DE1698658B1

DE1698658B1 - Messanordnung zur Identifizierung und gegebenenfalls Staerkenmessung unterschiedlicher Gebirgsschichten im Bergbau

Info

Publication number: DE1698658B1
Application number: DE19671698658
Authority: DE
Inventors: Walter Raetz
Original assignee: Bergwerksverband GmbH
Current assignee: Bergwerksverband GmbH
Priority date: 1967-06-01
Filing date: 1967-06-01
Publication date: 1971-02-04
Also published as: GB1228645A; FR1574261A

Description

Die Erfindung betrifft eine zur Identifizierung und gen und dort deren Kapazität (Frequenz) und Dämpgegebenenfalls Stärkenmessung unterschiedlicher Ge- . fung zu messen,

birgsschichten, namentlich von Gesteins- und Kohle- Bei diesen Anordnungen ist es nicht möglich, den

schichten dienende Meßanordnung, die .einen elektri- Einfluß eines Luftspaltes zwischen dem Abstrahler des sehen Hochfrequenzschwingkreis mit einem Abstrah- 5 Hochfrequenzschwingkreises und der zu identifizierenler aufweist, der über eine Gebirgssehicht geführt den Schicht auszuschalten. Das macht es im Ergebnis wird, um die Resonanzfrequenz und die Resonanz- unmöglich, Kapazität und Dämpfung elektrischer spannung zu messen. Wellen zur Steuerung von Gewinnungsmaschinen im

Die Identifizierung und gegebenenfalls Stärken- Bergbau zu benutzen. Solche Gewinnungsmaschinen messung von Gebirgsschichten dient unter anderem im io lassen sich nämlich nicht so fahren, daß der Abstrahler Steinkohlenbergbau zur Steuerung von Gewinnungs- dauernd unmittelbar über der Schicht gehalten wird, maschinen im weites.ten Sinne; dazu gehören auch Deshalb stellen sich am Abstrahier Luftspalte wech-Bohrmaschinen, mit denen Bohrungen in einer vorge- selnder Stärke ein", welche die Meßwerte verfälschen, gebenen Schicht gehalten werden sollen. Die dazu be- Diese sind so erheblich, daß derartige Anordnungen nutzten Meßgeräte sollen es ermöglichen, den bei un- 15 für praktische Bedürfnisse bisher unbrauchbar waren, gewollten Abweichungen der Maschine sich einstellen- Der Erfindung liegt als technische Aufgabe das

den erhöhten Verschleiß zu vermeiden und die Herein- Problem zugrunde, eine Meßanordnung der eingangs gewinnung unerwünschter Gebirgsbestandteile durch genannten Art zu schaffen, in der der Einfluß des Luftdie Maschine zu verhindern. . . spaltes beseitigt ist.

Zu diesem Zweck sind Meßanordnungen bekannt, 20 Gemäß dem Grundgedanken der Erfindung ist die mit radioaktiven Isotopen arbeiten. Allerdings hierzu vorgesehen, daß zur Berücksichtigung des Luftwird hierbei zur Ermittlung des gewünschten Meß- spaltes zwischen Abstrahler und Gebirgssehicht die wertes viel Zeit benötigt. Andererseits ist der zum jeweils, gemessene Resonanzfrequenz und Resonanz-Schutz von Menschen und Einrichtungen gegen die spannung mit den diesen Größen entsprechenden Einwirkungen der radioaktiven Strahlung notwendige 25 Werten von Funktionen verglichen werden, die für Aufwand zu groß. jede der angetroffenen Gebirgsschichten den Zusam-

Andere Meßanordnungen benutzen die unterschied- menhang von Luftspaltgröße einerseits und Resonanzliche Härte von Gestein und Kohle zur Gewinnung spannung sowie Resonanzfrequenz andererseits wieeines Meßwertes. Voraussetzung ist dann das Vor- dergeben.

handensein ausgeprägter Härteunterschiede der Ge- 30 Bei Annäherung des Abstrahlers des Hochfrequenzbirgsbzw. der Grenzschichten. Diese Bedingungen Schwingkreises an eine gegebene Schicht tritt-infolge erfüllen nicht alle Lagerstätten in ausreichendem der gegenüber Luft größeren Dielektrizitätskonstante Maße. Außerdem ist der Verschleiß der eigentlichen eine Verschiebung der Resonanzfrequenz nach tieferen Meßwerkzeuge sehr tioeh, wodurch sich zusätzliche Werten auf. Gleichzeitig wird wegen der größeren Schwierigkeiten einstellen. 35 Dämpfung, die der zu messende Stoff herbeiführt, die

