Ön çatlatılmış sert kayaların roadheader kesimi titreşim özellikleri üzerine çalışma

Yeraltında kayanın çatlatılmasının önemi

Madenler ve tüneller sert kayalara daha derinleştikçe, bu kayaları delerken kullanılan makineler sınırlarına zorlanır. Dönen başlıklı büyük kesme makineleri olan roadheader’lar, sert kayaya nüfuz ettiklerinde büyük kuvvetler, yoğun titreşim ve hızlı aşınmayla karşılaşır. Bu çalışma basit ama güçlü bir fikri araştırıyor: Kayayı önceden kasıtlı olarak çatlatırsanız, kesme daha pürüzsüz, daha güvenli ve makineye daha az zarar veren bir süreç haline gelir mi?

Kayayı akıllıca parçalamak

Sadece kaba kuvvetle kesmeye güvenmek yerine araştırmacılar mekanik ön çatlatma adını taşıyan bir yöntem kullanıyor. Önce kaya yüzeyine delikler açılıyor. Ardından her deliğe bir kama biçimli hidrolik aygıt yerleştiriliyor ve yavaşça dışarı doğru itiliyor. Kaya, basınca göre çekme altında çok daha zayıf olduğundan, bu sabit dışa doğru itme deliklerden yüzeye doğru kontrollü çatlakların açılmasını sağlıyor. Etkide, kaya yüzeyi önceden oluşturulmuş bir dizi hata hattına dönüştürülmüş oluyor; böylece roadheader geldiğinde sağlam, bütün bir duvara değil, zayıflatılmış ve ön hasar görmüş kayaya kesim yapıyor.

Sanal bir kaya duvarı ve makine inşa etmek

Bu süreci güvenli ve ekonomik şekilde incelemek için ekip yalnızca yeraltında deney yapmak yerine ayrıntılı bilgisayar modelleri kurdu. Kaya duvarını, bağlarla birbirine bağlanmış ve bu bağların kırılarak çatlaklar oluşturmasına izin veren yoğun bir sanal parçacık paketi olarak temsil ettiler. Bu, hidrolik kamanın delinmiş delik içerisine itildiğinde çatlakların nasıl başladığını ve yayıldığını simüle etmelerini sağladı. Paralelde, esnek bir kesme kolu ve onu yönlendiren döner tabla dahil gerçek bir roadheader’ın üç boyutlu bir modelini oluşturdular; böylece makina çalışırken nasıl büküldüğünü ve titreştiğini görebildiler.

Kaya ve makinenin etkileşimine izin vermek

Ana adım bu iki modelin gerçek zamanlı olarak birbirleriyle konuşmasını sağlamaktı. Sanal kesme başlığı hareket edip kayaya döndükçe, kaya modeli sayısız küçük temasın kuvvetlerini makine modeline geri iletti. Bu iki yönlü alışveriş hem kayanın nasıl parçalandığını hem de makinenin buna nasıl sallandığını yeniden üretti. Araştırmacılar aynı kesme koşulları altında iki senaryo çalıştırdılar: biri sağlam sert kaya duvarıyla, diğeri ise gerçek bir ön çatlatma operasyonunda olduğu gibi önce üç ön çatlatma deliği açılmış kayayla.

Daha hafif yükler ve daha sakin titreşim

Simülasyonlar, ön çatlatmanın roadheader’ın işini belirgin şekilde kolaylaştırdığını gösterdi. Ortalama olarak, kesme başlığı üzerindeki toplam yük yaklaşık %8 düştü ve parçaları zarar verebilecek ani yük sıçramaları da küçüldü. Yönleri ayrı ayrı inceleyince, makineyi ileri doğru çeken kuvvetler, kayaya yanlamasına iten kuvvetler ve yukarı-aşağı yönündeki baskılar çatlaklar oluşunca tümüyle azaldı. Ekip titreşim sinyallerini frekans eğrilerine dönüştürdüğünde, titreşim enerjisinin çoğunun 20–30 hertz aralığında yoğunlaştığını buldu. Bu bantta, kesme başlığındaki, kesme kolundaki ve döner tabladaki titreşim ön çatlatma sonrası sırasıyla yaklaşık %15, %9 ve %4 azaldı; bu da makine boyunca aşamalı bir titreşim zayıflaması olduğunu ortaya koydu.

Modeli gerçek dünyada kontrol etmek

Sanal sonuçların gerçeği yansıtıp yansıtmadığından emin olmak için araştırmacılar gerçek bir roadheader ile siltstona kesim yaparak tam ölçekli testler gerçekleştirdiler; hem ön çatlatılmış delikler varken hem de yokken denediler. Kesme başlığına ve koluna üç yönlü titreşim sensörleri takıp ölçümleri simülasyonlarla karşılaştırdılar. Özellikle dikey yön boyunca, titreşim sinyallerinin şekli ve büyüklüğü yakından eşleşti; istatistiksel uyum çok yüksekti. Bu, birleşik kaya–makine modelinin ön çatlatmanın hem kesme kuvvetlerini hem de titreşimi nasıl değiştirdiğini doğru şekilde yakaladığını gösterdi.

Gelecek tünel açma çalışmaları için anlamı

Bir uzman olmayan için çıkarım basit: Sert kayayı kesmeden önce kontrollü şekilde zayıflatmak, acımasız, çekiçlemeye benzeyen bir işi daha pürüzsüz ve öngörülebilir bir sürece dönüştürebilir. Dikkatle aralıklı ön çatlatma delikleri kaya kütlesinin rijitliğini azaltır, kırılma yönünü yönlendirir ve böylece hem ortalama yükü hem de roadheader’ların maruz kaldığı şiddetli sallantıyı düşürür. Bu, makinenin ömrünü uzatabilir, bakım maliyetlerini azaltabilir ve özellikle derin, yüksek gerilimli tünellerde iş güvenliğini artırabilir. Uzun vadeli aşınma ve daha geniş kaya türlerini kapsayacak daha fazla çalışmaya ihtiyaç olsa da bu çalışma gösteriyor ki kayanın akıllıca hazırlanması, kesim gücü kadar önemli olabilir.

Atıf: Liu, H., Li, F., He, J. et al. Study on vibration characteristics of roadheader cutting pre-cracked hard rock. Sci Rep 16, 5933 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37089-7

Anahtar kelimeler: sert kaya tünel açma, roadheader titreşimi, mekanik ön çatlatma, kaya kesimi, yeraltı madenciliği