DE102005047659A1

DE102005047659A1 - Vorrichtung zur Spannungsermittlung im Gebirge

Info

Publication number: DE102005047659A1
Application number: DE200510047659
Authority: DE
Inventors: Frank-Michael Jaeger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-10-05
Filing date: 2005-10-05
Publication date: 2007-04-12
Anticipated expiration: 2025-10-06
Also published as: DE102005047659B4

Abstract

Mit der Vorrichtung zur Spannungsermittlung im Gebirge können Spannungen und Spannungsumlagerungen in-situ ständig erfasst werden. DOLLAR A Die Vorrichtung kann vorzugsweise im plasto-elastischen Gebirge zur Anwendung kommen. DOLLAR A Nach der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass ein oder mehrere Ultraschallsensoren in einer Bohrlochsonde über den akusto-elastischen Effekt die Spannung in einem nicht konvergierenden Medium bestimmt. Durch Querschnittsverengung im kraftaufnehmenden Schallweg wird eine Spannungsüberhöhung zur Steigerung der Messauflösung erreicht. DOLLAR A Derartige Vorrichtungen werden zur Überwachung unterirdischer Grubenbaue und Tunnel benötigt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung der Gebirgsspannung im Gebirge, vorzugsweise in untertägigen Grubenbauen im elasto-plastischen Gebirge, zum Beispiel im Salinargestein.
Bekannte mechanische Verfahren werten Längenänderungen von Schwingseiten aus oder messen hydraulische Drücke von Kissen oder Kolbensystemen. Auch die bei den Überbohrverfahren eingesetzten Dehnmessstreifen messen nur Verformungen beziehungsweise Längenänderungen.
Das bekannte Überbohrverfahren ist zur permanenten in-situ-Messung nicht geeignet. Andere Verfahren zur Gebirgsspannungsmessung erfassen die Durchmesserveränderung von Bohrlöchern beim Überbohren.
Für die Gebirgsspannungsmessung im elasto-plastischen Gebirge ist diese Methode weniger gut geeignet, da diese Methode nur über Modellrechnungen aus der Konvergenz der Bohrlöcher, auf die zur Zeit der Überbohrung herrschende Gebirgsspannung schließt. Eine Langzeitmessung zur Erfassung von Spannungsumlagerungen, wie sie beim fortschreitendem Abbau oder Versatz der Grubenbaue auftreten, ist damit nicht möglich.

Es gibt Messverfahren, die zur Spannungsbestimmung mit hydraulischen Druckaufnehmern arbeiten. Stellvertretend seien hier die aus der DE 34 03 521 genannten Druckkissen oder die in der DD 299 677 aufgeführten Hydraulikkolben verwiesen.

Diese Methoden besitzen mehrere wesentliche Nachteile. So muss die absolute Dichtheit zur Aufrechterhaltung des Druckes in dem System gewährleistet sein. Zur Druckbeaufschlagung mit Hydrauliköl sind aber Absperreinrichtungen notwendig, die potentielle Stellen für Undichtheiten sind.

Werden die druckführenden Hydraulikleitungen zu Druckmesseinrichtungen oder Ventilen außerhalb des Bohrloches zur Pfeilerwand geführt, besteht die Gefahr der Beschädigung der Messeinrichtung bei Verformungen und Abschalungen an den Pfeilerwänden oder Firsten.

Modernere elektronische Verfahren messen zum Beispiel mit Ultraschall.

So hat jedes Gestein eine spezifische Schallgeschwindigkeit, die Abhängig ist von der Dichte und Elastizität des Gesteins. Mit dem bekannten Sonic-Log wird die Laufzeit des von einem Sender am unteren Ende einer Sonde erzeugten Schallimpulses durch das das senkrechte Bohrloch umgebende Gestein zu einem oder mehreren Empfängern am oberen Ende der Sonde gemessen.

