Tarihi süreç içinde yeraltı kazı makineleri

İnsanoğlu, var olduğundan beri genel anlamda iki uğraşla meşgul olmuştur. Bu uğraşlar tarım ve madenciliktir. İnsanoğlu yiyecek dışındaki ihtiyaçlarını karşılamak amacıyla yer küreyi kazmaya başlamıştır. Eski çağlarda insanlar, araç gereç yapımı için madenciliğe başvurmuşlardır ki buna en iyi örnek çakmaktaşı madenciliğidir. İlk çakmaktaşı madenciliği bulguları M.Ö. 400.000 yıllarına dayandığı iddia edilmektedir. Eski insanlar yeryüzünde mostra vermiş olan madenleri kazmışlardır. İnsanoğlu bu dönemlerde metallerin kullanımı hakkında bilgiye sahip değildi ve metal içeren kayaçları da “taş” olarak kullanmışlardır. Metalleri ya da madenleri işleme konusunda bilgi artıkça çağlar kapanıp yeniçağlar açılmıştır. C. Gergory insanlık tarihindeki devirleri 8’e ayırmıştır. Bunlar; eski taş devri, yeni taş devri, bakır devri, bronz devri, demir devri, kömür devri, petrol devri ve uranyum devridir.

Eski devirlerde, madenleri kazmak için insanlar doğada buldukları araç gereçlerden faydalanmışlardır. Bunlara örnek olarak Şekilde görülen aletler gösterilebilir. Bunlar hayvan kalıntılarından elde edilen aletlerdir. Örneğin 1 numaralı alet bir geyik boynuzudur.

Eski dönemlerde yeri kazmak için kullanılan araç gereçler 

Bu dönemlerde bu tip doğal araç gereçlerle kazılamayan “sert” kayalar için farklı bir yöntem uygulanmaya başlanmıştır. Bu yönteme “ateş yakma” yöntemi adı verilmektedir. Bu uygulama şu şekilde yapılmaktadır: Önünde ateş yakılan taş yüzeyi bir süre ateşe maruz bırakılmaktadır. Ardından kayacın su yardımı ile ani soğuması gerçekleştirilmektedir. Bu sayede termal şoka maruz bırakılan kaya gevşetilmekteydi ve basit aletler yardımı ile olduğu yerden sökülmekteydi. Bu yöntem çok uzun zaman kullanılmıştır. Şekilde madencilik hakkındaki ilk kitap olan De Re Metallica’da “ateş yakma” olayının resmedilişi görülmektedir. Çerçeve içine alınan bölgede ateş yakmak için kaya aynasının önüne yerleştirilen odunlar görülmektedir.

 “Ateş yakma” yönteminin yeraltında uygulaması

 Ateş yakma yöntemi ile insanlığın ihtiyaçlarını karşılamak için gerekli olan üretim hızına ulaşılamadığı için alternatif yöntemlere yönelinmiştir. Bu anlamdaki en büyük gelişme kara barutun kullanılmasıdır. Ateş yakma yöntemi yavaş yavaş yerini patlatma yöntemine bırakmıştır. Kara barut, madencilikte ilk kez Kaspar Weindl isimli bir madenci tarafından 1627 yılında Slovakya’daki bir gümüş madeninde kullanılmıştır. Ancak bu yöntemde de patlayıcı kaya aynasının önüne yerleştirilmekteydi. Bundan dolayı çok verimli bir kazı gerçekleştirilemiyordu. Ardından patlayıcının kayanın içine yerleştirilmesi fikri ortaya atılmıştır ve kaya delinmeye başlanmıştır.  Bu delikler uzun bir süre el yordamı ile delinmiştir. 1813 yılında ise ilk buharlı delik delme makinesi Richard Trevithick tarafından icat edilmiştir ve bu tarihten itibaren birçok delme makinesi icat edilmiştir ve patenti alınmıştır. Şekilde 1849’da J. J. Couch tarafından patenti alınan darbeli delme makinesi görülmektedir. 

Couch tarafından geliştirilen darbeli delme makinesi

Kaya delme makinelerinin tarihsel gelişiminden sonra, madenciliğin şüphesiz en önemli kolu olan kömür madenciliğinden bahsedilecektir. Kömür madenciliği, madencilik bilgi ve teknolojisine en çok katkı sunan kısımdır. Kömürün çıkarılması ve kullanılması çok eskiye dayanmaktadır ancak yaygınlaşması sanayi devriminde buhar motorunun icadıyla gerçekleşmiştir. Sanayi devriminden önce kömür iki yöntemle çıkarılmaktaydı. Bu yöntemler, galeri tipi ve çan tipi madencilik yöntemleridir. Şekilde bu iki yöntem görülmektedir.