Nach dem eingangs'genannten und ebenfalls vorbe- Amplitude der Resonanzspannung kleiner. Es würde kannten Meßverfahren lassen sich Meßgeräte bauen, nun nicht genügen, wenn nur der Einfluß des Verlustdie die oben beschriebenen Schwierigkeiten und Nach- winkeis der Gebirgssehicht gemessen würde, da dieser teile beheben, weil sie auf rein elektrischer Basis arbei- auch vom eventuell vorhandenen Abstand des Meßten. Diese Meßanordnungen beruhen darauf, daß sich 40 kondensators von derjGebirgsschicht abhängig ist und die Werte für den Verlustwinkel tg<5 und für die die demzufolge für Kohle und Gestein bei jeweils unter-Elektrizitatskonstante.gr für Kohle und Gestein meß- schiedlichen Abständen -des Abstrahlers von der bar voneinander unterscheiden. Das gilt auch "fur " Gebirgssehicht gleiche Verlustwinkel gemessen würandere Gebirgsschichten. den.

Bekanntlich enthält ein Hochfrequenzschwingkreis 45 Der gleiche Meßfehler tritt auch dann auf, wenn neben einer Induktivität und einem Ohmschen Ver- nur der Einfluß der Dielektrizitätskonstanten auf den lustwiderstand einen kapazitiven Widerstand, den der vom Abstrahler mit der Gebirgssehicht gebildeten Abstrahler ergibt, weil er mit der jeweiligen Gebirge- Meßkondensator durch Messung der Resonanzfresphicht einen Kondensator bildet. Dadurch führt eine quenz des Hochfrequenzschwingkreises ausgewertet Änderung der Gebirgssehicht zu,, einer veränderten,-5.0 würde. Auch:in,diesem;Falle.würde man bei Abheben Kapazität des Kreises, die ihrerseits eine Resonanz- des Abstrahlers von der Gebirgssehicht gleiche Difrequenzänderung zur Folge hat. Auf diese Weise er- elektrizitätskonstanten bei unterschiedlichen Stoffen möglicht eine Messung der jeweiligen Resonanz- je nach dem vorhandenen Abstand des Abstrahlers spannung die Identifizierung der "Gebirgsschicht. von der zu messenden Gebirgssehicht feststellen.

Im einzelnen ist es-bekannt;-die Änderung am Ab- 55 Bei der erfindungsgemäßen Meßanordnung wird strahler mit einem durch äußere Einflüsse nicht be- hingegen zunächst der für jede der zu identifizierenden einflußbaren Oszillator zu vergleichen. Solche Geräte Gebirgsschichten gültige Zusammenhang von Resosind für geophysikalische Messungen vorgeschlagen nanzspannung und Resonanzfrequenzänderung bei worden. Allerdings-sifid bei derartigen Geräten die von abnehmenden Luftspalten' bestimmt, wobei diese ■den Gebirgsschichten^usgehenden Dämpfungserschei- 60 Funktionen etwa für Kohle und Gestein charaktenungen verschiedener Schichten nur durch Anordnung ristisch voneinander unterscheiden. Man erhält auf von Ohmschen Widerständen meßbar. diese Weise für eine gegebene Gebirgsschicht aus einer

Bei einem anderen bekannten Gerät, das bei der Vielzahl von Kurven, welche die Funktion von Erz- und Kohlesortierung als Metalldetektor dient, Resonanzfrequenz und Resonanzspannung für verwird eine Amplitudenregelung vorgenommen. Schließ- 65 schiedene Luftspalte wiedergeben, eine Summenkurve, lieh ist bereits vorgeschlagen worden, zur Erforschung welche den Einfluß des Luftspaltes berücksichtigt, -von Gesteinsschichten in Bergwerken elektrische Diese Summenkurven, die etwa für Kohle und Gestein Schwingkreise in Strecken oder Bohrlöchern anzubrin- aufgenommen werden, unterscheiden sich hinreichend

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voneinander. Infolgedessen kann durch die einfache schicht mit bestimmtem Material, so wird z. B. bei Feststellung, ob ein tatsächlich gemessener Wert auf der Frequenz/_a die Resonanzkurve R₂ mit der der einen oder der anderen Summenkurve liegt, fest- Resonanzspannung U₂ gemessen. Wird der Abgestellt werden, um welche Gebirgsschicht es sich strahler nunmehr einer Kohlenoberfläche so weit handelt. .5 genähert, daß sich wieder die zuvor gemessene Re-

Bei einer praktischen Ausführungsform der Er- sonanzspannung U₂ einstellt, so ist festzustellen, daß findung wird für die Bestimmung der Resonanz- zu dieser Resonanzspannung U₂ nunmehr die Refrequenzänderung eine an sich bekannte Nachstimm- sonanzfrequenz Z₁ der Resonanzkurve R₁ gehört, schaltung verwendet, deren Nachstimmspanhung Wird der Meßkondensator unter Beibehaltung der gleichzeitig mit der Resonanzspannung zur Identi- io Frequenz J₁ der Gesteinsoberfläche auf einen befizierung der Schicht dient. Dies kann beispielsweise so stimmten Abstand genähert, so ergibt sich die Re^ geschehen, daß die Nachstimmspannung für Gestein sonanzkurve R₁ mit der zugehörigen Frequenz f_x und gleich Null gesetzt wird, so daß jeder Ausschlag, des der Resonanzspannung U₁. ·»