Zur Ankopplung der Ultraschallsender und Ultraschallempfänger wird dabei ein Koppelmedium verwendet.

Diese Methode benötigt ein Koppelmedium, welches das umgebende Gestein nicht auflöst. Wasserhaltige Medien sind im Salinargestein ungeeignet. Die mögliche Klüftigkeit der Gesteine ist ein weiterer Grund für die nicht praktikable Anwendbarkeit dieser Methode. Andere Verfahren zur Messung der Schallgeschwindigkeit mittels Durchschallung des Gebirges benötigen zwei Bohrlöcher zur Durchführung des Verfahrens.

Auch hier bestehen die oben genannten Nachteile der direkten Messung im Gebirge.

In der Patenschrift DE 198 30 196 wird ein Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Gesteins- und Gebirgsanisotropie sowie des Gebirgsspannungszustandes an Probenkörpern beschrieben. Die darin beschriebene Methode zur Ermittlung des Gebirgsspannungszustandes erfordert Probenkörper der Gesteine mit gegenüberliegenden Endflächen zur Anbringung der Ultraschallwandler.

Die vorgenannte Methode ist nicht zur in-situ Messung von Spannungszuständen und Spannungsumlagerungen im Gebirge geeignet.

Weiterhin ist im Stand der Technik die Druckabhängigkeit der Eigenschaften der Wellenausbreitung bekannt. Mit der Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Kompressions- und/oder Scherwellen können richtungsabhängige Drücke und Spannungen gemessen werden. Gesteinsanisotropien, Risse etc. beeinflussen markant diese Messungen.

Der messtechnische Einfluss von wechselnden Porositäten oder Feuchtegehalten kann weit über dem spannungsabhängigen Anteil liegen.

Für die breite Anwendung der Messung von Ausbreitungsgeschwindigkeiten von Ultraschallwellen muss daher der Einfluss wechselnder Gesteinsparameter ausgeschlossen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine geeignete Bohrlochmesseinrichtung zuschaffen, die unabhängig von den Gesteinsanisotropien über einen langen Zeitraum die Messung der Gebirgsspannung ermöglicht.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist in den gekennzeichneten Merkmalen des Anspruch 1 beschrieben.

Die weiteren Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wider.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Spannungsmessung mittels Ultraschall beruht auf dem akusto-elastischen Effekt. Die Laufzeit eines Ultraschallimpulses innerhalb des Messmediums wird gemessen. Die Schallgeschwindigkeit der Ultraschallwellen ist abhängig von den elastischen Spannungen innerhalb des Messmediums.

Verwendet man als Messmedium einen elastisches nicht komprimierbares Medium, zum Beispiel ein Festkörper bekannter Zusammensetzung und ohne Anisotropien im Schallweg, kann man durch die Ermittlung der Schallgeschwindigkeitsänderung, die Spannungen im umgebenden Gebirge ermitteln. Voraussetzung für diese Messung ist der form- und kraftschlüssige Schluss der Sonde mit dem Gebirge.

Die Verbindung der Bohrlochsonde kann durch einen speziellen Bohrlochzement, zum Beispiel Salzbeton, durch natürliche Konvergenz des Bohrloches oder durch Beides erfolgen. Erfolgt die Krafteinleitung entsprechend den Spannungsrichtungen des Gebirges in die Bohrlochsonde, können bei entsprechender Anordnung der Ultraschallsensoren innerhalb der Bohrlochsonden, auch entsprechend unterschiedliche Spannungen mit unterschiedlichen Laufzeiten gemessen werden.

Das Medium zur Aufnahme der Gebirgsspannung soll inkompressibel und isotrop sein, Das kann zum Beispiel ein Kunststoff mit geeigneter Festigkeit, ein Metall oder auch ein Kunststein (Beton) sein.

Die Änderung der Schallgeschwindigkeit ist neben der Abhängigkeit von der einwirkenden mechanischen Spannung auch von der Temperatur abhängig.

