Performance prediction and optimization of raise boring machines (RBMs)
Başyukarı delme makinelerinin (BDM) performanslarının tahmini ve optimizasyonu
- Tez No: 761627
- Danışmanlar: PROF. DR. HANİFİ ÇOPUR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Maden Mühendisliği ve Madencilik, Mining Engineering and Mining
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Maden Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 206
Özet
Başyukarı Delme Makineleri (BDM'ler), delme ve patlatma yöntemine kıyasla birçok avantajı nedeniyle madencilik ve tünel endüstrileri projelerinde geniş uygulama alanı bulmaya devam etmektedir. Bu makineler hızlı, güvenli ve verimli delme/kazı makineleri olarak madenlerin havalandırma ve cevher nakil kuyuları, metroların yeraltı hatları arası geçiş tünelleri (yatay), karayolu ve demiryolu tünellerinin havalandırma kuyuları gibi farklı yeraltı açıklıklarının kazısında kullanılmaktadır. Konvansiyonel başyukarı delme yönteminde makine, birbirine bağlanacak olan iki farklı seviyeden üstte yer alana kurulur. Daha sonra, sızdırmaz yataklı üç konili matkap (tricone bit) ile alt seviyeye kadar küçük çaplı bir delik (kılavuz delgi) delinir. Tijler (sondaj dizisi) hedef seviyedeki açıklığa ulaştığında, üç konili matkap çıkarılır ve buton uçlarla donatılmış dönerli genişletme kafası bağlanır ve üst seviyeye doğru yukarı çekilir. Kazı sırasında genişletme kafasından çıkan pasalar alt seviyeye düşer ve oradan geleneksel bir yöntemle çıkarılması sağlanır. Yurtdışından döviz ile satın alınarak bu kadar yüksek bedeller ödenmesine rağmen, bazen bu makinelerin performansları (verimleri) çok düşük olabilmekte, maliyetleri büyük oranda arttıran duraklamalar ve gecikmeler olabilmekte, tij sıkışması ve kuyu sapması gibi problemlerle karşılaşılabilmektedir. Dolayısıyla, bu makinelerin proje ve kazı yapılan ortama göre seçimi ve tasarımı, performanslarının doğru tahmin edilmesi ve performansın maksimize edilmesi (optimizasyonu), fizibilite ve planlama aşamalarında projenin ekonomisi açısından çok önemli hale gelmektedir. Bir BDM'nin performansının tahmin edilmesi, mekanize kuyu kazısında, proje ekonomisini doğrudan etkileyen maliyetleri ve işin tamamlanma süresini tahmin etmek için önemli konulardan biridir. Bir BDM'nin seçimini, tasarımını ve performans tahminini etkileyen parametreler üç ana kategoride sınıflandırılabilir: mekanik (makine ile ilgili) parametreler, jeolojik / jeoteknik parametreler ve operasyonel parametreler. Kuyu kazısı sırasında karşılaşılacak jeolojik koşullara uygun bir BDM seçilmeli / tasarlanmalıdır. Belirli kaya oluşumu için en yüksek dönme hızı ve doğru keski yükünün kullanılması, optimum penetrasyon hızına ve keskilerin ömrünün uzatılmasını sağlayabilir. Daha büyük sıra aralığına sahip keskilerin yumuşak kayalarda genişletme için uygun olduğunu da belirtmekte fayda var. Ayrıca dar aralıklı keskiler, itme kuvvetlerinin tam olarak kullanılamadığı çok sert ve tok kayalarda genişletme için uygundur. Başyukarı delme yöntemi, sağlam (masif, kırıksız-çatlaksız) kayalarda kuyu açılması için uygun bir yöntemdir; ancak jeolojik süreksizliklerin hakim olduğu oluşumlarda çeşitli sorunlarla karşılaşılmaktadır. Kuyu ekseni boyunca fay bölgelerinin ve kırık-çatlak özelliklerinin belirlenmesi, BDM'lerle başarılı bir kuyu açmak için temel gereksinimlerdir. Kapsamlı bir laboratuvar programı, BDM'lerin değerlendirilmesi için en önemli gereksinimdir ve laboratuvar deneylerinden elde edilen veriler kullanılarak her proje için en uygun başyukarı delme makinesi seçilebilir. Laboratuvar çalışmalarına kazı alanındaki tüm farklı kaya türlerinden örnekler dahil edilmelidir. Saha hazırlığı, gecikmenin ortadan kaldırılmasında ve başyukarı delme operasyonunun verimliliğinin arttırılmasında önemli bir rol oynamaktadır. Keski başına yük, genişletme kafasının çapı, jeolojik oluşum ve kuyunun eğimi, tork gereksinimlerini etkileyen bazı önemli faktörlerdir. Kuyu çapının artması, matkap dizisi ve genişletme kafasının gövdesi üzerinde ek tork çabasına neden olur. Ek olarak, çaptaki artışla birlikte, kuyu duvarlarının