Bomlu kazı makinalarının stabilite analizi ve optimum seçimi
Stability of boom type tunnelling machines and optimum selection
- Tez No: 175780
- Danışmanlar: DOÇ. DR. HASAN ERGİN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Maden Mühendisliği ve Madencilik, Mining Engineering and Mining
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2004
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Günümüzde her yıl madencilik ve inşaat amaçlı yüzlerce kilometre galeri/tünel açılmaktadır. Son yıllarda şehirleşmenin hızla artmasıyla birlikte ulaşım ve alt yapı amaçlı tünellere olan ihtiyaç da artmıştır. Bu tünellerin hızlı ve güvenli bir şekilde açılması gerekmektedir. Diğer yandan madencilikte, çevre ile ilgili kısıtlamalardan ve yeryüzüne yakın maden kaynaklarının azalmasından dolayı yeraltı üretim yöntemlerine doğru bir yönelim söz konusudur. Yeraltı maden işletmeciliğinde ise ekonomik şartlar üretime erken başlama gerektirmekte, bu da galeri açma işleminin hızlı olması sonucunu doğurmaktadır. Bu nedenle kazı işleminde mekanize yöntemler daha fazla tercih edilir duruma gelmiştir. Mekanize kazı araçlarından biri olan bomlu kazı makinalarının, diğer kazı makinaları arasında özel bir yeri vardır. Bu makinaların ilk yatırım maliyetleri tam cepheli kazı makinalarına göre daha düşüktür. Ayrıca değişik şekilli galerileri açabilecek esnekliğe sahiptirler. Ancak sert kesme koşulları için uygun olmayıp, düşükten orta sertliğe doğru stabil kayaç ortamlarının kazısı için uygundurlar. Galeri açma işleminde kullanılacak mekanize kazı sistemlerini belirlemek için öncelikle kayaçların kazılabilirliği ile ilgili çalışmaların yapılması gerekmektedir. Kayaçların kazılabilirlikleri; onların“fiziksel, mekanik ve kütlesel”özelliklerine bağlıdır. Kazılabilirlik tayini çerçevesinde küçük ve tam boyutlu kazı setleri kullanılarak kesme sırasında etkili keski kuvvetlerini ölçmekte mümkün olabilmektedir. Kullanılacak kazı sisteminin seçiminde galeri ve proje parametreleri de göz önüne alınmak durumundadır. Makinaların performans kestirimi ise, çeşitli performans tahmin yöntemleriyle yapılmaktadır. Bir galerinin kazısı için, bomlu kazı makinalarının kullanılıp kullanılmayacağına, kullanılacaksa makinanın hangi tipte olacağına (hafif, orta, ağır) genel olarak cevap vermek mümkündür. Fakat seçilen makina ile kazı yapılırken çoğu önceden kestirilemeyen çeşitli problemlerle karşılaşılması çok görülen durumlardandır. Örneğin; makinanın kesici kafa gücü verimli bir kazı için yeterli iken,“toz problemi, stabilite problemleri, zemine batma problemleri”vb. problemler yaşanabilmektedir. Diğer yandan makinalar“ağırlık, güç ve makina”boyutları açısından bir bütündür. Bunlar arasındaki uyumsuzluk makinanın verimli kazı yapmasını engelleyecektir. Dolayısıyla makina alındıktan sonra bu bütünlüğü bozacak değişiklikler yapmak hem zordur, hem de yukarıda belirtilen husustan dolayı risklidir. Bu nedenle, makina seçimi yapılırken, galeri ve proje ihtiyaçları ve sonradan ortaya çıkabilecek durumlarda mümkün olduğunca göz önüne alınmak zorundadır. Günümüzde çeşitli konularda seçim yapmak söz konusu olduğunda, karar verme yöntemleri yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Çok kriterli karar verme yöntemleri, çoklu ve birbiriyle çelişen kriterlerin söz konusu olduğu hallerde, seçenekler arasından amaca en uygun olanını bulmak için kullanılmaktadır. Nitekim bomlu kazı makinalarının seçimi söz konusu olduğunda da, çoklu ve birbiriyle çelişen kriterler söz konusudur. Örneğin makinaların daha büyük kesit kazabilmeleri için bom uzunluğu, artırıldığında makinanın stabilitesi olumsuz