In der Praxis stellt sich der Temperaturausgleich zwischen Sonde und umgebenden Gebirge ausreichend schnell ein. Größere Temperaturschwankungen sind im Gebirge bei stationärem Einbau nicht zu erwarten.

Für kleine Spannungen im Bereich des Hookeschen Gesetzes σ = E·ε (E = E-Modul),gilt ein linearer Zusammenhang zwischen der Spannung σ und der Dehnung ε = ∆L/L, wenn L die Dehnlänge (auch Stauchung als Spezialfall der Dehnung) des ultraschallführenden Körpers in der Sonde ist und ∆L dessen Längenänderung. Oberhalb der Dehngrenze σ_D (analog dazu „Fließgrenze") nimmt die Spannung nur noch wenig zu, und die elastische Verformung geht in eine plastische über, die bei der Entlastung der Sonde eine bleibende Längenänderung hinterlassen würde. Für die Anwendung zur Spannungsmessung unterstellt man nur die elastische Verformung ohne Kriechen und Relaxation.

Verwendet man für den Schallweg in der Sonde Materialien, die unter den vorhandene Gebirgsspannungen im elastischen Bereich bleiben, kann somit die Gebirgsspannung und die Änderung dieser, wie sie bei Spannungsumlagerungen auftreten, in-situ gemessen werden.

Die Laufzeit nimmt im elastischen Bereich linear mit der Stauchung ab, wobei 2 Anteile hierzu beitragen:

1. die direkte Verkürzung des Schallweges ∆L und 2. der akusto-elastische Effekt, d.h. die Erhöhung ∆v der Schallgeschwindigkeit v aufgrund der elastischen Druckspannung in dem Schallweg der Sonde. Als Proportionalitätsfaktor wird die Spannungskonstante K definiert mittels

Damit lassen sich aus der gemessenen Zunahme et der Laufzeit sowohl die Spannung

als auch die Längenänderung

messen.

Durch das elastische Verhalten der Messstrecke zwischen den Ultraschallsensoren wird auch die Länge der Messstrecke verändert.

Da bekannt ist, dass zum Beispiel die Änderung der Schallgeschwindigkeit durch die Einwirkung einer mechanischen Spannung (Stauchung der Messtrecke) dreimal so groß ist, wie der Einfluss der reinen Längenänderung (die durch diese Spannung oder Krafteinwirkung auf die Messtrecke entsteht) auf die Schallgeschwindigkeit, kann durch die Messung der Schallgeschwindigkeit, eine ausreichend genaue Ermittlung der Gebirgsspannung erfolgen.

Die Kalibrierung der Bohrlochsonden erfolgt an ein-oder triachsialen Versuchständen. Dazu wird die Kraft vertikal und horizontal in Prüfkörper aus dem Gebirgsmaterial eingeleitet. Die Bohrlochsonde ist in einem Bohrloch im Prüfkörper montiert. Je nach Anwendungsfall kann mit oder ohne Manteldruck gearbeitet werden.

Kostengünstige Messungen mit kleinen Bohrlochdurchmessern erfordert kleine Bohrlochsonden. Um eine messtechnisch besser verwertbare Auflösung zu bekommen, kann die Messstrecke in Richtung Bohrlochachse verlängert werden. Ein Weg dazu wäre die Durchmesservergrößerung der Sonde. In einer weiteren Ausführung erfolgt die Ein- und Ausleitung des Ultraschalls schräg zur Bohrlochachse. Durch Mehrfachreflexion an der Sondenoberfläche wird ein längerer Messweg erreicht. In diesem Fall erfolgt der Ultraschallweg nicht exakt längs des Spannungsweges. Die Kalibrierung der Sonde auf dem Prüfstand ist daher notwendig.

Auch mit elektronischen Maßnahmen kann die Messempfindlichkeit erhöht werden. So können die Ultraschallsensoren (Sendewandler und Empfangswandler) in einer Regelschleife (PLL-Oszillator) betrieben werden und der Messwerthub um den Faktor 100 oder 1000 erhöht werden.

