Kırık kayanın enjeksiyon yayılma mekanizması üzerine deneysel çalışma

Yeraltı Mağaralarını Güvenli Tutmak

Derin yeraltı boşlukları—kömür madenlerindeki pompa gibi donanımları barındıran alanlar—çevreleyen kayanın uyguladığı yoğun basınca dayanmak zorundadır. Kaya çatlamaya ve hareket etmeye başlarsa duvarlar onlarca santimetre dışarı doğru kabarabilir; bu da ekipman, çalışanlar ve projenin tamamı için tehlike oluşturur. Bu çalışma, çimentoya dayalı harç kullanarak kırık kayayı nasıl daha iyi “yapıştırabileceğimizi” inceleyerek uzun yeraltı galerilerinin yıllarca stabil ve güvenli kalmasını sağlamayı amaçlıyor.

Aşırı Gerilim Altındaki Bir Pompa Odası

Araştırmacılar, Çin’deki Wanfu Kömür Madeni’nde, yerin 800 metreden fazla derinliğindeki büyük bir pompa odasına odaklandı. Çelik ankrajlar, kablolar ve beton kaplama gibi yoğun destek sistemlerine rağmen, odanın duvarları ve tavanı deformasyona devam etti. 450 günden fazla izleme süresince, sağ duvar içeri doğru en fazla 751 milimetre hareket etti—neredeyse bir ev kapısının genişliği kadar—ve döşeme 30 santimetreden fazla kabardı. Çevre kayaya açılan sondaj delikleri, 7 metreye kadar uzanan ağır çatlaklı “ağır hasarlı” bir zon, ortada bir geçiş zonu ve ardından sağlam kaya olduğunu gösterdi. Mevcut ankrajlar ve kablolar çoğunlukla kırılmış bölgede bağlandığı için tam dayanımlarını geliştiremediler.

Harçın Kırık Kaya İçinde Nasıl Yayıldığı

Böylesi hasarlı kayayı yeniden güçlendirmeyi anlamak için ekip, 1,2 metre uzunluğunda yapay kırık kaya bloklarını barındırabilecek büyük bir laboratuvar düzeneği kurdu. Bu bloklara çimento harcı enjekte ettiler ve sonra enjeksiyon noktasından uzaklığa göre her bölümün ne kadar güçlendiğini test etmek için blokları dilimlediler. İki günlük değişken ele alındı: kaya parçacıklarının boyutu ve harcın ne kadar sulu olduğu (su/çimento oranı). Tüm durumlarda, basınç dayanımı—malzemenin taşıyabildiği sıkıştırma kuvveti—harç enjeksiyon noktasından uzaklaştıkça azaldı.

Bir Ankraj Etrafında Üç Dayanım Bölgesi

Dayanım testleri, enjeksiyonlu alan etrafında üç ayrı bölge olduğunu ortaya koydu. Enjekte edilen noktaya en yakın, yaklaşık 400 milimetreye kadar uzanan “başlangıç düşüş bölgesi” yüksek dayanım gösteriyordu ancak hızla düşüyordu. Yaklaşık 400 ila 1000 milimetre arasında, dayanımın daha yavaş azaldığı bir “kademeli düşüş bölgesi” vardı. Bunun ötesinde ise kalite ve dayanımın yeniden düştüğü bir “kenar bölgesi” bulunuyordu. Bu desen, harcın akış ve çökme davranışını yansıtıyor: girişe yakın yerde yoğun ve iyi sıkışmış; daha uzak bölgede ise daha yavaş hareket ediyor, yerçekimi altında kısmen ayrışıyor ve daha fazla boşluk hapsederek dış kenarda daha zayıf malzeme bırakıyor.

Neden Kaya Parçacığı Boyutu Sulu Karışımdan Daha Önemli?

Kırık kaya parçacıklarının boyutunu değiştirmek, harcın ne kadar sulu olduğundan daha belirleyici çıktı. Daha büyük parçacıklar, harcın daha uzağa yol almasına izin veren daha geniş boşluklar yarattı; etkin yayılma mesafesini küçük parçacıklarda 800 milimetreden en büyük parçacıklarda 1000 milimetreye kadar uzattı. Ancak çok büyük parçacıklar ayrıca çatlakların oluşabileceği daha fazla zayıf ara yüz de getirdi. Su/çimento oranını ayarlamanın harcın ulaşabildiği mesafe üzerindeki etkisi daha sınırlı kaldı—yayılma mesafesi yaklaşık 1 metre civarında seyretti—ancak bu oran genel dayanım ve homojenlik üzerinde güçlü bir etki gösterdi. Orta bir karışım (su/çimento oranı 0,5) iyi bir denge sağladı: çok fazla hava boşluğu olmadan güçlü ve nispeten homojen bir malzeme elde edildi.

Laboratuvar Testlerinden Gerçek Maden Güvenliğine

Bu bulguları kullanarak mühendisler pompa odası desteğini yeniden tasarladı. Kademeli yerleştirilmiş enjeksiyonlu ankrajlar eklediler ve ankraj ile kablo uzunluklarının ağır hasarlı zonun en az 1 metre ötesine, sağlam kayaya kadar uzanmasını sağladılar. Ayrıca saha enjeksiyonları için önerilen 0,5 su/çimento oranını benimsediler. Altı ay süren yeni izlemenin ardından, sağ duvar hareketleri 750 milimetrenin üzerinden yaklaşık 40 milimetrenin altına düştü—yaklaşık %95 azalış. Basitçe söylemek gerekirse, dikkatle planlanmış enjeksiyon, ciddi şekilde deform olan bir yeraltı odasını stabil bir alana dönüştürdü; bu da harcın yayılımını ve kayanın kırılmasını anlamanın daha güvenli, daha güvenilir yeraltı mühendisliğine doğrudan nasıl dönüştüğünü gösterdi.

Atıf: Zhang, C., Li, D., Zhang, X. et al. Experimental study on grouting diffusion mechanism of fractured rock. Sci Rep 16, 5226 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35539-w

Anahtar kelimeler: yeraltı kaya destekleme, enjeksiyon, kırıklı kaya, kömür madeni mühendisliği, kaya stabilitesi