İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK LİSANS TEZİ DİJİTAL GÖRÜNTÜ İŞLEME TEKNİĞİ İLE PATLATMA VERİMLİLİK ANALİZİ Maden Müh. Kağan ÖZDEMİR Maden Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman Prof.Dr. Ali KAHRİMAN Haziran, 2004 İSTANBUL ÖNSÖZ Lisans ve yüksek lisans öğrenimim sırasında ve tez çalışmalarım boyunca gösterdiği her türlü destek ve yardımdan dolayı ve bana mühendis olmanın en önemli şartlarından birinin yaptığımız çalışmaların sonuçlarını çok yönlü olarak değerlendirmemiz gerektiğini öğreten çok değerli hocam Prof.Dr. Ali KAHRİMAN’a, sayın Yrd. Doç.Dr. Güngör TUNCER’e, bana çalışmalarımda her türlü desteği sağlayan arkadaşlarıma ve aileme en içten dileklerimle teşekkür ederim. Bu çalışma boyunca yardımlarını esirgemeyen çalışma arkadaşlarıma ve çalışmamın uygulama kısmını destekleyen İstanbul Üniversitesi’ne teşekkürü borç bilirim. Haziran, 2004 Kağan ÖZDEMİR i İÇİNDEKİLER ÖNSÖZ ............................................................................................................................i İÇİNDEKİLER .............................................................................................................ii ŞEKİL LİSTESİ........................................................................................................... vi TABLO LİSTESİ ........................................................................................................vii SEMBOL LİSTESİ ....................................................................................................viii ÖZET ..............................................................................................................................x SUMMARY................................................................................................................. xii 1. GİRİŞ .........................................................................................................................1 2. GENEL KISIMLAR..................................................................................................3 2.1. Madencilikte Delme Patlatma ile Kazı .............................................................................3 2.1.1. Patlatma Tasarım Parametreleri...............................................................................6 2.1.1.1. Çalışılan Kaya Birimlerinin Madde ve Kütle Özellikleri............................6 2.1.1.2. Patlayıcı Maddenin Cinsi, Özellikleri ve Dağılımı.....................................6 2.1.1.3. Patlatma Geometrisi....................................................................................7 2.1.2. Patlatma ve Parçalanma Mekanizmasi.....................................................................7 2.1.2.1. Detonasyon.................................................................................................8 2.1.2.2. Şok ve Basınç Dalgalarının Yayılması......................................................8 2.1.2.3. Gaz Basıncının Yayılması..........................................................................9 2.1.2.4. Kaya Kütlesinin Hareketi..........................................................................10 2.2. Delme-Patlatmanin Mühendislik İle İlgisi ......................................................................10 2.3. Delme Patlatmanin İşletme Ekonomisine Etkileri...........................................................13 2.3.1. Kanchibotla’nın Araştırması...................................................................................15 2.3.2. Furstenau’nun Araştırması......................................................................................15 2.3.3. McCarter’ın Araştırması.........................................................................................16 2.3.4. Nielsen’in Araştırması............................................................................................16 2.3.5. Mertz’in Araştırması...............................................................................................17 2.3.6. MacKenzie’nin Araştırması....................................................................................17 2.3.7. Eloranta’nın Araştırması.........................................................................................18 2.3.8. Kojovic’in Araştırması...........................................................................................19 ii 2.3.9. Revnivtsev’in Araştırması.......................................................................................20 2.4. Parça Boyutunun Tanımı ve Önemi................................................................................21 2.4.1. Parçalanma Derecesini Etkileyen Faktörler.............................................................22 2.4.1.1. Kayacın Nitelikleri......................................................................................22 2.4.1.2. Delikler Arası Mesafe.................................................................................22 