Zur Erzielung einer ausreichenden Messdynamik muss mit entsprechend guter Zeitauflösung der Geschwindigkeitsmessung gearbeitet werden.

Eine vorteilhafte Weitergestaltung der Erfindung ist die Anordnung mehrerer um 90° versetzt angeordnete Ultraschallsensoren. Damit können mit einer Bohrlochsonde Spannungen in mehreren Richtungen gemessen werden.

Auch mit mechanischen Mitteln kann die Messempfindlichkeit der Bohrlochsonde erhöht werden. Dazu wird erfindungsgemäß eine Spannungsüberhöhung durch eine kontinuierliche Querschnittsveränderung des Ultraschallweges erreicht.

mit A1 > A2

Der Spannungsverlauf ändert sich längs der Schwereachse in der Sonde proportional zum Verhältnis der Querschnitte. Die Schallführung wird zum Beispiel als Stab ausgeführt. Die beiden, die Kraft (hier Gebirgsspannung) aufnehmenden Enden, besitzen eine größere Fläche als der übrige Teil der Schallführung.

Durch diese Spannungsüberhöhung innerhalb der Schallführung kann bei geeigneter Querschnittswahl (Durchmesser) eine scheinbare Messwegverlängerung erreicht werden. Daraus folgt natürlich auch eine bessere Auflösung der Messung Schallgeschwindigkeit.

Für die Praxis bedeutet das, es kann mit kleineren Bohrlochdurchmessern und damit auch kostengünstiger gearbeitet werden.

