T.C SELÇUK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ KAYA TUZUNA AİT KISA VE UZUN DÖNEMLİ MEKANİK ÖZELLİKLERİN BELİRLENMESİ VE MATEMATİKSEL MODELLENMESİ Hakan ÖZŞEN DOKTORA TEZİ MADEN MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI Konya, 2009 T.C. SELÇUK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ KAYA TUZUNA AİT KISA VE UZUN DÖNEMLİ MEKANİK ÖZELLİKLERİN BELİRLENMESİ VE MATEMATİKSEL MODELLENMESİ Hakan ÖZŞEN DOKTORA TEZİ MADEN MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI Konya, 2009 ÖZET Doktora Tezi KAYA TUZUNA AİT KISA VE UZUN DÖNEMLİ MEKANİK ÖZELLİKLERİN BELİRLENMESİ VE MATEMATİKSEL MODELLENMESİ Hakan ÖZŞEN Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Maden Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman : Prof.Dr. Cem ŞENSÖĞÜT İkinci Danışman: Yrd.Doç.Dr. İhsan ÖZKAN 2009, 315 Sayfa Jüri: Prof. Dr. Cem ŞENSÖĞÜT Prof. Dr. M.Kemal GÖKAY Doç. Dr. Yaşar EREN Yrd. Doç. Dr. İhsan ÖZKAN Yrd. Doç. Dr. Ahmet ÖZARSLAN Oda-topuk madenciliği bir yeraltı maden işletme yöntemidir. Bu yöntem, yeraltı kaya tuzu madenciliğinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Çankırı ve Nevşehir-Gülşehir kaya tuzu maden işletmeleri oda-topuk madenciliğine en iyi örneklerdir. Ancak kaya tuzuna ait mekanik özellikler yeterince çalışılmadığı için uygun topuk boyutları tecrübe ile belirlenebilmektedir. Bununla birlikte kalın tuz oluşumunun gözlendiği Çankırı ve Nevşehir-Gülşehir tuz sahaları ülkemiz için Sultanhanı tuz domlarından sonra en önemli depolama sahaları olarak görülmektedir. Bu iki tuz sahası için tasarım çalışmalarında kullanılmak üzere gerekli veri tabanının hazırlanması amacıyla her iki sahadan ayrı ayrı yaklaşık 30’ar kaya tuzu bloğu Selçuk Üniversitesi-Maden Mühendisliği Bölüm laboratuarına nakil edilmiş, bloklardan temin edilen numuneler üzerinde tek eksenli basınç dayanımı, dolaylı çekme dayanımı, tek eksenli deformabilite, üç eksenli basınç dayanımı, nokta i yükleme indeks dayanımı, Schmidt sertlik deneyi, yoğunluk-gözeneklilik belirleme deneyleri gerçekleştirilmiştir. Ayrıca uzun dönemli sünme deneyleri için kritik boyut belirleme deneyleri gerçekleştirilmiş ve en uygun numune boyutunun (Boy/Çap, H/D) 2, çap değerinin (D) ise 93 mm olması gerektiği belirlenmiştir. Sünme deneylerinde Nevşehir-Gülşehir numuneleri üzerinde sırasıyla 80, 100, 120, 130, 140 ve 160 kN’luk sabit yükler uygulanırken, Çankırı numuneleri üzerinde 80, 90, 95, 100 ve 115 kN’luk sabit yükler uygulanmıştır. Sünme deneylerinin en kısa süreli olanları yaklaşık 1 saat sürerken 2 yıldır halen devam eden deneyler söz konusudur. Sünme deneyleri yardımıyla sünme davranışını modelleyen bir matematiksel eşitlik geliştirilmiş ve buna bağlı tasarım verileri belirlenmiştir. Matemetiksel model yardımıyla herhangi bir sabit yük değeri için sanal sünme davranışı deney yapmadan belirlenebilecektir. Matematiksel modelden Nevşehir-Gülşehir kaya tuzunda yenilme oluşmaması için en uygun sabit sünme yükünün P ≤ 69,1 kN (σ ≤ 10,2 MPa), s Çankırı kaya tuzu için P ≤ 62,5 kN (σ ≤ 9,2 MPa) olması gerektiği belirlenmiştir. Bu s sabit yük değerlerinde 1. ve 2. sünme aşamaları oluşacak ancak hiç bir zaman 3. sünme aşaması oluşmayacaktır. Bu koşul uzun dönemli güvenli tasarım verisi olarak kabul edilmiştir. Her iki kaya tuzu sahası için belirlenen bu değerler (σ ≤ 10,2 MPa s ve σ ≤ 9,2 MPa) PHASE2 sonlu elemanlar yazılımında kullanılmış ve topuk tasarımı s yapılmıştır. Sayısal çözümleme sonuçlarına göre Çankırı maden ocağında güvenli topuk yüksekliği ve genişliği oranı (H/W) 1,5’den büyük olmamalıdır. Halen kullanılan H/W oranı 0,786 olduğu dikkate alınırsa güvenlik katsayısının yaklaşık 2 olduğu belirlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Kaya tuzu, kaya mekaniği, sünme davranışı, matematiksel sünme modeli ii ABSTRACT PhD Thesis DETERMINING SHORT AND LONG TERM MECHANICAL PROPERTIES AND MATHEMATICAL MODELLING OF ROCK SALT Hakan ÖZŞEN Selçuk University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Mining Engineering Supervisor : Prof.Dr. Cem ŞENSÖĞÜT Co-Supervisor: Assist.Prof.Dr. İhsan ÖZKAN 2009, 315 Pages Jury: Prof. Dr. Cem ŞENSÖĞÜT Prof. Dr. M.Kemal GÖKAY Assoc. Prof. Dr. Yaşar EREN Assist. Prof. Dr. İhsan ÖZKAN Assist. Prof. Dr. Ahmet ÖZARSLAN Room and pillar mining is an underground mining method which is being used widely in underground rock salt mining. Çankırı and