Investigation of the Relationships Between Rock Mechanical and Drillability Properties and Grindability

Abstract

Drillability of rocks is a very important properties in terms of machine performance and costs in mining and tunneling processes. For this reason, the parameters affecting the drillability of the rocks should be analyzed in detail. The main objective of this study is to investigate the relationship between the drillability of the rocks and the rock grit, taking into account the mechanical and hardness properties of the rocks under laboratory conditions. For this purpose, mechanical (compression and tensile strength), hardness (Shore hardness), drillability (drill rate index) and grindability tests were carried out on fourteen rocks of magmatic (andesite samples) and sedimentary (carbonate origin samples) origin. Hardgrove grinding index test method was used to determine the grindability of rocks and Bond work index values were calculated from the approaches suggested in the literature. Based on the findings of the present study, statistical analysis (regression analysis) were revealed between rock grindability and drillability (R2 respectively 0.99 and 0.79) for andesite rocks and carbonate origin rocks. In the light of this fact obtained with limited data, it shows that the drillability (drillability rate index) values of rocks, which is a very laborious test method, can be estimated very successfully through the Hardgrove grindability value, which is a simpler test method.

Keywords

• Drilling rate index
• grindability
• Hardgrove index

Project Number

104M437 ve BAP-2015-98150330-01

Kayaçların Mekanik ve Delinebilirlik Özellikleri ile Öğütülebilirliği Arasındaki İlişkilerin İncelenmesi

Abstract

Kayaçların delinebilirlik özellikleri, madencilik ve tünel açma işlemlerinde makine performansı ve maliyetler açısından oldukça önemli bir özelliktir. Bu nedenle, kayaçların delinebilirliğine etki eden parametrelerin detaylı olarak incelenmesi gerekmektedir. Bu çalışmanın temel amacı kayaçların delinebilirliği ile kayaç öğütülebilirliği arasındaki ilişkinin, kayaçların mekanik ve sertlik özellikleride dikkate alınarak labaratuvar şartlarında araştırılmasıdır. Bu amaçla, magmatik (andezit örnekler) ve sedimanter (karbonat kökenli örnekler) kökenli ondört kayaç üzerinde mekanik (basma ve çekme dayanımları), sertlik (Shore sertliği), delinebilirlik (delme oranı indeksi) ve öğütülebilirlik deneyleri gerçekleştirilmiştir. Kayaçların öğütülebilirliklerini belirlemek için Hardgrove öğütme indeks deney yöntemi kullanılmış ve Bond iş indeksi değerleri literatürde önerilen yaklaşımlara göre hesaplanmıştır. Deneysel çalışmalardan elde edilen veriler üzerinde yapılan istatistiksel analizler (regresyon analizi) andezit ve karbonat kökenli kayaçlarda öğütülebilirlik ile delinebilirlik arasında güçlü doğrusal ilişkiler (R2sırasıyla 0.99 ve 0.79) ortaya koymuştur. Sınırlı veri ile elde edilen bu bilgiler ışıgında çok zahmetli bir deney yöntemi olan kayaçların delinebilirlik (DRI) değeri daha basit bir deney yöntemi olan Hardgrove öğütebilirlik değeri üzerinden oldukca başarılıbir şekilde tahmine edilebileceğini göstermektedir.

Keywords

• Delme oranı indeksi
• öğütülebilirlik
• Hardgrove indeksi

Supporting Institution

TÜBİTAK ve Zonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi-BAP

Project Number

104M437 ve BAP-2015-98150330-01

Thanks

Yazar, bu çalışmayı destekleyen 104M437 projesi için TÜBİTAK'a ve BAP-2015-98150330-01 projesi için Zonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi'ne, değerli yorum ve önerileri için Prof. Dr. Olgay Yaralı, Prof. Dr. Hamit Aydın, Doç. Dr. Okan Su ve Arş. Gör. Dr. Haşim Duru'ya (Zonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi) teşekkürlerini sunar.

