DE19618404A1 - Verfahren zur Querschnittserfassung in untertägigen Grubenbauen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Querschnittserfassung in untertägigen Grubenbauen gemäß den Merkmalen des Oberbe­ griffs des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durch­ führung dieses Verfahrens gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 8.

Im untertägigen Bergbau ist es aus mehreren Gründen zwingend erforderlich, innerhalb vorgegebener Zeitintervalle die herge­ stellten Hohlräume, die auch als Grubenbaue bezeichnet werden, dadurch zu kontrollieren, daß sie an vorgegebenen und/oder auch an besonders kritischen Stellen regelmäßig vermessen und die Meßergebnisse anschließend mit denjenigen vorangegangener Ver­ messungen verglichen werden, um den langfristigen Einfluß des Gebirges auf das Grubengebäude beurteilen zu können. Im einzelnen sind solche Vermessungen notwendig, um daß Verhalten der Schachtsäule beobachten, die steuerliche Bewertung des Grubengebäudes vornehmen, Maschineneinbauten und Sondertrans­ porte planen, den Wetterführungsplan erstellen, das Lichtraum­ profil beim Transport sicherstellen, Durchbauarbeiten planen und kontrollieren sowie die Konvergenz beobachten zu können.

Die Durchführung der Vermessung des Querschnitts von Gruben­ bauen erfolgt überwiegend mit Maßbändern, Meßlatten und Gliedermaßstäben, wobei beispielsweise zur Erfassung des Quer­ schnitts einer frisch aufgefahrenen, ausgebauten und herge­ richteten Strecke grundsätzlich das sogenannte Dreipunktver­ fahren, d. h. die Vermessung der Länge des senkrechten Abstandes Firste-Sohle und derjenigen des Stoßabstandes in 1 m Höhe über der Sohle, ausreicht, um aus dem bekannten mathematischen Kurvenverlauf des Ausbauprofils in einem ungestörten Strecken­ querschnitt und den vorgenannten gemessenen Werten die Fläche des vermessenen Streckenquerschnitts zu berechnen oder unmit­ telbar aus einer vorhandenen Tabelle abzulesen. Eine oft genutzte Möglichkeit, die Genauigkeit einer solchen Quer­ schnittserfassung zu erhöhen, besteht darin, zusätzlich noch den Stoßabstand in 2 m Höhe über der Sohle zu vermessen, d. h. das sogenannte Fünfpunktverfahren anzuwenden.

Beide vorgenannten Verfahren führen jedoch sehr rasch zu erheblichen Abweichungen vom tatsächlich zu ermittelnden Wert der Querschnittsfläche und damit auch zu einer Fehlinterpre­ tation möglicher Veränderungen des betrachteten Strecken- oder auch sonstigen Grubenbau-Querschnitts gegenüber in der Vergan­ genheit für ihn ermittelter Werte, sobald einer der betrach­ teten Grubenbaue bereits über einen mehr oder weniger langen Zeitraum steht und daher einerseits durch die Konvergenz eine ungleichmäßige Anhebung der Sohle und/oder andererseits durch den Gebirgsdruck eine Verformung seines gesamten Ausbaus erfahren hat. In diesem Fall ist eine Erfassung des Quer­ schnitts - insbesondere eines Streckenquerschnitts - dann in der Form durchzuführen, daß zwischen je zwei im obengenannten ursprünglichen ungestörten Zustand des Grubenbaus beidseitig an den Stößen in 1 m Höhe und in 2 m Höhe montierten Nägeln mehr oder weniger von der Horizontalen abweichende Schnüre gespannt werden sowie ein - jetzt nicht mehr notwendigerweise den Querschnitt halbierendes - Lot in der - möglicherweise ver­ schobenen - Firste eingehängt und dann die jeweilige Länge von insgesamt 11 senkrechten bzw. der Horizontalen mehr oder weniger angenäherten Teilabständen zwischen den Nägeln und der Sohle bzw. den Schnittpunkten der Schnüre mit dem Lot einer­ seits sowie zwischen der Firste, den Schnittpunkten zwischen dem Lot und den Schnüren und der Sohle andererseits mit den vorstehend genannten Meßeinrichtungen aufgenommen wird.