etkilenmektedir. Makina stabilitesini sağlayabilmek için makina genişliği artılırsa, bu sefer de makina boyutları ile tünel boyutları arasında uyum sorunu çıkmakta, keza ağırlığın artırılması hallerinde de zemine batma problemi gündeme gelmektedir. Bu nedenle, seçime etkili olabilecek makina parametrelerinin, alıcının ihtiyaçlarına, dolayısıyla kullanılacak yerlere göre önceden belirlenmesi ve makina seçiminin uygun yöntemlerle değerlendirilmesinden sonra yapılması gerekmektedir. Bu çalışmada, yukarıda belirtilen amaç doğrultusunda, belli kayaç özelliklerinde ve bilinen proje şartlarında açılacak bir tünel veya galeri için en uygun bomlu kazı makinasının seçimi amacını taşımaktadır. Bunun için çok kriterli karar verme yöntemlerinden“Analitik Hiyerarşi Prosesi Yöntemi”ve“Yager Yöntemi”kullanılmış ve bomlu kazı makinaları seçimine nasıl uygulanacağı araştırılmıştır. Çalışmada önce, bomlu kazı makinalarının genel özellikleri, yapısı ve tiplerinden bahsedilmiştir. Özellikle makinanın bütünlüğünü ortaya koyan dinamik ve kinematik özelliklere yer verilmiştir. Daha sonra, bu makinaların seçimi sırasında etkili olabilecek kriterler belirlenmiştir. Yeterli sayıda uzmana ulaşılamaması durumu göz önüne alınarak ve kıyaslamaların objektif yapılabilmesi için kriterlerin sayısal olarak ifade edilebilmesine önem verilmiştir. Ayrıca, makina seçiminde etki eden çok sayıdaki parametrelerin etki dereceleri farklı olduğu için, bunlara, taşıdıkları öneme göre puan verilmiştir. Makina performansına hangi parametrenin ne ölçüde etkili olduğu literatür çalışması sonunda tespit edilmiş ve bunlara mukayeseli olarak ağırlık puanları verilmiştir. Literatürde bomlu kazı makinaların stabilite durumlarının kazı verimliliği açısından önemli olduğu belirtilmiştir. Fakat bu konuda detaylı çalışmalar yoktur. Bu eksikliğin giderilmesi ve stabilite durumlarının seçim parametresi olarak kullanılabilmesi için bir de, bu makinaların stabilite analizini yapan bir yöntem geliştirilmiştir. Böylece bir bomlu kazı makinasının stabilite durumunu ortaya koyacak sayısal değerler elde etmek artık mümkün olabilmektedir. Stabilize analizleri, farklı makina konumları ile çeşitli kesme modları esas alınarak yapılmıştır. Mesela kesici kafanın bom eksenine paralel yerleştirildiği (BEP tipli) bomlu kazı makinalarının“dik eksen etrafında dönme, yana devrilme, geriye devrilme ve kayma”gibi dört stabilite konumunun herbiri için,“arına girme, sağa doğru kesme, sola doğru kesme, yukarıya doğru kesme ve aşağıya doğru kesme”modları esas alınarak, her durum için ayrı ayrı denge eşitlikleri kurulmuştur. Aynı analizler gene aynı dört stabilite durumu için,“arına girme, yana doğru kesme, yukarıya doğru kesme ve aşağıya doğru kesme”modları esas alınarak, kesici kafanın bom eksenine dik olarak yerleştirildiği (BED tipli) bomlu makinalar için de yapılmış ve herbir durum için denge eşitlikleri kurulmuştur. Sonra da bu eşitliklere dayanılarak ve C++ programlama dili kullanılarak, BEP ve BED tipli kafaya sahip bir makinanın, bütün arın boyunca veya arındaki belli bir nokta için stabilite analizi yapabilen bir bilgisayar programı geliştirilmiştir. Bu program kullanılarak makina ve kesici kafa tasarım parametrelerinin aynı olduğu BEP ve BED tipli iki bomlu kazı makinasının aynı kesme koşullarında stabilite analizi yapılmış ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. Geliştirilen analiz yöntemi ile makina parametrelerinin makina bütünlüğüne etkisi incelenmiş ve bunlar sayısal olarak sunulmuştur. İncelenen makina parametreleri“makina ağırlığı, makina genişliği, palet genişliği, bom uzunluğu, bomun yatay ve dikey dönme