kütlesel özellikleri de büyük ölçüde etkilenmekte ve zayıflamaktadır. Bu tez araştırmasının temel amacı, BDM'lerin seçimi, tasarımı, operasyonel ve performans parametrelerini (günlük ilerleme, makine kullanım oranı dönme hızı, tüketilen üç konili matkap ve genişletme kafa torku, bit üzerindeki ağırlık (üç konili matkabın itme kuvveti), genişletme kafasının net çekme kuvveti, tüketilen üç konili matkap / genişletme kafasının gücü, birim penetrasyon oranı, anlık penetrasyon oranı ve saha spesifik enerjisi) tahmin etmek için yeni ampirik (görgül) ve deterministik modeller önermektir. Bu tezin amaçlarına ulaşmak için öncelikle ilgili maden ve tünel sahaları ziyaret edilerek sahanın jeolojisi, uygulanan kazı yöntemi, BDM'lerin özellikleri hakkında bilgi edinilmiş, kazılan formasyonlardan kaya örnekleri alınmış ve makinelerin operasyonel-performans verileri toplanmıştır. Elde edilen kaya numuneleri, fiziksel-mekanik özelliklerin belirlenmesinde ve uç batırma deneylerinde kullanılan karot numunelerini ve tam boyutlu doğrusal kesme deneylerinde kullanılan blok numuneleri kapsamaktadır. Deneysel çalışmalar sağlam kaya numunelerinin bazı önemli fiziksel-mekanik özelliklerinin belirlenmesiyle başlamıştır. Bu deneyler, tek eksenli basınç dayanımı, dolaylı (Brazilian) çekme dayanımı, statik ve dinamik elastisite modülü ve Poisson oranı, akustik dalga hızları (P ve S dalga hızları), Schmidt çekici, Shore skleroskop, Cerchar aşındırıcılık ve petrografik analizleri kapsamaktadır. Kayaçların kütlesel özellikleri olarak Kaya Kalite Değeri (RQD) ilgili sahaların jeoteknik raporlarından belirlenmiştir. Daha sonra saha çalışmalarından elde edilen karot numuneleri üzerinde 22,2 mm çapında ve 11 mm genişliğinde buton uç ile uç batırma deneyleri yapılmıştır. Son olarak, yeni bir BDM performans veri tabanı oluşturmak için beş farklı blok kaya örneklerinde (diyabaz, granodiyorit, skarn, kireçtaşı-1 ve kireçtaşı -2) 305 mm (12 inç) çaplı tekli buton (kerf) keski ile bir dizi tam boyutlu doğrusal kesme deneyleri yapılmıştır. Bu araştırma, uzun süreli başyukarı delme operasyonlarında operasyonel ve performans verilerinin toplamanın zorluklarını göstermiştir. Bu tez, altı yıl boyunca toplanan başyukarı delme operasyonlarının verilerini içermesine rağmen, veri sayısı, kaya malzemesi / kütlesi parametreleri, farklı genişletme kafa çapları ve farklı kuyu eğimleri gibi bazı sınırlamalara sahiptir. Bu çalışmada sunulan modeller, veri içeriği, verilerin üst ve alt sınırları ve bu tezde bahsedilen birkaç konuda yapılan varsayımlar ile sınırlıdır. Deneysel çalışmaların sonuçları, kaya örneklerinin fiziksel-mekanik özelliklerinin geniş bir aralıkta değiştiğini ve toplanan kaya örneklerinin her türlü jeolojik kökende (sedimanter, magmatik ve metamorfik) olduğunu göstermiştir. Eğimli başyukarı yöntemiyle açılan kuyularda genişletme operasyonunun spesifik enerji parametresi kayaların statik elastisite modülü ve dolaylı çekme dayanımı özelliklerinden tahmin edilebilir. Ayrıca, kılavuz delgi işleminin operasyonel parametreleri ve kayaların fiziksel-mekanik özellikleri dikey ve eğimli kuyularının genişletme işlemlerinde performans parametrelerinin tahmini için kullanılabilir. Bundan başka, doğrudan ve dolaylı deterministik yaklaşımlar, BDM'lerin birim penetrasyonunu ve anlık penetrasyon oranlarını güvenilir bir şekilde tahmin edebilmektedir. Ayrıca, uç batırma deneyleri, kayanın kırılganlık indeksinin S dalga hızı ve Cerchar aşındırıcılık indeksinden tahmin edilebileceğini göstermektedir. Son olarak, bu çalışma, uç batırma deneylerinde kuvvet ve penetrasyon değerleri arasındaki üssel fonksiyon şeklindeki ilişkinin BDM'lerin performans tahmini için kullanılabilirliğini göstermektedir. Bu çalışmanın sonucunda, BDM'lerin performans parametrelerinin tahminine yardımcı olacak yeni bir veri tabanı oluşturulmuştur. Bu çalışmada önerilen görgül ve deterministik modeller, mekanize kazı yöntemiyle açılan kuyu projelerinin fizibilite ve planlama aşamalarında tasarımcı mühendislik firmaları, proje sahibi kurumlar (işveren) ile yüklenici firmalar tarafından kullanılabilir.