2.4.1.3. Duvar Mesafesi veya Dilim Kalınlığı.........................................................22 2.4.1.4. Basamak Şev Durumu................................................................................22 2.4.1.5. Basamak Yüksekliği...................................................................................23 2.4.1.6. Sıkılamanın Etkisi.......................................................................................23 2.4.1.7. Basamaktaki Delik Düzeni.........................................................................23 2.4.1.8. Delik Çapı...................................................................................................23 2.4.1.9. Patlayıcı Madde Miktarı.............................................................................23 2.4.1.10. Patlayıcı Madde Türü...............................................................................23 2.4.1.11. Ateşleme Sırası ........................................................................................23 3. MALZEME VE YÖNTEM ....................................................................................24 3.1. Patlatma Sonrasi Parça Boyutunu Belirleme Yöntemleri................................................24 3.1.1. Görsel – Gözlemsel Yöntemler...............................................................................24 3.1.2. Fotoğraflama Tekniği..............................................................................................24 3.1.3. Geleneksel ve Yüksek Hızlı Fotogrametri...............................................................25 3.1.4. Patar Sayımı Yöntemi..............................................................................................25 3.1.5. İkincil Atımlarda Patlayıcı Tüketimi.......................................................................25 3.1.6. Ekskavatörün Yükleme Performansı.......................................................................25 3.1.7. Primer Kırıcı Performansı........................................................................................26 3.1.8. Elek Analizleri.........................................................................................................26 3.1.9. Üç-Nokta Metodu....................................................................................................26 3.1.10. Parça-Numune Metodu..........................................................................................26 3.1.11. Görüntü İşleme Metodu.........................................................................................27 3.2. Dijital Görüntü İşleme Yöntemi İle Parça Boyut Analizi................................................27 3.2.1. Tarihi ve Gelişimi....................................................................................................28 3.2.2. Kaydedilen İlerlemeler............................................................................................28 3.2.3. Dijital Görüntü İşleme Yönteminin Adımları..........................................................29 3.2.3.1. Görüntüyü Yeniden Yapılandırma..............................................................29 3.2.3.2. Görüntü Analizi..........................................................................................29 3.2.3.3. Görüntü Oluşumu (Bilgisayar tarafından oluşturulan görüntü)..................29 3.2.3.4. Görüntü Sıkıştırma ve Şifreleme................................................................29 3.2.4. Uygulama Alanları..................................................................................................30 iii 3.2.5. Dijital Görüntüler.....................................................................................................30 3.2.5.1. Görüntü Parametreleri................................................................................31 3.2.5.2. Görüntü Uzaysal Çözünürlüğü...................................................................31 3.2.6. Yöntemin Sınırları....................................................................................................32 3.2.7. Sistemin Tatbiki İçin Muhtelif Konfigürasyonlar....................................................32 3.2.8. Ölçümlemenin Geçerliliği........................................................................................33 3.2.9. Dijital Görüntü İşleme Programlarından “Split-Desktop Sistemi”...........................33 3.3. Parçalanmanın Kontrolü ve Optimizasyonu....................................................................38 3.3.1. Kuz-Ram Parçalanma Derecesi Tahmin Modeli......................................................39 3.3.1.1. Kuznetsov Eşitliği.........................................................................................39 3.3.1.2. Rosin Rammler Eşitliği.................................................................................40 3.3.1.3. Karakteristik Boyut.......................................................................................40 