Pourrahimian, Y. “Development of a new
classification system for assessing of rock mass drillability index (RDi)”,
International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 45, 1–10
(2008).
Howrath, D.F., ve Rowlands, J.C., “Quantitative assessment of rock texture and correlation with drillability and strength properties”, Rock Mech.Rock Eng., 20,
57-85 (1987).
Howrath, D.F. and Adamson, W.R., “Performance characteristics of a small-scale
rotary boring machine instrumented with large drag pick”, Int. J. Rock
Mech. Min. Sci, 26, 25-33 (1988).
Howrath, D.F. “Review of rock drillability and borability assessment methods”,
Trans. Int. Min. Metall, 191-202 (1986).
ISRM, “Commission on standardization of laboratory and field tests, Suggested
methods for the quantitative description of discontinuities in rock masses”,
Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr., 15 (6): 319-368 (1978).
93
Jimeno, C.L., Jimeno, E.L. and Carcedo, F.J.A. “Drilling and Blasting of Rocks”, A.A.
Balkema., 391 (1995).
Kahraman, S., “Konili matkaplar, seçim kriterleri ve sınıflandırılması”, Jeoloji Mühendisliği Dergisi, 47, 45-46 (1995).
Kahraman, S., “ Açık işletmelerde uygun delme-patlatma şartlarını veren bir modelin geliştirilmesi, İTÜ, Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, 327 (1997).
Karaman, E., “Sert kayaçlarda delinebilirlik tayini”, Dokuz Eylül Üniversitesi, Fen
Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 55 (2008).
Karanam, R.U.M. and Misra, B., “Principles of Rock Drilling”, AA Roterdam, 265
(1998).
Karanam, R.U.M., “Experimental and theoretical investigations of impregnated
diamond core drilling in rocks”, Ph.D. Thesis, HT, Kharagpur, (1994).
Kırgız ve Hindistanlı, M.A. 2006, Kaya Mekaniği İLkeleri ve Uygulamaları, Maden
Müh. Odası Yayını 3465.
Longyear, “Diamond Products Field Manual”, (1987).
Mellar, M., “Normalization of specific energy”, Int. J. Rock Mech. Sci, Vol.9, pp. 661663 (1965).
Misra, B., “Correlation of rock properties with machine performance”, Ph.D. thesis,
(1972).
Moore, P.L., “Drilling Practices Manual ”, USA, 363-399 (1986).
Nast, P.H., “Drillers Handbook on Rock”, Davey Compressor Company, Kent Ohio,
Tunnel Engineering Handbook, Ed. Bickel, Jon, O. ve Kuesel, (1955).
Onan, M., “Karotlu sondajlarda ilerleme hızına etki eden faktörlerin araştırılması”,
Hacettepe Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi,113
(1992).
Özdemir, A., “Sondaj Tekniğine Giriş”, 2. Baskı, Mattek Matbaası,74 (2009).
Özdemir, A., “Kayaların delinebilirliğini etkileyen jeo-mühendislik özellikleri”,
Sondaj Dünyası Dergisi, 5, 15-18 (2007).
Özdemir, A. ve Haspolat, Z., “Sondaj çalışmalarında kullanılan üç konili matkapların
seçimi için yeni b r yaklaşım”, 59.Türkiye Jeoloji Kurultayı, 435 (2006).
Özdemir, A. ve Özdemir, M., “Jeoteknik Etüt Sondajları”, Belen Yayıncılık, 234
(2006).
Öztürk, A., “Kayaç dokusal özelliklerinin sınıflandırılması ve kaya mühendisliği
uygulamaları”, Doktora Tezi, İTÜ, Fen Bilimleri Enstitüsü, 197 (2006).
94
Paithankar, AG. and Misra, G.B., “A critical appraisal of the protodyakonov index”,
Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 13, 249-251 (1976).
Paone, J., Bruce, W.E and Virciglio, P.R., “Drillability studies-statistical regression
analysis of diamond drilling”, RI-USBM-6880, (1966).
Paone, J. and Bruce, W.E., “Drillability studies-diamond drilling”, Rl-USBM 6324,
(1963).
Paone, J. and Madson, D., “Drillability studies-impregnated diamond bits”, RI-USBM