Özet (Çeviri)
Raise Boring Machines (RBMs) continue to find extensive application in the mining and tunnelling industries because of the many advantages compared with drill and blast methods. These machines as the fast, safe, and efficient excavation machines are used for different purposes such as excavation of ventilation and ore transport shafts in the mines, switching lines between underground subway tunnels (horizontal), and ventilation shafts in the road and railway tunnels. In the conventional raise boring method, the machine is set up on the upper level of the two levels to be connected. Then, a small diameter hole (pilot hole) is drilled by a sealed bearing tricone bit to the lower level. Once the rod (drill string) breaks into the opening on the target level, the pilot bit is removed and a reamerhead with roller button cutters is connected to the rods and raised back up towards the upper level. The debris and cuttings from the reamerhead during drilling fall on to the lower level and from there a conventional method is used to take them out. Although a high price in foreign currency is paid for purchasing these machines, sometimes the performance (productivity) of the machines would be too low, rod jamming, and shaft deviation problems might be encountered. Consequently, the selection and design of these machines according to the project and excavation environment, predicting accurately their performance, and maximization (optimization) of the performance become very important in terms of the economics of the project in the feasibility and planning stages. Predicting the performance of an RBM is one of the important subjects in mechanized shaft / raise excavation to estimate costs and job completion time that directly affects the project economics. The parameters affecting the selection, design, and prediction of the performance of an RBM can be classified into three general categories: mechanical (machine-related) parameters, geological / geotechnical parameters, and operational parameters. A suitable RBM should be selected / designed for the geological / geotechnical conditions to be encountered during the shaft excavation. Utilizing the highest rotational speed and correct bit load for specific rock formation could lead to an optimum rate of penetration and bit service life. Cutters with larger row spacing are suitable for reaming in softer rocks. However, cutters with narrow spacing are suitable for reaming in very hard and tough rocks where the thrust forces cannot be fully utilized. Identification of fault zones and broken ground along the shaft alignment are the key requirements for successful shaft excavation with RBMs. A comprehensive rock-testing program is the most important requirement for the assessment of RBMs, and by use of the obtained data from the rock-testing program the best-suited raise bore machine for each project could be selected. Samples of all different rock types in the excavation area should be included in the laboratory studies. Moreover, site preparation plays an important role in the elimination of delay and increasing the efficiency of the raise boring operation. Load per cutter, reamerhead diameter, geological formation, and inclination of the shaft are some important factors affecting the torque requirements. Increasing shaft diameter causes additional torque effort on the drill string and reamer stem. In addition, with the increase in diameter, there is a greater potential for instability of the shaft walls and the advancing face of the shaft. The basic aim of this thesis research is to propose new empirical and deterministic models for proper selection, design, and prediction of operational and performance parameters including daily advance rate, rotational speed, weight on bit (pushing force of tricone bit), net reaming thrust (pulling) force, tricone bit / reamerhead torque and power, unit penetration rate, instantaneous penetration rate, field specific energy, and machine utilization rate of RBMs. In order to reach the goals of this thesis, firstly, the related mine and tunnel sites are visited for obtaining information on the geology of the field, the applied excavation method, and the specifications of the RBMs; collecting rock samples from the formation(s) excavated; and collecting field operational-performance data. The obtained rock core samples are used for the determination of the physical-mechanical properties and indentation tests, and block samples are used for the full-scale linear cutting tests. The experimental studies start by determining some important physical-mechanical properties of intact rock samples including uniaxial compressive strength, indirect (Brazilian) tensile strength, static