noktası arasındaki mesafe, bomun yatay dönme noktası ile makinanın ağırlık merkezi arasındaki mesafe, makina arka ayağı ile makina ağırlık merkezi arasındaki mesafe”dir. Ayrıca“makina ile zemin arasındaki sürtünme katsayısı ve tünel eğiminin makina stabilitesine etkisi”de incelenen konular arasındadır. Bomlu kazı makinalarınında kesici kafa tipinin kazı verimliliğine önemli etkileri vardır. Bu nedenle kesici kafa tiplerinin makina stabilitesi durumlarına nasıl etki etttiği de bu çalışma kapsamında araştırılmış ve“küresel, konik ve bunların kombinasyonu”ndan oluşan geometrilere sahip kafaların makina stabilitesine etkisi araştırılarak elde edilen sonuçlar ayrıntılı biçimde sunulmuştur. Gerek stabilite analizi yöntemiyle elde edilen kriterler ve gerekse diğer kriterler kullanılarak, çok kriterli karar verme yöntemlerinin bomlu kazı makinalarının seçiminde nasıl kullanılacağının gösterilmesi amacıyla Çayırhan Kömür Havzası uygulama alanı olarak seçilmiştir. Bu bölgeyi temsil eden ara kesme (kumlu kiltaşı) ve kömür numuneleri üzerinde çeşitli fiziksel ve mekanik özelliklerin belirlenmesi için deneyler yapılmıştır. Bu deneyler“yoğunluk ve nem oranı tespiti, tek eksenli basınç dayanımı, endirekt çekme dayanımı ve sismik hız deneyleri ve yerinde Schmidt çekici ölçümleri”şeklindedir. Kayaçların kesilmesi için gerekli keski kuvvetlerini ve birim hacim kayacı kesmek için harcanan spesifik enerji değerini bulmak amacıyla tam boyutlu kesme deneyleri yapılmıştır. İşletmede yapılan çalışmalar analiz edilerek seçimde etkili olabilecek galeri ve proje parametreleri incelenmiştir. Böylece işletmede halen yapılmakta olan çalışmaların sonuçları da dikkate alınarak seçilecek makina tipinin belirlenmesi yoluna gidilmiştir. Bu çalışmanın sonunda bölgede kullanılabilecek, benzer ağırlığa sahip ilk etapta üç bomlu kazı makinası tespit edilmiş, daha sonra makinaların seçim kriterlerine ait değerleri hesaplanarak ve Analitik Hiyerarşi ve Yager yöntemi kullanılarak, bölge için en uygun makina tespit edilmeye çalışılmıştır. Analitik Hiyerarşi yönteminde kriterlerin ağırlıkları, Saaty'nin ikili karşılaştırma yöntemine göre bulunmuş, puanlandırma işlemi, işletmenin ihtiyaçları göz önüne alınarak ve literatür bilgilerine baş vurularak yapılmıştır. Daha sonra yöntemin diğer aşamalarıda uygulanmış ve sonuçta, şartlara en uygun olduğu düşünülen bir makina seçilmiştir. Yager yönteminde kriter ağırlıkları, Analitik Hiyerarşi Prosesinde olduğu gibi Saaty'nin ikili karşılaştırma matrisinin özvektöründen elde edilmiştir. Bu yöntemin Analitik Hiyerarşi Prosesine göre üstünlüğü, dilsel ifadelere dayanan kriterlerin de seçime dahil edilebilmesidir. Seçeneklerin herbir kriter için alacakları üyelik dereceleri uzman görüşüne dayandırılmaktadır. Bu çalışmada ise, sonuçların daha objektif olması için karar vermede etkili olan stabilite kriterleri sayısallaştırılmış ve üyelik dereceleri bu sayısal değerlere göre atanmıştır. Sonuç olarak seçilen makina, analitik hiyerarşi prosesinde elde edilen makinayla aynı çıkmıştır. İki yöntemde de sonuçların aynı çıkması çalışmanın sağlam temeller üzerine oturduğunun bir göstergesidir. Sonuç olarak bu çalışma ile, bir galerinin kazı işlemi için, bomlu kazı makinalarının seçilmesi sürecinde çok kriterli karar verme yöntemlerinin kullanılabileceği gösterilmiş bulunmaktadır. Yöntemler kullanılırken dikkat edilmesi gereken konuların başında, işletmenin ihtiyacına bağlı olarak kriterlerin belirlenmesi gelmektedir. Ayrıca atanan puanlar ve üyelik dereceleri değiştiğinde sonuçlar da değişeceğinden, atamaların hassas şekilde yapılmasının gerekliliğini unutmamak lazımdır.