Galeri ve çan tipi madencilik

Sanayi devriminin ardından kömüre olan ihtiyaç anormal şekilde arttığı için bu yöntemler hâlihazırdaki ihtiyacı karşılamayacak duruma gelmiştir, bundan dolayı kömür madenlerinin miktarı ve derinliği artmıştır. Madencilik teknolojisi bu üretim artışına paralel olarak artmadığından dolayı madencilik kazaları korkunç boyutlara ulaşmıştır. Bundan dolayı madencilikteki insan gücünü ortadan kaldırmak için madencilik işlemlerinin mekanize hale getirilmesi kaçınılmaz hale gelmiştir. Madenciliğin en önemli aşaması olan kazı işlemi de mekanize hale getirilmeye çalışılmıştır. İlk mekanize kazı fikri Michael Menizies tarafından 1761’de ortaya atılmıştır. Meinzies’in projesinde, yerüstünde bulunan bir motor tarafından beslenen bir keski bulunmaktadır. Ancak kazı işleminin mekanizasyonu, basınçlı hava bu makinelerde başarılı bir şekilde kullanılmaya başlanınca uygulanabilmiştir.

Kömür o dönemlerde “alttan kesme” yöntemi ile çıkarılmaktaydı. Bu yöntemde, kömürün altı bir işçi tarafından oyulmakta ve daha sonra kömür kütlesi büyük parçalar halinde elde edilmekteydi. Patlatma işlemi özellikle güvenlik nedeniyle çok tercih edilmemekteydi. Ayrıca ev yakıtı olarak kullanılacak olan kömürün büyük boyutlarda olması beklenmekteydi, bundan dolayı patlatma ile kazıda meydana gelen küçük boyutlu kömür istenmemekteydi. Bu bakımdan diğer kazı yöntemleri tercih edilmekteydi. Alttan kesme işlemine geri dönmek gerekirse, bu işlem uzun zaman elle gerçekleştirildi. Ardından birtakım mucitler bu işlemin makine ile yapılması için bir takım prototipler üretip patentini aldı. El yordamı ile alttan kesme ve makine yardımı ile alttan kesme işlemi Şekilde görülmektedir.

El ve makine ile alttan kesme işlemi ve alttan kesme makinesi

 İkinci Dünya Savaşı’nın sırasında ve sonrasında kömüre olan ihtiyaç çok büyük miktarlara ulaşmıştır ve bundan dolayı kömürün daha hızlı ve sürekli olarak kazanılması gerekliliği ortaya çıkmıştır. Kömür madenciliğinin ve maden mekanizasyonunun gelişime en çok katkı yapan ülke şüphesiz İngiltere’dir. 1913 yılında İngiliz kömürlerinin yaklaşık % 9’u mekanize olarak üretilirken İkinci Dünya Savaşı’nın ardından bu oran % 74’lere, 1970’lerde ise mekanize kömür üretimi % 98’lere ulaşmıştır. Mekanize kömür üretimindeki 20. yüzyılın ortası ve sonlarındaki bu artışa en çok sürekli kazıcıların (continuous miner) ve kollu galeri açma makinelerinin (roadheader) 1900’lerin ortasında icat edilmesi yardım etmiştir. Bu makineler özellikle oda-topuk yöntemi ile üretim yapılan işletmelerde sıklıkla kullanılmıştır. Uzun ayak yöntemini kullanan işletmelerde ise sıklıkla kesici yükleyiciler ve kömür sabanları kullanılmıştır.

 Sürekli kazıcı ve kollu galeri açma makinesi

Sürekli kazıcılar ve kollu galeri açma makineleri kömür kazısı için üretilse de daha sonralarda tünel açma işlemlerinde sıklıkla kullanılmıştır. Tünel açma işlemlerinden bahsetmişken yeraltı kazı sistemlerinin en gelişmişi olan tünel açma makinelerinden söz edilecektir. Tünel açma makineleri gelişimini madencilik dışındaki tünel açma faaliyetlerine borçludur. Tünel açma makinelerinin ilki olarak gösterilen makine Henri-Joseph Maus tarafından 1849 yılında üretilmiştir. Makinenin önünde belirli bir sıralamada duran tijler bulunmaktaydı ve bunlar aynı anda aynayı delmekteydiler. Bu sayede kaya aynası daha küçük kaya parçalarına bölünmekteydi ve ardından bu parçalar daha kolay bir şekilde parçalanmaktaydı. Ayrıca tünel açma makinelerinin gelişimindeki en önemli kilometre taşlarından biri Beaumont’un tünel açma makinesidir.

Maus’un tasarladığı tünel açma makinesinin üstten ve plan görünüşü

Beumont’un ürettiği tünel açma makinesi

Bu makinelerle birlikte sayısız makine tasarlanmış, patentlenmiş ve üretilmiştir. Ancak birçoğu başarısızlıkla sonuçlanmıştır. Modern anlamdaki ilk tünel açma makinesi 1953 yılında, kendisi de bir maden mühendisi olan James S. Robbins tarafından tasarlanmış ve üretilmiştir. Bu makine tam cepheli tünel açma işlemini başarılı bir şekilde gerçekleştirebilen ilk makinedir. Makinenin çapı yaklaşık 8 m’dir ve Oahe Barajı’nda kullanılmıştır Bu makineler çok büyük boyutlardaki tünelleri açabilmektedirler. Son verilere göre dünyanın en büyük çaplı tünel açma makinesi 17,6 m çapındadır ve Herrenknecht firması tarafından Hong Kong’daki bir tünel inşaatı için üretilmiştir.

James S. Robbins tarafından üretilen ilk tam cephe tünel açma makinesi

* Bu yazım aynı zamanda, Bölümümüz tarafından senelik olarak çıkarılan NEFESLİK dergisinde de yayınlanmıştır.