Nevşehir-Gülşehir rock salt mines are the best examples of room and pillar mining. Because there are insufficient studies on mechanic properties of rack salt, the suitable pillar dimensions can be determined by experience. Besides of this, Çankırı and Nevşehir-Gülşehir salt areas, in which thick salt formations are seen, are the most important storage areas after the Sultanhanı salt domes. For the purpose of preparing a database which will be used in the design studies, salt blocks were transported from these two salt areas as 30 blocks were prepared from these blocks and subjected to the uniaxial compressive strength, indirect tensile strength, strain-stress test, three-axial compressive strength, point load strength test, Schmidt hardness test and density- porosity determination tests. Also, critical size determination tests were conducted for long period creep tests and iii the most suitable sample size (Height/Diameter, H/D) and diameter (D) were determined as 2 and 93 mm respectively. Samples with H/D ratio equals to 2 and Diameter (D) equals to 93 mm were formed to be used in creep tests. In the experiments, Nevşehir-Gülşehir samples were subjected to the constant loads which are 80, 100, 120, 130, 140 and 160 kN respectively while load with 80, 90, 95, 100 and 115 kN were applied to the Çankırı samples. In addition to the experiments that ended in 1 hour, there are experiments which are still being conducted for 2 years. A mathematical equality was developed by using the database formed from the creep tests and design parameters were determined in relation to this equality. It will be possible to determine any virtual creep behavior without conducting an experiment by the aid of this mathematical model. From the mathematical model in concern, it was determined that the most suitable constant creep load for Nevşehir-Gülşehir should be P≤69.1 kN (σ ≤ 10,1 MPa) and P≤62.56kN (σ ≤ 9,2 MPa) for Çankırı s s rock salt. First and second creep phases would be formed in these constant load values however the third creep phase will never be observed. This condition is taken as the confidence design data. These determined values for two rock salt areas (σ ≤ s 10,1 MPa and σ ≤ 9,2 MPa) are used in the PHASE2 program to conduct numerical s analysis studies to conduct pillar design for the room-pillar mining method. According to the numerical analyses, the confidential ratio of hell height to the width (H/W) should not be bigger than 1.5 for the Çankırı mine. Currently, this H/W ratio is used as 0,786 in that mine and the confidence coefficient for this value is calculated as 2. Key Words: Rock salt, rock mechanics, creep test, mathematical creep model iv TEŞEKKÜR Bu tez çalışmamın her safhasında beni destekleyip yönlendiren, teşvik eden, daima en iyinin ve doğrunun olması için çalışan ve benim yetişmem için emeğini esirgemeyen danışmanlarım Sayın Prof. Dr. Cem ŞENSÖĞÜT ve Yrd. Doç. Dr. İhsan ÖZKAN’a sonsuz teşekkürlerimi ve saygılarımı sunuyorum. Tez izleme komite üyesi olarak fikirleriyle daima bana yol gösteren Maden Mühendisliği Bölüm Başkanı Sayın Prof. Dr. M.Kemal GÖKAY ve Jeoloji Mühendisliği Öğretim Üyesi Sayın Doç. Dr. Yaşar EREN’e, ayrıca bu çalışmada bilgilerini esirgemeyerek bana yol gösteren Sayın Yrd. Doç. Dr. Ahmet ÖZARSLAN ve Yrd. Doç. Dr. Melih GENİŞ’e teşekkürlerimi sunarım. Tezde kullanmış olduğum ekipmanların alımı için yapmış olduğu maddi destekten dolayı Selçuk Üniversitesi Bilimsel Araştırmalar Koordinatörlüğü’ne teşekkür ederim (BAP-06101013). Yoğun çalışmalarım esnasında bana yardımlarını esirgemeyen ve her konuda anlayışla destek olan tüm Selçuk Üniversitesi Maden Mühendisliği Bölümü üyelerine teşekkür ederim. Tez çalışmam sırasında ve hayatımın her anında yardımlarını ve anlayışını esirgemeyen, bana sabırla destek olan biricik eşim Dr. Seral ÖZŞEN ve 2008 yılında aramıza katılan sevgili kızım Zeynep’e ve bu günlere gelmemi borçlu olduğum babam Hüseyin ÖZŞEN ve annem Aysel ÖZŞEN’e, sonsuz teşekkürlerimi sunarım. v İÇİNDEKİLER ÖZET..................................................................................................................... i ABSTRACT.......................................................................................................... iii TEŞEKKÜR.......................................................................................................... v İÇİNDEKİLER...................................................................................................... vi KISALTMALAR.................................................................................................. xii ŞEKİLLER LİSTESİ............................................................................................. xiii ÇİZELGELER LİSTESİ....................................................................................... xx 1. GİRİŞ................................................................................................................ 1 1.1. Problemin Tanımı....................................................................................... 1 1.2. Çalışmanın Amacı...................................................................................... 2 1.3. Çalışmanın İçeriği...................................................................................... 2 2. KAYNAK ARAŞTIRMASI............................................................................. 4 2.1. Genel.......................................................................................................... 4 2.2. Tuz Hakkında Genel Bilgi.......................................................................... 4 2.3. Tuzun Yataklanması................................................................................... 6 2.3.1. Bariyer-havza teorisi (Bar-basin theory) ............................................ 6 2.3.2. Halka teorisi (Ring theory) ................................................................. 8 2.3.3. Fraksiyonel sedimantasyon teorisi (Fractional sedimentation theory) 9 2.3.4. Evresel sedimantasyon teorisi (Cyclic sedimantation theory)............ 9 2.4. Tuzun Doğada Bulunuş Şekilleri............................................................... 10 2.4.1. Deniz tuzları........................................................................................ 11 2.4.2. Göl tuzları............................................................................................ 11 2.4.3. Kaynak tuzları..................................................................................... 12 2.4.4. Kaya tuzları ........................................................................................ 12 2.4.4.1. Kaya tuzu oluşumları ve duraylılıığı............................................ 13 2.4.4.2. Kaya tuzunun bileşimi.................................................................. 14 2.5. Dünyadaki Mevcut Tuz Madenciliği.......................................................... 16 2.5.1. Rezervler............................................................................................. 17 2.5.2. Üretim.................................................................................................. 18 vi 2.5.3. Tuzun üretim yöntemleri..................................................................... 19 2.5.3.1. Buharlaştırma yöntemi ile üretim................................................. 20 2.5.3.2. Çözelti madenciliği ile üretim...................................................... 20 2.5.3.3. Yeraltı madencilik yöntemleriyle üretim..................................... 24 2.6. Tuzun Tüketim Alanları............................................................................. 35 2.7. Kaya Tuzunun Mekanik Özellikleri........................................................... 36 2.7.1. Kaya tuzunun kısa dönemli mekanik özellikleri................................. 36 2.7.1.1. Tek eksenli basınç dayanımı........................................................ 37 2.7.1.1.1. Şekil etkisi üzerinde yapılan çalışmalar................................ 38 2.7.1.1.2. Boyut etkisi üzerinde yapılan çalışmalar.............................. 41 2.7.1.2. Üç eksenli basınç dayanımı.......................................................... 50 2.7.1.3. Çekme Dayanımı.......................................................................... 52 2.7.1.4. Elastik Parametreler..................................................................... 52 2.7.2 Kaya tuzunun uzun dönemli mekanik özellikleri................................. 54 2.7.2.1 Sünme davranışı............................................................................ 56 2.7.2.1.1. Sünmenin analitik ifadesi...................................................... 59 2.7.2.1.2. Sünme deneylerinde karşılaşılan farklılıkların nedenleri...... 64 2.7.2.2. Kaya tuzunun mekanik davranışında sıcaklığın etkisi................. 66 2.7.2.3. Kaya tuzu mekaniğinde tabaka düzlemlerinin önemi.................. 68 2.7.2.4. Kaya tuzunda geçirgenlik ve çatlaklılık....................................... 70 2.8. Yeraltı Boşluklarının Mühendislik Hizmetlerinde Kullanımı.................... 74 2.8.1. Yeraltında doğalgazın depolanmasının önemi.................................... 76 2.8.2. Yeraltı tuz oluşumlarında doğalgazın depolanması............................ 79 2.8.2.1. Hidrokarbonların tuz domunda depolanması............................... 81 2.8.2.2. Türkiye’de doğalgaz depolama çalışmaları.................................. 82 3. ÇALIŞMAYA KONU OLAN MADEN SAHALARI...................................... 85 3.1. Genel.......................................................................................................... 85 3.2. Türkiye Kaya Tuzu Potansiyeli.................................................................. 85 3.3. Çankırı Kaya Tuzu Madeni........................................................................ 87 3.3.1. Maden ocağının yeri............................................................................ 87 3.3.2. Çankırı kaya tuzu bölgesinin jeolojisi................................................. 88 3.3.3. Yapısal jeoloji..................................................................................... 91 vii 3.3.4. Maden yatağının özellikleri................................................................. 91 3.3.5. İşletme üretim bilgileri........................................................................ 91 3.4. Nevşehir-Tuzköy Kaya Tuzu Madeni........................................................ 93 3.4.1. Maden ocağının yeri............................................................................ 93 3.4.2. Nevşehir-Gülşehir kaya tuzu bölgesinin jeolojisi............................... 94 3.4.3. Yapısal jeoloji..................................................................................... 95 3.4.4. Maden yatağının özellikleri................................................................. 96 3.4.5. Maden işletme bilgileri........................................................................ 97 4. DENEY DÜZENEĞİNİN HAZIRLANMASI.................................................. 101 4.1. Giriş............................................................................................................ 101 4.2. Deney Düzeneğinin Geliştirilmesinde Dikkate Alınan Literatür İncelemesi.................................................................................................. 101 4.3. Deneme Amaçlı Deney Düzeneğinin Hazırlanması................................... 105 4.4. Nihai Deney Düzeneği............................................................................... 110 5. NUMUNELERİN TEMİNİ VE HAZIRLANMASI......................................... 116 5.1. Genel.......................................................................................................... 116 5.2. Numune Bloklarının Temini...................................................................... 116 5.3. Numunelerin Hazırlanması........................................................................ 118 5.4. Kaya Mekaniği Deneylerinde Kullanılan Numunelerin Hazırlanması...... 121 5.4.1. Yoğunluk-gözeneklilik belirleme deneyi numunelerinin hazırlanması........................................................................................ 121 5.4.2. Suda dağılma dayanımı indeks deneyi numunelerinin hazırlanması.. 121 5.4.3. Kaya sertliği deneyi numunelerinin hazırlanması............................... 122 5.4.4. Tek eksenli basınç dayanımı belirleme deneyi numunelerinin hazırlanması........................................................................................ 122 5.4.5. Dolaylı çekme (Brazilian) deneyi numunelerinin hazırlanması.......... 124 5.4.6. Nokta yükleme indeks deneyi numunelerinin hazırlanması............... 125 5.4.7. Tek eksenli deformabilite deneyi numunelerinin hazırlanması.......... 127 5.4.8. Üç eksenli basınç dayanımı deneyi numunelerinin hazırlanması....... 128 5.4.9. Periyodik yük artırma-boşaltma deney numunelerinin hazırlanması 129 5.5. Sünme Deneyi için Boyut Belirleme Deneylerinde Kullanılan Numunelerin Hazırlanması.......... ............................................................ 130 viii