Durch die in-situ-Messung soll damit eine permanente Gebirgsspannungsmessung ermöglicht werden. Diese Messung kann vorteilhaft beim Abbau von Rohstoffen, beider Endlagerung von toxischen und radioaktiven Stoffen oder auch beim Tunnelbau angewendet werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche. Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben werden. Es zeigen:
1 eine Vorrichtung zur Spannungsüberwachung im Gebirge mit Mehrfachreflexion im Schallweg
2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Erfassung der Horizontalspannung und der Vertikalspannung mit einer Bohrlochsonde
3 eine Vorrichtung zur Ermittlung der Spannung mit Stauchungszylinder und Spannungsüberhöhung durch kontinuierliche Querschnittsverengung
In 1 ist eine Bohrlochsonde 1 zur Erfassung der Gebirgsspannung 3 im Gebirge 2 mit Mehrfachreflexion im Ultraschallweg 8. Die Gebirgsspannung 3 wirkt hier in dem gezeigten Ausführungsbeispiel horizontal auf das elastische nicht konvergierende Medium 4 ein. Ein Ultraschallsender 5 sendet Ultraschallwellen in Richtung Ultraschallempfänger 9 aus.
In die Kerben 21 können herkömmliche Ultraschallsensoren zum Beispiel aus PZT-Keramik eingebaut werden. Ein vorteilhafter Schutz vor mechanischer Belastung ist hier nicht dargestellt. Die Applikation mit Foliensensoren ist natürlich ebenso möglich. Auf die Darstellung der elektrischen Verbindung zwischen den Ultraschallsensoren 5 und 9 zur Elektronikeinheit 6 ist nicht näher dargestellt. Von der Elektronikeinheit 6 geht ein Kabel 7 zur Datenübertragung zur nicht dargestellten Auswerteeinheit.
In der Elektronikeinheit 6 wird die Laufzeit bzw. die Schallgeschwindigkeit der Ultraschallwellen innerhalb des Schallweges 8 bestimmt. Das kann beispielsweise als reine Impulslaufzeit erfolgen. Ein anderer schon aufgezeigter Weg, ist den Sendetakt laufzeitabhängig zu steuern. Mit einer bekannten PLL-Regelschaltung kann so eine Erhöhung der Messempfindlichkeit über einen Faktor von 100 oder 1000 erreicht werden.
2 zeigt eine schematische Darstellung der Anordnung von mehreren Ultraschallsensoren 12a bis 12d zur Erfassung der Horizontalspannung 10 und Vertikalspannung 11 mit einer Bohrlochsonde. Die Schematische Darstellung zeigt die Schallwege 8, die direkt zwischen den Ultraschallsensoren 12a bis 12d erfolgen können. Ein Schallweg mit Mehrfachreflexionen, wie in 1 gezeigt, ist natürlich auch möglich.
3 zeigt eine Ausführungsform einer Bohrlochsonde 1 mit Spannungsüberhöhung durch kontinuierliche Querschnittsveränderung im Stauchungszylinder 13. Innerhalb des Bohrlochsonde 1 sind einer oder mehrer Stauchungszylinder 13 angeordnet. An den Enden der Stauchungszylinder 13 mit den Endstücken 14 sind Ultraschallsensoren 15 angeordnet. Analog zur bekannten Schraubenspannungsmessung mit Ultraschall, sind die Stauchungszylinder 13 aus Metall, zum Beispiel Eisen. Die Ultraschallsensoren 15 sind gesputterte Dünnschichtsensoren, die direkt auf die Stauchungszylinder oder auf den Endstücken aufgebracht sind. Über die Endstücke zur Krafteinleitung 14 erfolgt die Einleitung der Gebirgsspannung in die Bohrlochsonde. Der Ultraschallweg 8 kann wie hier dargestellt, durch den gesamten Stauchungszylinder 13 erfolgen.
In einer weiteren, hier nicht dargestellte Ausführungsform, wird der Ultraschallsensor 15 am Ende des konstanten Querschnittes des Stauchungszylinder angeordnet. Die beiden Endstücke 14 des Stauchungszylinder 13 bestehen dabei aus Einzelteilen mit kontinuierlicher Querschnittsveränderung, zum Beispiel Kegelstümpfe.
Die Bohrlochsonde 1 und die Stauchungskörper 13 bestehen aus Materialien unterschiedlicher akustischer Impedanz. Die aus dem akustisch härteren Material hergestellten Stauchungszylinder 13 sind in die aus akustisch weicheren Sondenkörper eingebettet. Mit dem Spezialfall einer Deformation, der Stauchung eines schmalen Zylinders, lässt sich die Spannung eindimensional erfassen.
Natürlich sind Anordnungen mehrerer Stauchungszylinder 13 innerhalb einer Bohrlochsonde möglich. Werden diese um 90° verdreht angeordnet, können so die Vertikalspannung und die Horizontalspannung getrennt erfasst werden.
Das Anwendungsgebiet der Erfindung beschränkt sich nicht nur auf den Bergbau. Die Sonden können vorteilhaft in Pfeiler von Stahlbetonbauten eingesetzt werden.
Die Kombination mehrer Sonden, mit der hier nicht weiter erläuterten Datenübertragung, gestattet auch den kostengünstigen Einsatz im Tunnelbau zur Dauerüberwachung solcher Bauwerke.

Claims

Vorrichtung zur Spannungsermittlung im Gebirge, vorzugsweise im plasto-elastischen Gebirge, bei dem einer oder mehrere Ultraschallsensoren in Bohrlöcher eingebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Ultraschallparameter nicht direkt im Gebirge erfolgt, sondern in einer, die Gebirgsspannung aufnehmenden Bohrlochsonde, mit einem in der Sonde enthaltenen, nicht konvergierenden Medium.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannungsüberhöhung durch kontinuierliche Querschnittsveränderung in Spannungsrichtung erfolgt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren so angeordnet sind, dass sich die Sensoren in wenigstens zwei verschiedenen Spannungsrichtungen befinden.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass Sonden aus einer oder mehreren Komponenten mit unterschiedlicher akustischer Impedanz bestehen.