References

1. [1] S. H. Hoseinie, H. Aghababaei, and Y. Pourrahimian, Development Of A New Classification System For Assessing Of Rock Mass Drillability Index (RDi), Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 45(1), 1–10, 2008.
2. [2] Tamrock, Handbook of Underground Drilling. 1987.
3. [3] Y. Özçelik, Mermercilikte Elmas Tel Kesme Makinalarının Çalışma Koşullarının İncelenmesi, Doktora Tezi, Hacettepe Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Maden Mühendisliği Anabilim Dalı, 1999.
4. [4] J. Park and K. Kim, Use Of Drilling Performance To Improve Rock-Breakage Efficiencies: A Part Of Mine-To-Mill Optimization Studies In A Hard-Rock Mine, Int. J. Min. Sci. Technol., 30(2), 179–188, 2020
5. [5] G. Mucsi, Rácz, G. Mag, G. Antal, and B. Csőke, Volume Based Closed-Cycle Hardgrove Grindability Method, Rud. Geol. Naft. Zb., 34(4), 9–17, 2019
6. [6] G. S. A. Haffez, Correlation between Bond Work ındex And Mechanical Properties Of Some Saudi Ores, 40(1), 271–280, 2012.
7. [7] R. Swain and R. B. Rao, Alternative Approaches for Determination of Bond Work Index on Soft and Friable Partially Laterised Khondalite Rocks of Bauxite Mine Waste Materials, J. Miner. Mater. Charact. Eng., 8(9), 729–743, 2009
8. [8] D. Vedat, G. Balta, and A. Yamık, The Interrelationships Between Bond Grindability Of Coals And Impact Strength Index (I.S.I.), Point Load Index (Ia) And Friability Index (FD), Chang. Scopes Miner. Process., pp. 15–19, 1996