3.3.1.4. Üniformite.....................................................................................................40 3.3.1.5. Tidman Eşitliği.............................................................................................41 3.3.1.6. Patlatılabilirlik İndeksi..................................................................................41 3.3.1.7. Özgül Şarj.....................................................................................................42 3.3.1.8. Şarj Miktarı...................................................................................................42 3.3.2. Patlatma Planlamasında Optimizasyon.....................................................................43 3.3.3. Optimum Patlatma Dizaynı Seçimi..........................................................................43 3.3.4. Büyük Blokların Kırılmasından Sonraki Maliyetlerinin Hesaplanması...................44 4. BULGULAR.............................................................................................................46 4.1. Bölgenin Jeolojisi............................................................................................................46 4.1.1. İşletme Sahasının Jeolojisi......................................................................................46 4.1.2. Yapısal Jeoloji.........................................................................................................47 4.2. Kazı Çalışmaları İle İlgili Genel Bilgiler.........................................................................47 4.2.1. Patlatma Çalışmaları İle İlgili Bilgiler.....................................................................48 4.3. Patlatma Sonrası Analizler..............................................................................................49 4.4. Analiz Sonuçları .............................................................................................................50 4.4.1. İlk Görüntünün Analizi............................................................................................50 4.4.2. İkinci Görüntünün Analizi.......................................................................................53 4.4.3. Üçüncü Görüntünün Analizi....................................................................................55 4.4.4. Üç Görüntünün Birlikte Analizi..............................................................................57 4.5. Patlatma Optimizasyon Çalışmaları................................................................................59 4.6. Optimizasyon Çalışması Sonuçları..................................................................................62 5. TARTIŞMA VE SONUÇ ........................................................................................64 iv KAYNAKLAR ............................................................................................................67 ÖZGEÇMİŞ .................................................................................................................69 v ŞEKİL LİSTESİ Şekil 2.1 :Kaya parçalanmasında patlatma maliyeti ve ardışık işlem maliyetleri arasındaki ilişki..............................................................................................................4 Şekil 2.2 :Delme ve patlatmanın üretim sürecindeki yeri ve önemi...............................6 Şekil 2.3 :Kayaç içerisinde basınç yayılma şekli...........................................................8 Şekil 2.4 :Patlatma deliği çevresi...................................................................................9 Şekil 2.5 :Kaya kütlesinin değişik durumlarda hareketi...............................................10 Şekil 2.6 :Patlatma tasarımında izlenecek yöntem (Bilgin, 1986)................................12 Şekil 2.7 :Toplam maliyet ve optimum nokta.............................................................14 Şekil 2.8 :Özgül şarj miktarına karşı elektrik tüketimi(Kanchibotla, 1998).................15 Şekil 2.9 :Özgül şarj miktarına göre toplam maliyetler................................................16 Şekil 2.10 :Deney numunesi (Nielsen, 1995).................................................................16 Şekil 2.11 :Kaya sertliğine karşı özgül şarj (Mertz).......................................................17 Şekil 2.12 :Parçalanma derecesi ve ardışık işlem maliyetleri arasındaki ilşiki..............18 Şekil 2.13 :Toplam maliyetler-özgül şarj karşılaştırması...............................................18 Şekil 2.14 :Patlayıcı madde maliyeti ve ardıiışık işlem toplam maliyeti ilişkisi............19 Şekil 2.15 :Toplam maliyetlere karşı özgül şarj miktarı (Kojovic,1995).......................19 Şekil 3.1 :Dijital görüntü örneği...................................................................................30 Şekil 3.2 :Resmin programa ilk aktarılışı.....................................................................35 