Meßgerätes das Vorhandensein, gegebenenfalls auch Das Diagramm zeigt deutlich, daß sich jeweils

die Stärke der anschließenden Kohleschicht wieder- 15 einzeln, unabhängig vom festzustellenden Material gibt. entweder gleiche Resonanzspannungswerte oder gleiche

Bei einer anderen praktischen Ausführungsform der Resonanzfrequenzwerte bei unterschiedlichen Aberfindungsgemäßen Meßanordnung wird zur Fest- ständen des Meßkondensators von der Materialstellung der Größe der Resonanzfrequenzänderung oberfläche feststellen lassen.

ein Oszillator verwendet, der im bestimmten Zeit- 20 Die Verbindung aller Resonanzspannungspunkte Intervall kontinuierlich in der Frequenz durchstimm- bei unterschiedlichen Abständen und Materialien in bar ist. Dieser Oszillator benutzt bei Erreichen der den Gebirgsschichten ergeben den Verlauf der Kurve I Resonanzfrequenz des Schwingkreises ein weiter- für Kohle und II für Gestein.

verwertbares Signal,, z.. B. durch eine Messung, der für Eine praktische Ausführungsform der Meßan_r

den durchstimmbaren Oszillator benötigten Spannung «5 Ordnung ist in F i g. 3 dargestellt., der Durchstimmanordnung., . Der Meßkondensator C_m ist mit dem Resonanz-

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand - der kreis, bestehend aus L₂ und C verbunden. Dieser Figuren näher erläutert; es zeigt , --. Resonanzkreis wird von einem z. B. durch eine

Fig. 1 schematisch einen Hochfrequenzschwing- spannungsabhängige KapazitätsdiodeDk in sejner kreis zur Erläuterung des Meßprinzips der Meß- 3° Frequenz veränderlichen Oszillator O₁ über α gespeist, anordnung gemäß der Erfindung, Eine an sich bekannte Nachstimmschaltung N, die

Fig. 2 ein Diagramm zur Wiedergabe, der oben von der- amSchwingkreis L₂, C auftretenden Spannung erläuterten Resonanzkurven für Kohle und Gestein, über b geregelt wird, sorgt dafür, daß über c die

F i g. 3 eine erste Ausführungsform der erfindungs- Kapazitätsdiode Dk den Oszillator O₁ immer auf die gemäßen Meßanordnung und 35 Resonanzfrequenz des Schwingkreises, der aus C_m, L₂

F i g. 4 eine abgeänderte Ausführungsform der und C besteht, einstellt. Mithin ist die Größe der NachErfindung. Stimmspannung, die der Diode Dk zugeführt wird,

In Fig. 1 ist ein Hochfrequenzschwingkreis dar- ein Maß für die Veränderung der im Kreis C_m, L_z gestellt. Der eigentliche Schwingkreis ist mit C und L₂ und C infolge der Annäherung des Abstrahlers an das festgelegt, während mit C_m der vom Abstrahler mit 40 festzustellende Material auftretenden Resonanzder Gebirgsschicht gebildete Meßkondensator be- frequenz.

zeichnet ist. Über L₁ wird der Schwingkreis in seiner Damit nun beide Kriterien für die Materialfest-

Resonanzfrequenz erregt. Es tritt nun bei der An- stellung, nämlich die Höhe der Resonanzspannung näherung des Meßkondensators C_m an die festzu- und das Maß der Frequenzänderung ausgewertet stellende Schicht infolge der gegenüber Luft größeren 45 werden können, um dadurch eine Aussage darüber zu Dielektrizitätskonstanten ε,- eine Verschiebung der erhalten, um welches Material es sich bei der anResonanzfrequenz nach tieferen Werten hin auf. genäherten Gebirgsschicht handelt, wird eine hier Gleichzeitig wird wegen der größeren Dämpfung durch nicht naher zu erläuternde, weil bekannte Differenzden zu messenden Stoff in der Gebirgsschicht die schaltung verwendet, bei der die auf den Leitungen b Amplitude der Resonanzspannung gesenkt. Die 5° und c vorhandenen Gleichspannungen U₁ (Leitung b) Resonanzspannung kann über einen Kondensator C₁ und U₂ (Leitung c) derart gegensinnig zueinander an einer Diode D₁ und über einen Entkopplungs- geschaltet sind, daß das Maß dieser Differenz als widerstand R₁ an der Klemme U₁ gegen Masse ge- Aussagegröße für die Feststellung der Materialeigenmessen werden. schaft herangezogen werden kann.