Die vorbeschriebenen Meßverfahren werden bereits seit langer Zeit verwendet, so daß ihre Durchführung zu einer Routinearbeit geworden ist. Ungeachtet dessen sind sie jedoch zwangsläufig mit dem Risiko behaftet, daß eine - insbesondere bei den übli­ chen erschwerten Sicht- und Platzverhältnissen in untertägigen Grubenbetrieben - nicht auszuschließende Fehlablesung eines Meßwertes nicht nur zu einer fehlerhaften Erfassung des jeweils zu vermessenden Querschnitts eines Grubenbaus, beispielsweise einer Strecke, führt, sondern eine solche fehlerhafte Erfassung darüber hinaus erst festgestellt wird, wenn die ermittelten Meßwerte in Form von Abstandslängen nach der wegen der vorge­ nannten untertägigen Arbeitsbedingungen normalerweise zunächst erfolgenden Rückkehr nach übertage ausgewertet worden sind. Die Durchführung einer Kontrollmessung wird dann aber ein zeit- und kostenaufwendiger Arbeitsschritt, selbst wenn beispielsweise in einer üblichen Strecke die zu vermessenden Querschnitte nur in Abständen zwischen 60 und 100 m anfallen - in Versuchsstrecken und/oder speziell ausgewählten Grubenbauen selbstverständlich auch in dichterer Folge. Außerdem ist die Aufnahme der einzelnen Meßwerte - insbesondere mit wachsender Zahl der zu bestimmenden Teilabstände - für die durchführenden Personen mit einem nicht unerheblichen Sicherheitsrisiko behaftet, da in untertägigen Grubenbauen - insbesondere in den Strecken - eine Vielzahl von Einbauten wie beispielsweise Gurtförderer, Einschienenhängebahnen, Versorgungsleitungen, Wasserrohre und Wetterlutten angeordnet ist, die einerseits das häufig erforderliche Verspannen von Schnüren erheblich behindert und andererseits sowohl dafür als auch für die tatsächliche Ermittlung der in Rede stehenden Abstandslängen mit den obengenannten Meßvorrichtungen zumindest eine gute körperliche Verfassung und Beweglichkeit der vorgenannten Personen voraus­ setzen. Abgesehen davon, daß eine solche Ermittlung entweder sehr personal- oder sehr zeitaufwendig ist.

Aus den vorstehenden Gründen liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Querschnittserfassung in untertägigen Grubenbauen und eine Vorrichtung zur Durchfüh­ rung dieses Verfahrens zur Verfügung zu stellen, mit denen fiktiv in einem Querschnitt eines Grubenbaus angeordnete geradlinige Abstände zwischen je zwei vorbestimmten Fixpunkten ohne das in vielen Fällen erforderliche aufwendige Verspannen von Schnüren und das ebenfalls aufwendige Anlegen mehr oder weniger sperriger körperlicher Meßvorrichtungen zum persönli­ chen optischen Vergleich und damit mit einem erheblich reduzierten Personal- und Zeitaufwand zu vermessen sind, wobei gleichzeitig trotz der in untertägigen Grubenbauen - insbeson­ dere in Strecken - eingeschränkten Sicht- und Platzverhältnisse zumindest eine unmittelbare erste rechnerische Auswertung der Meßergebnisse und damit die sofortige Entscheidung über eine eventuell erforderliche Kontrollmessung ermöglicht wird.

Diese Aufgabe löst die vorliegende Erfindung mit Hilfe der gesamten Merkmalskombination des Patentanspruchs 1.