9. [9] O. Su, Kömürün Dayanım Özellikleri ile Öğütülebilirliği Arasındaki İlişkilerin Araştırılması. Yüksek Lisans Tezi, Zonguldak Karaelmas Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Maden Mühendisliği Anabilim Dalı, Zonguldak, p. 100, 2003.
10. [10] O. Su, İ.Toroğlu and N.A. Akcin, Kömür Öğütülebi̇li̇rli̇ği̇ ile Dayanim ve İndeks Özellikleri Arasındaki İlişkiler, Türkiye 14. Kömür Kongresi Bildir. Kitabı, pp. 77–86, 2004.
11. [11] O. Su, I. Toroglu, and N. A. Akcin, “An Evaluation Of The Impact Strength Index As A Criterion Of Grindability, Energy Sources, Part A Recover. Util. Environ. Eff., 30(17),. 1671–1678, 2010
12. [12] B. Tiryaki, K. Atasoy, N. E. Yaşıtlı, A. S. Eyüboğlu, and M. Z. Aydın, Studies In The Relationships Between Hardgrove Grindability And Some Rock Index Tests On Cayirhan Coals, Proc. 20th Int. Min. Congr. Exhib. Turkey, pp. 451–458, 2001.
13. [13] B. Tiryaki, Practical Assessment Of The Grindability Of Coal Using Its Hardness Characteristics, Rock Mech. Rock Eng., 38(2), 145–151, 2005
14. [14] V. Deniz and Y. Umucu, Interrelationships Between The Bond Grindability With Physicomechanical And Chemical Properties Of Coals, Energy Sources, Part A Recover. Util. Environ. Eff., 35(2), 144–151, 2013
15. [15] V. Deniz and H. Ozdag, A New Approach To Bond Grindability And Work Index: Dynamic Elastic Parameters, Miner. Eng., 16(3), 211–217, 2003
16. [16] H. T. Ozkahraman, A Meaningful Expression Between Bond Work Index , Grindability Index And Friability Value,” 18, 1057–1059, 2005
17. [17] N. Şengün, Y. Umucu, R. Altındağ, V. Deniz, S. Çayırlı, and B. Oğuz, Kayaçların Aşınma İndeks Değerlerinin Fiziko-Mekanik Özelliklerle Olan Etkileşimlerinin Değerlendirilmesi, VIII. Bölgesel Kaya Mek. Sempozyumu, 8, 315–320, 2006.
18. [18] B. Kekec, M. Unal, and C. Sensogut, Effect Of The Textural Properties Of Rocks On Their Crushing And Grinding Features, J. Univ. Sci. Technol. Beijing Miner. Metall. Mater. (Eng Ed), 13(5), 385–392, 2006
19. [19] A. Aras, A. Ozkan, and S. Aydogan, Correlations Of Bond And Breakage Parameters Of Some Ores With The Correlations Of Bond And Breakage Parameters Of Some Ores With The Corresponding Point Load Index, Part. Part. Syst. Charact., 29, 204–210, 2012
20. [20] K. Ram Chandar, S. N. Deo, and A. J. Baliga, Prediction Of Bond’s Work Index From Field Measurable Rock Properties, Int. J. Miner. Process., 157, 134–144, 2016
21. [21] S. Kahraman, M. Ucurum, E. Yogurtcuoglu, and M. Fener, Evaluating The Grinding Process Of Granitic Rocks Using The Physico-Mechanical And Mineralogical Properties, J. Met. Mater. Miner., 29(2), 51–57, 2019
22. [22] G. S. Abdelhaffez, Studying The Effect Of Ore Texture On The Bond Work Index At The Mahd Ad Dahab Gold Mine: A Case Study, Rud. Geol. Naft. Zb.,35(1), 111–121, 2020
23. [23] A. Aras, H. Özşen, and A. E. Dursun, Using Artificial Neural Networks For The Prediction Of Bond Work Index From Rock Mechanics Properties, Miner. Process. Extr. Metall. Rev., 41(3), 145–152, 2020
24. [24] G. Mucsi, Fast Test Method For The Determination Of The Grindability Of Fine Materials, Chem. Eng. Res. Des., 86(4), 395–400, 2008
25. [25] ISRM, The Complete ISRM Suggested Methods For Rock Characterization,Testing And Monitoring: 1974–2006. 2007.
26. [26] ISRM, The Complete ISRM Suggested Methods For Rock Characterization,Testing And Monitoring: 2007–2014. 2014.
27. [27] F. Dahl, DRI, BWI, CLI standards, NTNU, p. 20, 2003.
28. [28] O. Yarali, N. A. Akçin, and G. Bacak, Mekanik Kazıda Kayaçların Petrografik Özellikleri i le Delinebilirlik ve Aşındırıcılık Özellikleri Arasındaki İlişkilerin İncelenmesi Proje No : 104M437, TUBİTAK Araştırma Projesi Sonuç Raporu, 104M437, Zo., p. 140, 2008.
29. [29] Ç. Aldı, Kayaçların Delinebilirliğine Etki Eden Parametrelerin İncelenmesi. Yüksek Lisans Tezi, Zonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016.
30. [30] U. Sakız, Kayaç Delinebilirliğinin Ve Mekanik Özelliklerinin Spesifik Delme Enerjisine Olan Etkisinin Araştırılması, Doktora Tezi, Zonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, p. 181, 2018.
31. [31] ASTM, Standard Test Method For The Hardgrove Grindability Index ( HGI ) Of Petroleum Coke, Des. D5003 − 19, 1993 [32] F. C. Bond, The third theory of comminution, Trans. AIME Min. Eng., 193, 484–494, 1952.
32. [33] H. H. Gharehgheshlagh, A. T. Cebeci, and L. Ş. Ergün, Laboratuvar Çalışmaları Sonuçları Ve Benzetim (Simülasyon) Yöntemi Kullanılarak Altın Cevheri Öğütme Devreleri İle İlgili Seçeneklerin Değerlendirilmesi; Örnek Olay İncelemesi: İran Gold Co.,” Maden Tetk. ve Aram. Derg., 159, 223–238, 2019
33. [34] F. Tichánek, Contribution To Determination of Coal Grindability Using Hardgrove Method Příspěvek Ke Stanovení Melitelnosti Uhlí Metodou, LIV(1), 27–32, 2008
34. [35] F. C. Bond, Crushing And Grinding Calculations, CÍM Bull., 47(507), 466–472, 1954.
35. [36] F. C. Bond, Crushing And Grinding Calculations I-II, Br. Chem. Eng., pp. 1–14, 1961.
36. [37] F. H. Haese U, Scheffler P, Zement-Kalk-Gips, 8, 316–324, 1975.
37. [38] L. McIntyre, A., Plitt, The Interrelation Between Bond And Hardgrove Grindabilities, CIM Bulletin, 73(818), 149–154, 1980.
38. [39] J. C. Hower, L. S. Barron, and S. O. Moshier, Application Of The Hardgrove Grindability Index In Carbonate Characterization, Miner. Metall. Process., 9(3), 146–150, 1992
39. [40] B. Csoke, Z. Hatvani, D. Papanastassiou, and K. Solymár, Investigation Of Grindability Of Diasporic Bauxites In Dry, Aqueous And Alkaline Media As Well As After High Pressure Crushing, Int. J. Miner. Process., Vol. 74, 2004
40. [41] C. Rattanakawin and A. L. Tin, Hardgrove Grindability Index And Approximate Work Index Of Sodium Feldspar,Songklanakarin J. Sci. Technol., 41(3), 664–668, 2019
41. [42] Ü. Özer and E. Çabuk, Bond İş İndeksi̇ Ve Kaya Parametreleri̇ Arasindaki İli̇şki̇, 1, 43–49, 2006.