6776, (1966).
Paone, J. Madson, D. and Bruce, W.E., “Drillability studies laboratory-percussive
drilling”, RI-USBM-7300, (1969).
Praillet, R., Blasthole Drilling-Rotary Drilling and The Four Kingdoms, WME, Sept.,
20-22 (1990).
Protodyakonov, M.M. “Mechanical properties and drillability of rocks”, Proc. of the
Fifth Symp. Rock Mechanics, 103-118 (1962).
Rabia, H. and Brook, N. ,“the Effects of apparatus size and surface area of charge on
the impact strength of rock”, Int. J. Rock Mech. Min. Sci, Vol.18., 211-219
(1981).
Sauna, M. and Peters, J., “The cerchar abrasivity indeks and it relation to rock
mineralogy and petrography, Rock Mechanics, 15, 1-18 (1981).
Savaşkan, M., Taptık, Y. ve Ürgen, M., “Deney tasarımı yöntemi ile matkap uçlarında
performans optimizasyonu”, İTÜ Mühendislik Dergisi, 3, (6):117-128
(2004).
Schmidt, R.L., “Drillabiliry studies percussive drilling in the field”, RI-USBM-7684,
(1974).
Selmer-Olsen R. and Blindheim, O.T., “On the drillability of rock by percussive drilling”, Proc. of Second Congress of the Int. Soc. for Roc. Mech.,3:, 65-70
(1970).
Shepherd, R., “Physical properties and drillability of mine rocks”, Water Power,
Vol.3., 181-183, 252-258, 309-314, 351-456 (1951).
Simon, R., “Theory of rock drilling”, Sixth Annual Drilling and Blasting Symp., 1-4
(1956).
Simon, R., “Transfer of the stress wave energy in the drill steel of percussive drill to
the rock”, Int J. Rock Mech. Min. Sci., 1: 397-411 (1964).
Singh, D.P. “ The drillability of rocks”, Min. Sci. and Eng., 5, 255-260 (1973).
95
Singh, D.P., “Drillability and physical properties of rocks”, Proc. Rock Mech. Symp.,
Australia, 29-34 (1969).
Singh, S.P., “A simple criterion of machinability of hard rocks”, Int. J. Min. Geol.
Eng,. 7, 257-266 (1989).
Sunay, N., “Elmas Kron ve Karot Randımanı”, MTA Enstitüsü Yayını, No: 131, 39
(1966).
Tandanand, S. and Unger, H.P., “Drillability determination-a drillability index for
percussion drills”, R.I.-USBM-8073, (1975).
Teale, R., “The concept of specific energy in rock drilling”, Int. J. Rock Mech. Min.
Sci., 2, 57-73 (1965).
Thuro, K., “Drillability prediction: geological influences in hard rock drill and blast
tunnelling”, Geol Rundsch, 86, 426-438 (1997).
Unger, H.F. and Fumanti, R.R., “Percussive drilling with independent rotation”, RI-USBM-7692, (1972).
West, G., “A review of rock abrasiveness testing for tunneling”, Procedings of the
International Sypmposium on Weak Rock, 585-594 (1981).
West, G., “Rock abrasiveness testing for tunneling”, Rock Mech. Min. Sci. and Geomech. Abstr., Vol. 26, No.2, 151-160 (1989).
Wilbur, L. D., “Rock Tunnels”, Tunnel Engineering Handbook, Ed. Bickel, Jon, O. ve
Kuesel, T. R, 123-207 (1982).
Williams, H., Turner, F. J., ve Gilbert, C. M. Petrography: an introduction to the study
of rocks in thin sections, W. H. Freeman Company, San Francisco, (1982).
Wootton, D., “Aspects of energy requirements for rock drilling”, Ph.D. Thesis, Leeds
Univ., (1974).
Yaralı, O. ve Soyer, E., “Tünel açma makinalarının performans analizinde kullanılan
delme oranı indeksinin (DRI) tahmini”, 2. Ulaşımda Yeraltı Kazıları Sempozyumu, 169-179 (2007).
Yıldız, R. ve Köse, H., “Açık İşletmelerde Delik Delme Metodları ve Delici
Makinalar”, Kütahya, 218 (2003).

KAYALARIN DELİNEBİLİRLİĞİ Sondajcılık

Transkript

Benzer belgeler

8.Delme Patlatma Sempozyumu - DelPat – Kaya Delme Patlatma

Çevresel Etkiler her zaman kontrolümüzün altında.

kırıntı değiştirilirken