Tortulu çimentolu yol içinde ters kama biçimli delik tabanının genişletme ankraj mekanizması ve uygulaması

Kırılgan Maden Tünellerini Yerinde Tutmak

Derin yeraltında birçok kömür madeni galerisi, zaman içinde şişen, akma yapan ve ufalanan kil açısından zengin yumuşak kayalardan geçer. Geleneksel çelik destekler ve hatta modern ankraj çubukları bile bu zayıf kayanın deformasyonu ile tutuşlarını kaybedebilir; bu da tavan çökmesi ve maliyetli onarımlar riskini artırır. Bu çalışma, delik ucunun biçimini değiştirerek destek çubuklarını daha güvenli şekilde "ankrajlamanın" yeni bir yolunu araştırıyor; böylece kaya ile reçine birbirine kama gibi kilitlenerek galerileri daha uzun süre daha emniyetli ve stabil tutuyor.

Yumuşak Kaya Tünellerini Tutmanın Neden Bu Kadar Zor Olduğu

Çok sayıda Çinli kömür yolunda, ıslanınca zayıflayan mineraller içeren tortullu veya kil-çimentolu kayalar kesiliyor. Bu kayalar zayıf bağlanmış, düşük dayanımlı ve suyla karşılaştıklarında şişme ve çamurlaşma eğilimindedir. Sürekli madencilik basıncının altında, tünel duvarları ve tavanı akma yapar ve deforme olur. İlk başta etkili görünen çelik iskeletler, zemin kabardıkça zemine doğru batabilirken, tavan çökebilir ve çatlayabilir. Günümüzde ana destek yöntemi olan ankraj çubukları, zayıf kaya katmanlarını birbirine bağlamayı amaçlar. Ancak bu ortamda, çubukları deliğe yapıştırmak için kullanılan reçine özellikle titreşim ve nem altında kayadan ayrılma eğilimindedir; bu da ankraj kuvvetinin hızla azalmasına neden olur.

Delik Ucunu Kama Gibi Şekillendirmek

Araştırmacılar basit ama güçlü bir fikre odaklandı: çubuk deliğinin tabanını silindirik bırakmak yerine özel bir genişletme aleti kullanarak ters kama biçiminde büyütmek. Çubuk daha sonra bu genişletilmiş boşluğa reçine ile bağlanır. Bu durumda çubuk artık yalnızca düz bir duvardaki yapıştırmaya güvenmez; daha geniş bir kaya cephesine mekanik olarak kilitlenmiş olur. Ekip, çubuğu uzunluğu boyunca üç bölgeye ayıran bir mekanik model kurdu: tünel açılışına yakın serbest bölüm, normal ankraj bölümü ve en uçtaki genişletilmiş ankraj bölümü. Kaya mekaniği denklemleri kullanarak, bu kama biçimli boşluğun reçine-kaya arayüzündeki kesme ve kavrama kuvvetlerini önemli ölçüde artırdığını; böylece başka yerlerde kayma başlasa bile çubuğun eksenel direncinin yükseldiğini gösterdiler.

Denklemlerden Laboratuvar Modellerine ve Çekme Testlerine

Konsepti test etmek için ekip, zayıf, düşük dayanımlı yumuşak kayayı taklit etmek üzere karıştırılmış malzemeler kullanarak ölçekli tünel duvarı modelleri oluşturdu. PVC borular içine çubuk delikleri açıp, delik tabanını farklı uzunluk, çap ve açıya sahip ters kamalar oluşturacak şekilde elle genişlettiler. Yaygın bir maden reçinesi (K2335) kullanarak önce reçinenin bu flared boşluklarda nasıl karıştığını ve sertleştiğini kontrol ettiler. Kama çok büyük veya çok uzun olursa reçinenin bazı bölümleri kötü karışıp kürlenmeden kalıyordu. Reçinenin ne kadarının tamamen sertleştiğini nicelleştirmek için bir "sertleşme oranı" tanımladılar. En uygun kombinasyonun 100 mm genişletilmiş uzunluk, 58 mm maksimum çap ve 9° kama açısı olduğu ortaya çıktı; bu değerler %92,9 gibi yüksek bir sertleşme oranı vererek boşluğun yoğun ve homojen dolmasını sağladı.