F i g. 2 zeigt den Verlauf der Resonanzkurven des 55 Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigt Schwingkreises mit dem Meßkondensator (Abstrahler) F i g. 4, die hinsichtlich der Auswertungsmöglichkeit C_m für Kohle und Gestein. Es handelt sich dabei um der interessierenden Meßgrößen zum Zwecke der eine schematische Darstellung ohne Anspruch auf Feststellung des Materials in der Schicht am Abstrahler numerische Exaktheit. gegenüber der Anordnung nach F i g. 3 geändert ist.

In dem Diagramm sind zur Erläuterung vier 60 Der Meßkondensator C_m ist wieder mit dem Re-Resonanzkurven R₀, R₁, R₁ und R₂ bezeichnet, und sonanzkreis aus L₂ und C verbunden. Dieser Rezwar einmal die Resonanzkurve R₀ des Schwing- sonanzkreis wird ebenso, wie im Zusammenhang mit kreises mit dem Meßkondensator C_m, wenn der Ab- Fig. 3 bereits erläutert, von einem z. B. durch eine strahler sich nicht vor einer Gebirgsschicht befindet, spannungsabhängige Kapazitätsdiode Dk 'in seiner also in die Luft ragt. Naturgemäß ist wegen der kleinen 65 Frequenz veränderlichen Oszillator O₁ über α gespeist. Dämpfung die Resonanzspannung U₀ bei der Re- Die Veränderung der Frequenz des Oszillators O₁ sonanzfrequenz /₀ am größten. Nähert sich nun der wird mit HiUe eines weiteren Oszillators O₂ durch-Meßkondensator bzw. der Abstrahier einer Gesteins- geführt, der die für die Frequenzänderung vom

Oszillator O₁ vorhandene Kapazitätsdiode Dk mit einem z. B. sägezahnähnlichen Spannungsverlauf über d speist.

Vorher muß jedoch diese Spannung eine sogenannte Weiche W passieren. Die durch O₁ erzeugte und mit Dk veränderliche Frequenz wird beim Erreichen der durch L₂, G und C_m bestimmten Resonanzfrequenz, eine maximale Spannung an diesem Kreis erzeugen. Diese Resonanzspannung wird über e in einer Differenzschältung D einmal mit sich selbst und zum iö andern als Schaltspannung für das TOrT₁ über / benutzt. Im Falle der Resonanzspannung wird nämlich die weitere Durchstimmung angehalten und die der Resonanzfrequenz zuzuordnende Spannung an O₂ über T₂ und g der Differenzschaltung D zum Zwecke der weiteren Auswertung zugeführt. In dieser Differenzschaltung werden die über e und g zugeführten Spannungen verglichen undergeben-damit eine Aussage über die Art des festzustellenden Materials in der betreffenden Gebirgsschicht. ao

Es ist selbstverständlich, daß die Messung auch quantitativ erfolgen kann und daß die Anordnung sich in eine beliöbige Gewinnungsmaschine einbauen läßt, um als Meßanordnung für eine Regelgröße zu dienen, welche die Gewinnungswerkzeuge entsprechend

Verstellt. _Ώ ...

Claims

Patentansprüche:

1. Zur Identifizierung und gegebenenfalls Stärkemessung unterschiedlicher Gebirgsschichten, namentlich von Gesteins- und angrenzenden Kohleschichten dienende Meßanordnung, die einen elektrischen Hochfrequenzschwingkreis mit einem Abstrahler aufweist, der über eine Gebirgsschicht geführt wird, um die Resonanzfrequenz und die Resonanzspannung zu messen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Berücksichtigung des Luftspaltes zwischen Abstrahler und Gebirgsschicht, die jeweils gemessene Resonanzfrequenz und Resonanzspannung mit den diesen Größen entsprechenden Werten von Funktionen verglichen werden, die für jede der angetroffenen Gebirgsschichten den Zusammenhang von Luftspaltgröße einerseits und Resonanzspannung sowie Resonanzfrequenz andererseits wiedergeben.

2. Meßanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine an sich bekannte Nachstimmschaltung, deren "Nachstimmspannung zur Identifizierung der Schicht bestimmbar ist.

3. Meßanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen in bestimmten Zeitintervallen kontinuierlich in der Frequenz durchstimmbaren Oszillator zur Feststellung der Größe der Resonanzfrequenzänderung, der bei Erreichen der Resonanzfrequenz des Schwingkreises ein weiter verwertbares Signal, z. B. durch Messen der für den durchstimmbaren Oszillator benötigten Spannung der Durchstimmanordnung, benutzt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen