Basınca bağlı olarak kayaçlarda ısıl geçirgenlik katsayılarının değişimi ve bu değişimin maden ocaklarına yönelik etkilerinin incelenmesi

Abstract

ÖZET Doktora Tezi BASINCA BAĞLI OLARAK KAYAÇLARDA ISIL GEÇİRGENLİK KATSAYILARININ DEĞİŞİMİ VE BU DEĞİŞİMİN MADEN OCAKLARINA YÖNELİK ETKİLERİNİN İNCELENMESİ Y. Selim DURUTÜRK Cumhuriyet Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Maden Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman : Prof. Dr. Ahmet DEMİRCİ Yardımcı Danışman : Yrd.Doç.Dr. Abdullah KEÇECİLER Bu araştırma kapsamında; kayaçların ısıl geçirgenlik katsayılarının basınca bağlı olarak değişimi ve bu değişimin ocağın soğutma yükü üzerine etkisi araştırılmıştır. Bu çalışmalara ek olarak, kayaçlardaki nem içeriğinin ısıl geçirgenliği nasıl etkilediği incelenmiştir. Sözkonusu araştırmanın tamamlanabilmesi amacıyla öncelikle ocaklarda etkin olan ısı kaynakları, ısının insanlar üzerine etkisi, kayaçlardan ocak havasına doğru olan ısı transferi ve kayaçların ısıl geçirgenlik katsayıları ile ilgili literatür kapsamlı bir şekilde araştırılmış ve yapılan çalışmaların boyutu irdelenmiştir. Literatür araştırmasının değerlendirilmesi sonucunda, kayaçların ısıl geçirgenlik katsayılarının basınca bağlı olarak değişimi ile ilgili herhangi bir çalışmanın varlığı tesbit edilememiştir. Literatür araştırmasından elde edilen sonuçların ışığında; hidrolik pres, ısı kaynağı, termokupllar, çelik silindirler, soğutucu bir sistem ve çok kanallı sayısal tarayıcıdan oluşan bir deney düzeneği geliştirilmiştir. Bu düzenek kullanılarak,Ill Zonguldak kömür havzasından alınan kumtaşı ve konglomera ile farklı bölgelerden temin edilen kireçtaşı ve marn numuneleri üzerinde çok sayıda deney gerçekleştirilmiştir. Kayaçların ısıl geçirgenlik katsayılarını hesaplamak amacıyla; deneylerde numunelerin yüzey alanları, kalınlıkları, toplam ısı miktarı ve numunenin alt ve üst kısımları arasındaki sıcaklık farkları ölçülmüştür. Deneylerden elde edilen bütün sonuçlar tablolar ve grafikler halinde sunulmuştur. Gerek nemin ısıl geçirgenlik üzerine etkisini gerekse de basınç kaldırıldıktan sonra kayaçların ısıl geçirgenliklerindeki değişimleri tesbit etmek amacıyla aynı kayaçlara ait numuneler üzerinde ilave deneyler gerçekleştirilmiş, sonuçlar tablolar ve grafikler halinde sunulmuştur. Deneylerin değerlendirilmesi sonucunda; kayaçların ısıl geçirgenlik katsayılarının basınca ve neme bağlı olarak degressif bir değişim gösterdiği ve bu değişimin ocağın soğutma yükü gereksinimini önemli ölçüde artırabileceği tesbit edilmiştir. Diğer bir ifadeyle; yeraltı maden işletmeleri derinlere doğru gittikçe kayaçlardan ocak boşluklarına doğru olan ısı akışının, basınç ve nem gibi faktörlerin etkisi altında artan ısıl geçirgenlik katsayısına bağlı olarak beklenenden daha yüksek düzeylerde olabileceği sonucuna varılmıştır. Bu durum; sadece derin yeraltı maden işletmeleri için değil aynı zamanda yeraltına ısı depolanması olayının etkin bir şekilde planlanması açısından da önemlidir. Anahtar Sözcükler: Ocak ısısı, jeotermal gradyant, ısı transferi, ısı iletimi, ısı taşınımı, ısıl geçirgenlik, ısı dengesi.

coal basin and other regions. The measured parameters in these experiments, such as surface area, thickness, total heat quantity and temperature difference between the top and the bottom of the rock specimen have been used to calculate rock thermal conductivity coefficients. All these results have been tabulated and plotted to reveal the relationships between these parameters. Similar tests have been conducted to determine the effect of moisture content on thermal conductivity and the conductivity after depressurization of the specimen. These results have also been tabulated and plotted to show the relationships between these parameters. The evaluation of the results has shown that the thermal conductivity of rocks varies with the pressure and moisture content according to a digressive developing function. It has been determined that these variations can have a profound effect on the cooling load in underground mines. This means that the heat flow from wall rock to the mine openings will increase due to a rise of conductivity of rocks depending on the depth of underground mines. This result is not only useful for underground mines but can also be used for analysis of transferring of available heat of solar energy or heat on the earth's surface to underground for future use of energy storage. Key Words: Mine heat, geothermal gradient, heat transfer, heat conduction, heat convection, thermal conductivity, heat balance.coal basin and other regions. The measured parameters in these experiments, such as surface area, thickness, total heat quantity and temperature difference between the top and the bottom of the rock specimen have been used to calculate rock thermal conductivity coefficients. All these results have been tabulated and plotted to reveal the relationships between these parameters. Similar tests have been conducted to determine the effect of moisture content on thermal conductivity and the conductivity after depressurization of the specimen. These results have also been tabulated and plotted to show the relationships between these parameters. The evaluation of the results has shown that the thermal conductivity of rocks varies with the pressure and moisture content according to a digressive developing function. It has been determined that these variations can have a profound effect on the cooling load in underground mines. This means that the heat flow from wall rock to the mine openings will increase due to a rise of conductivity of rocks depending on the depth of underground mines. This result is not only useful for underground mines but can also be used for analysis of transferring of available heat of solar energy or heat on the earth's surface to underground for future use of energy storage. Key Words: Mine heat, geothermal gradient, heat transfer, heat conduction, heat convection, thermal conductivity, heat balance.