and dynamic elasticity modulus and Poisson's ratio, acoustic wave velocities (P and S wave velocities), Schmidt hammer, Shore scleroscope, Cerchar abrasivity, and petrographic analysis. Rock Quality Designation (RQD) values are also determined based on geotechnical reports of the related sites. Then, indentation tests (by an insert tip with a diameter of 22.2 mm and width of 11 mm) are performed on the core samples from the fields and rectangular rock pieces obtained from the remnants of the block samples. Finally, a series of full-scale linear cutting tests in five different rock types (diabase, granodiorite, skarn, limestone-1, and limestone-2) with a 305 mm (12 inches) diameter button (kerf) cutter having an insert tip width of 11 mm are performed to generate a new RBM performance database. This research demonstrates the challenges of collecting long-term operational data in raise boring operations. Although this thesis includes raise boring operation data collected over six years, it has some limitations such as the number of data, rock mass parameters, different reamerhead diameters, and different raise inclinations. The models presented in this study are limited by the data content, the upper and lower limits of the data, and the assumptions made on a few issues mentioned in this thesis. The results of the experimental studies indicate that the mechanical properties of the rock samples vary in a wide range and the collected rock samples are in all types of geological origins (sedimentary, igneous, and metamorphic). In the inclined raise-bored shafts static elasticity modulus and Brazilian tensile strength could be good predictors for the field specific energy of reaming operations. In addition, the operational parameters of pilot hole drilling and the physical-mechanical properties of rocks may be used to predict the performance parameters of reaming in both vertical (90°) and inclined (70°) raise-bored shafts. Moreover, direct and indirect deterministic approaches are able reliably to predict the unit penetration and instantaneous penetration rates of RBMs. Besides, indentation tests indicate that the brittleness index of rocks may be predicted by using the velocity of the S-wave and the Cerchar abrasivity index parameters. Finally, this study shows the feasibility of using the power function on the relationships between the indentation force and the penetration values for predicting the performance of RBMs. The outcome of this study establishes a new database to assist on predicting the performance parameters of RBMs. The proposed empirical and deterministic models in this study can be used by the designer engineering companies, contractor companies, and project owner institutions in the feasibility and planning stages of the projects.
Benzer Tezler
- Pre-release forecasting of imdb movie ratings using multi-view data
Gösterime girmemiş filmlerin ımdb puanının farklı özellik kümeleri kullanılarak tahmin edilmesi
BEYZA ÇİZMECİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞULE ÖĞÜDÜCÜ
- Optimization of deep neural network architectures for the forest fire detection
Orman yangini tespitinde derin sinir aği mimarilerinin optimizasyonu
BERRİN SAVDA
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MÜŞTAK ERHAN YALÇIN
PROF. DR. HAZIM KEMAL EKENEL
- Mezo ölçek model rüzgar şiddeti öngörü sonuçlarının yapay sinir ağları ve k en yakın komşu algoritması ile iyileştirilmesi
Artificial neural networks and k nearest neighborhood algorithm approach to improving wind speed prediction of the mesoscale forecast model results
DUYGU AKYIL
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Meteorolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMeteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞÜKRAN SİBEL MENTEŞ
- Deep learning approaches for hailstorm detection and forecasting using CNN and LSTM algorithms: Comparative evaluation of radar products
Derin öğrenme yaklaşımlarıyla dolu fırtınası tespiti ve tahmini için CNN ve LSTM algoritmalarının kullanılması: Radar ürünlerinin karşılaştırmalı değerlendirmesi
NAHİT ÇATMADIM
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik Üniversitesiİklim ve Deniz Bilimleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET SİNAN ÖZEREN
- Temel ve teknik analize dayalı makine öğrenmesi ile hisse senedi fiyat tahmini: Rastgele orman sınıflandırması yaklaşımı
Stock price prediction with machine learning based on fundamental and technical analysis: Random forest classification approach
DENİZ KAVUK SALIŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Endüstri ve Endüstri MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiEndüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMED BURAK PAÇ