Hasardan Önce ve Sonra Daha Güçlü Tutma

Ardından araştırmacılar laboratuvarda çekme testleri yaptı; aynı toplam ankraj uzunluğuna sahip normal çubukları ve ters kama boşluklarına ankrajlanan çubukları karşılaştırdılar. Her iki durumda da çekme kuvveti yer değiştirme ile birlikte zirveye kadar arttı, sonra reçine ile kaya arasında kayma başladıkça düştü. Normal çubuklarda düşüş keskin oldu ve kalan kuvvet düşüktü; bu kuvvet esas olarak zayıf kayma sürtünmesinden geliyordu. Buna karşılık ters kama boşluğundaki çubuklar, kayma başladıktan sonra bile yüksek artık kuvvet taşıdı çünkü flared şekil tam çekmeyi mekanik olarak engelliyordu. Sayısal simülasyonlar bunu destekledi: aynı 160 kN yük altında ankraj bölgesi boyunca ortalama kesme gerilmesi kama tasarımı ile yaklaşık %47 arttı ve gerilim faydalı şekilde yalnızca delik tabanında değil genişletilmiş bölüm yakınında yoğunlaştı.

Gerçek Bir Kömür Madeniyle Fikri Kanıtlamak

Ekip daha sonra yöntemi Shanxi Eyaleti’ndeki yumuşak kayalı bir yol üzerinde yeraltında uyguladı. Kendi tasarladıkları tek kanatlı aletle delik tabanlarını delip genişlettiler, reçine kartuşlarını genişletilmiş boşluğa ittiler ve reçineyi çubuğa kadar karıştırdılar; böylece reçine hem parçalanmış hem de sağlam kayayı doldurup tutturdu. Üç tavan çubuğunun izlenmesi, çevre kaya deforme oldukça eksenel kuvvetlerin yükseldiğini, ardından geleneksel ankrajlarda sıkça görülen hızlı destek kaybı olmadan yüksek düzeylerde dengelendiğini gösterdi. Tavan çökme ölçümleri, ters kama genişletilmiş çubuklarla desteklenen tünellerin standart çubuk kullananlara göre çok daha az çökme gösterdiğini doğruladı; bu da daha güvenli ve daha stabil bir yol olduğunu gösteriyor.

Bu Madencilik Güvenliği İçin Ne Anlama Geliyor

Sıradan bir okuyucu için özet şudur: bir çubuk deliğinin görünmeyen ucunun biçimini değiştirmenin tünel güvenliği üzerinde büyük etkisi olabilir. Kayada küçük bir ters kama cephesi açıp bunu reçine ve çelikle doldurarak mühendisler, çekilmesi daha zor ve zamanla zayıflama olasılığı daha düşük yeraltı ankraj başı yaratırlar. Çalışma, dikkatle seçilmiş boyutlarla bu tasarımın yalnızca ilk tutma gücünü artırmakla kalmayıp, aynı zamanda bir miktar kayma olduktan sonra bile bu gücün büyük kısmını koruduğunu gösteriyor. Kırılgan, suya duyarlı kayalardan geçen kömür madenleri için bu geliştirilmiş ankraj, tavan çökmesini azaltabilir, bakım maliyetlerini düşürebilir ve yeraltı işlerini daha güvenli hale getirebilir.

Atıf: Zhang, H., Li, G., Xu, Y. et al. Mechanism and application of reaming anchorage of inverted wedge-shaped hole bottom in argillaceous cemented roadway. Sci Rep 16, 5094 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35906-7

Anahtar kelimeler: yumuşak kaya tüneli, kayacıcık çubuğu ankrajı, kömür madeni tüneli, genişletilmiş çubuk deliği, zemin destekleme