Özet (Çeviri)
In today's world, hundreds of kilometers of galleries/tunnels are being excavated for mining and construction-related purposes. Parallel to the rapid increase in urbanization in recent years, the need for tunnels in transportation and infrastructure has also increased. These tunnels need to be excavated in the quickest and safest manner. On the other hand, there is an inclination towards underground production methods in mining due to environmental restrictions and the decrease of mining resources close to the surface of the earth. However, economic conditions require early commencement of production in underground mining operations, and this results in a quick gallery excavation process. Therefore, mechanized systems have come to be more preferred in the excavation procedure. Roadheader, one of the mechanized excavation equipment, has an exceptional place among those other excavation methods. It has lower initial investment costs than the full-face excavation machinery. They are also flexibly equipped to excavate galleries in various shapes. However, they are not suitable for hard cutting conditions, and are more preferable for excavating stable rocks with low to medium hardness. To determine the mechanized excavation systems to be used in the gallery excavation process, one first needs to conduct researches relating to the excavation of rocks. Excavation feature of rocks depends on their“physical, mechanical and mass”characteristics. It is also possible to measure the cutting forces effective during cutting process using small and full-scale excavation test rigs within the frame of determination of excavation features. One has to consider both gallery and project parameters for the purpose of selecting the excavation parameters to be used. And the performance estimation of machinery to be used is handled through various performance estimation methods. It is generally possible to answer whether or not boom type tunnelling machines will be used to excavate a gallery, what the type of machine (light, medium, heavy) will be if they are to be used. However, one may often encounter various problems most of which are impossible to estimate beforehand while excavating with the selected set of machinery. For example, while the cutting head power will be sufficient for a productive excavation, one might possibly encounter“dust problems, stability problems, grounding problems”etc. On the other hand, the machinery forms a harmony with their“weight, power and engine”sizes. A lack of harmony among them prevents a productive excavation work of the machine. Therefore, it is both hard and risky to make modifications that will impair this integrity after purchasing the machinery due to the above-mentioned harmony issue. Thus, when selecting machinery, gallery and project requirements and possible future circumstances should be taken into consideration as much as possible. Today, decision-making systems are commonly resorted to when one needs to make selections in various issues. Multiple attribute (multi-criteria) decision making methods are used to find the most proper one of the alternatives in cases where there are several and conflicting criteria. Likewise, there are also several and conflicting criteria when it comes to selecting boom type tunnelling machines. For example, machine stability is negatively affected when the boom length is increased to make sure that the machinery will excavate larger cross-sections. Increasing machinery width to ensure machine stability causes proportion problems between the machinery size and the tunnel size, and likewise, increasing the weight causes grounding problems. Therefore, machinery parameter settings that will affect the selection should be made beforehand based on the buyer's requirements, the places of use, and after the evaluation of machinery selection using proper methods. This study aims to select the most suitable boom type tunnelling machine parallel to the above-given objective for a tunnel or a gallery to be excavated in certain rock characteristics and under known project conditions. To do this, this research utilized“Analytical Hierarchy Process”and“Yager Method”, two multiple attribute decision-making methods, and studied how they will be applied for the selection of boom type tunnelling machines. The study first introduces the general features, structures and types of boom type tunnelling machines. Dynamic and kinematical features demonstrating the machine's integrity are especially mentioned. Then the criteria that might be effective during the selection of such machinery have been set. Considering the inability to reach a sufficient number of experts, and for the purpose of ensuring that the comparison will be made using an objective method, numerical expression of criteria has been particularly emphasized. Besides, because the degrees of impact of numerous parameters affecting machinery selection are different, they are scored based on their significance. It has been determined as a result of literature review how much certain parameters affect machinery performance and they were comparatively given weighted scores. The literature shows that the stability of roadheaders is important for the productivity of excavation. However, there are no detailed studies in this specific subject. A method has been developed to make stability analysis of such machinery to overcome shortage of studies and to ensure that stability might be used as selection criteria. Thus, it will now be possible to obtain numerical values that will reveal the stability of a roadheader. Stability analyses are carried out based on different machinery locations and various cutting modes. For example, for each of the four stability state such as“turning around the vertical axis, turning the side directions, turning back direction and sliding”of (BEP type) boom type tunnelling machines where the cutting head is placed parallel to the boom axis, separate balance equations are established for each case based on“sumping, overcutting, undercutting, lifting and lowering”modes. Same analyses were also conducted for the four stability cases based on“sumping, cutting to sideways, lifting and lowering”modes also for the (BED type) boom type tunnelling machines where the cutting head is placed perpendicular to the boom axis and separate balance equations are established for each case. Then; based on these equations and using the C++ programming language, a computer program has been developed making stability analyses along the tunnel face or for a particular point at the face for machinery attached with a BEP or BED type head. Using this program, BEP and BED type roadheaders that have same machine and cutting design parameters have been analysed and compared in same cutting conditions. The effect of machinery parameters on the machine integrity has been studied using the developed analysis method and they are demonstrated as numbers. Machinery parameters studied are“machine weight, machine width, palette width, boom length, distance between the horizontal and perpendicular turning point of boom, distance between the horizontal turning point of boom and center of gravity of the machine, distance between the back footing of the machine and the center of gravity of the machine.”