Şekil 3.3 :Görüntünün ölçeklendirilmesi......................................................................35 Şekil 3.4 :Parçacıkların program tarafından tespit edilmesi.........................................36 Şekil 3.5 :Program sınırları belirledikten sonra oluşan görüntü...................................36 Şekil 3.6 :İşlenmiş Resim.............................................................................................37 Şekil 3.7 :Parça boyut dağılım analiz sonucunun alınması..........................................37 Şekil 4.1 :Patlatma çalışmaları yapılan ocağın görünümü...........................................46 Şekil 4.2 :Patlatma geometrisi......................................................................................49 Şekil 4.3 :Yığın üzerinden alınan bazı örnek görüntüler..............................................50 Şekil 4.4 :İlk görüntünün orijinali................................................................................51 Şekil 4.5 :İlk görüntünün programa aktarılmış hali......................................................51 Şekil 4.6 :Ölçeklendirilmiş ilk görüntünün manuel olarak işlenmiş hali.....................52 Şekil 4.7 :İlk görüntünün analiz sonuçları....................................................................53 Şekil 4.8 :İkinci görüntünün orijinali...........................................................................53 Şekil 4.9 :İkinci görüntünün programa aktarılmış hali.................................................54 Şekil 4.10 :İkinci görüntünün işlenmiş hali...................................................................54 Şekil 4.11 :İkinci görüntünün analiz sonuçları...............................................................55 Şekil 4.12 :Üçüncü görüntünün orijinali........................................................................55 Şekil 4.13 :Üçüncü görüntünün programa aktarılmış hali..............................................56 Şekil 4.14 :Üçüncü görüntünün manuel olarak işlenmiş hali.........................................56 Şekil 4.15 :Üçüncü görüntünün analiz sonuçları............................................................57 Şekil 4.16 :Üç görüntünün birlikte analiz edilmesi sonucu elde edilen parça boyut dağılım grafiği.........................................................................................................58 vi TABLO LİSTESİ Tablo 2.1 :Bilim adamlarının çalışmalarından çıkan özet sonuçlar.............................20 Tablo 4.1 :Patlatma parametreleri................................................................................49 Tablo 4.2 :Parça boyut dağılım yüzdeleri....................................................................58 Tablo 4.3 :Kuz-Ram modeli ile elde edilen tahmini parça dağılım eğrisi...................59 Tablo 4.4 :Kuz-Ram modeli parça boyut dağılım yüzdeleri........................................60 Tablo 4.5 :Kuz-Ram parça boyut dağılımı hedef parametreleri...................................61 Tablo 4.6 :Kuz-Ram ve dijital görüntü işleme yöntemi sonucu elde edilen parça boyut dağılımı hedef parametreleri......................................................................61 Tablo 4.7 :Kuz-Ram ve gerçek boyut dağılımı hedef parametreleri arasındaki farklar61 Tablo 4.8 :Modifikasyon sonucu Kuz-Ram modeli parça dağılım eğrisi....................62 Tablo 4.9 :Modifikasyon sonucu Kuz-Ram modeli parça boyut dağılım yüzdeleri....62 Tablo 4.10 :Modifikasyon sonucu parça boyut dağılımı hedef parametreleri...............63 Tablo 4.11 :Optimizasyon sonucu patlatma tasarım parametreleri ...............................63 vii SEMBOL LİSTESİ X :malzemenin ortalama boyutu (cm) av A :patlatılabilirlik indeksi K :özgül şarj (kg patlayıcı / m3 kaya) Qe :şarj miktarı (kg) E :patlayıcı gücü (% ANFO) Y :X boyutundan küçük olan malzeme oranı (%) X :malzeme boyutu (m) Xc :karakteristik boyut (m) n :üniformite N :üniformite üssü B :dilim kalınlığı (m) D :delik çapı (mm) S :delikler arası mesafe (m) Z :delme hatasının standart sapması (m) Lb :dip şarj uzunluğu (m) Lt :üst şarj uzunluğu (m) H :basamak yüksekliği (m) P :patlatma patern faktörü E :efektif rölatif ağırlık gücü (%) VODe :efektif (saha) detonasyon hızı (m/s) VODn :nominal (maksimum) detonason hızı (m/s) RWS :ANFO’ya göre ağırlık gücü (%) A :patlatılabilirlik indeksi RMD :kaya kütle belirteci JF :eklem faktörü RDI :kaya yoğunluk indeksi, RDI = 25( rr- 2) HF :sertlik faktörü Xi :yerinde blok boyutu (m) JF :eklem faktörü JFs :eklem aralık faktörü JFo :eklem yayılım faktörü dr :rölatif dalım yönü (derece) JDD :eklem dalım yönü (derece) FFDD :serbest yüzey dalım yönü (derece) ρ :kaya özgül ağırlığı r Y :Young modülü (GPa) UCS :tek eksenli basma dayanımı (MPa) K :özgül şarj (kg / m3) B :dilim kalınlığı (m) S :delikler arası mesafe (m) viii H :basamak yüksekliği (m) Qe :şarj miktarı (kg) r :delik yarıçapı (m) L :şarj uzunluğu (m) ρ :patlayıcı özgül ağırlığı e ix