“Frictional coefficient between the machinery and the ground and the effect of tunnel inclination on the machine stability”has also been studied. The type of cutting head has significant effects on the excavation productivity in roadheaders. Therefore, the effect of various cutting heads on machine stability, and the effect of heads with“spherical, conical and their combination”geometries on machine stability has also been studied within the scope of this research, and the outcomes have been shown in detail. Using both the criteria obtained through the stability analysis method and other criteria, Çayırhan Coal Basin has been selected as practice area to show how multicriteria decision-making methods will be used in the selection of roadheaders. Experiments were conducted on sandy clay stone and coal samples representing this region to determine various physical and mechanical features. These experiments are conducted to determine“density and humidity rates, uniaxial compressive strength, indirect tensile strength, sound velocity experiments and on-site Schmidt hammer measurements.”Full-size cutting experiments were conducted to measure the cutting forces required for cutting rocks and specific energy value spent for cutting unit volume rock. Works carried out in the establishment were analyzed and gallery and project parameters that might be effective in the selection process have been examined. Thus, the type of machine to be selected has been determined taking also into consideration the outcomes of works currently carried out in the establishment. At the end of this study, three boom type tunnelling machines that could be used in the region and that has a comparable weight were initially detected, then values for machinery selection criteria have been calculated and efforts were made to determine the most suitable machine for the region using the Analytical Hierarchy Process and Yager method. In Analytical Hierarchy Process method, weights of criteria were found based on Saaty's pair wise comparison method, and scoring has been made based on the requirements of the establishment and having recourse to literature data. Later, other stages of the method were also implemented and a machine thought to be the most suitable for the specific conditions has been selected in the end. Criteria weights in Yager method have been obtained from the eigenvector of Saaty's pair wise comparison matrix as in the Analytical Hierarchy Process. The superiority of this method compared to the Analytical Hierarchy is that it allows inclusion of also the criteria based on verbal expressions into the selection. Degrees of membership to be given to the options for each criterion are based on experts' opinions. However, this study made the stability criteria that are effective in decision-making numerical and the degrees of membership were assigned based on such numerical values. The machine selected as a result thereof has been the same with the machine obtained through the analytical hierarchy process. Reaching the same conclusions in both methods is an indication that the study has been supported by a strong basis. To conclude, this study reveals that multi attribute decision-making methods may be used in the process of selecting roadheaders for the excavation of a gallery. Determination of criteria based on the requirements of the establishment is of primary importance when using the methods. Besides, as the results will change when the scores and degrees of membership assigned will change, it should be remembered that the assignments must be made in a sensitive manner.
Benzer Tezler
- Bomlu kazı makinalarında kesici kafa tasarım parametrelerinin incelenmesi
Başlık çevirisi yok
ÖMÜR ACAROĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
1996
Maden Mühendisliği ve Madencilikİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. ŞİNASİ ESKİKAYA
- Mini-disk keskili bomlu kazı makinelerinin stabilite analizi
Stability analysis of a mini-disc equipped boom type tunneling machine
CEMALETTİN ERDOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Maden Mühendisliği ve Madencilikİstanbul Teknik ÜniversitesiMaden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖMÜR ACAROĞLU ERGÜN
- Geniş kesitli galerilerde klasik sistem ve mekanize sistemle galeri açmanın ekonomikliğinin araştırılması
An Economical investigation into the classical and mechanized excavation systems in the large section roadways
ŞERİF ARI
Yüksek Lisans
Türkçe
1991
Maden Mühendisliği ve Madencilikİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. SENAİ SALTOĞLU
- Cutting performance assessment of a medium weight roadheader at Çayırhan coal mine
Çayırhan Kömür Madeni'nde orta ağırlıkta bir galeri açma makinesinin kazı veriminin tayini
SERHAT KELEŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2005
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMaden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF.DR. NACİ BÖLÜKBAŞI
- Bolu Dağı tüneli mühendislik jeolojisi ve kazı sırasında karşılaşılan jeolojik ve jeoteknik sorunların tünel kazı ve destek sistemi üzerindeki etkileri
Engineering geology of Bolu Mountain tunnel and encountured geological and geotechnical problems during excavation and their effects on tunnel evcavation and support system
MURAT ÖZBEN
Doktora
Türkçe
2003
Jeoloji MühendisliğiÇukurova ÜniversitesiJeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AZİZ ERTUNÇ