Dabei erweist es sich als besonders vorteilhaft, daß zur Erfassung der einen ausgewählten Querschnitt eines Grubenbaus charakterisierenden Meßwerte in diesem kurzzeitig ein trans­ portabler Satz von Ultraschallsensoren bekannter Art angeordnet wird, die signalübertragend mit einem ebenfalls transportablen gemeinsamen Meßcomputer ebenfalls bekannter Art verbunden sind, von denen mindestens drei in räumlich unveränderlicher Position gegeneinander und gegenüber der Begrenzungslinie des Quer­ schnitts des Grubenbaus fixiert werden und von denen mindestens ein weiterer variabel im Querschnitt des Grubenbaus positionierbar ist, daß mit den Ultraschallsensoren im Reflexionsbetrieb und/oder im Direktstrahlbetrieb zwischen dem an festgelegte Punkte der Begrenzungslinie des Querschnitts des Grubenbaus gebrachten variabel positionierbaren und jeweils einem der räumlich fixierten Ultraschallsensoren die erforder­ lichen Abstandslängen bestimmt werden und daß die gemessenen Abstandslängen unmittelbar an den Meßcomputer übergeben, auf dessen Display ausgewiesen, zumindest einer ersten rechneri­ schen Auswertung unterzogen und für eine Weiterverarbeitung übertage gespeichert werden, weil es damit zunächst möglich ist, die Zahl der für die Erfassung des jeweiligen Querschnitts eines Grubenbaus, beispielsweise einer Strecke, erforderlichen Personen auf maximal zwei zu begrenzen, die zunächst die min­ destens drei transportablen Ultraschallsensoren räumlich unveränderlich im Querschnitt anordnen und von denen dann eine den Meßcomputer bedient und die andere den variabel positio­ nierbaren Ultraschallsensor handhabt. Die Auslösung der ein­ zelnen Ultraschallsensoren zur Längenmessung vorgegebener Ab­ stände oder Teilabstände zwischen je zwei festgelegten Fix­ punkten mittels Ausnutzung der Laufzeit der Ultraschallwellen - die eine aufwendige Verspannung von Schnüren und Handhabung mehr oder weniger sperriger körperlicher Meßvorrichtungen er­ übrigt - kann dann vorteilhafterweise sowohl für Reflexions­ messungen jeweils eines Ultraschallsensors als auch für Direktstrahlmessungen zwischen dem variabel positionierbaren und jeweils einem der mindestens drei räumlich unveränderlichen Ultraschallsensoren nacheinander zentral vom Meßcomputer aus erfolgen, wobei Reflexionsmessungen dann vorzuziehen sind, wenn zwischen dem jeweiligen Ultraschallsensor und dem anzupeilenden reflektierenden Objekt, beispielsweise der Sohle des Gruben­ baus, keine die Messung verfälschenden Hindernisse vorhanden sind, während Direktstrahlmessungen angezeigt sind, wenn zwischen dem an die Stelle des ursprünglich bestimmten reflek­ tierenden Objekts, beispielsweise einem speziellen Fleck auf einem der Stöße des Grubenbaus, tretenden variabel posi­ tionierbaren Ultraschallsensor als Sender und dem als Empfänger vorbestimmten räumlich unveränderlichen Ultraschallsender ein reflektierendes Hindernis, beispielsweise ein Gurtförderer, liegt, das jedoch von einem Teil der abgestrahlten Ultra­ schallwellen umgangen wird. Außerdem erlaubt die Verwendung eines transportablen Meßcomputers eine unmittelbare erste rechnerische Auswertung der ermittelten Abstandslängen, die zumindest soweit durchgeführt werden kann, daß die Plausibi­ lität des Ergebnisses oder die Notwendigkeit der direkten Wiederholung der Querschnittserfassung erkennbar wird. Die Speicherung der Meßergebnisse gestattet darüber hinaus in vor­ teilhafter Weise eine beliebig umfangreiche digitale Weiterver­ arbeitung aller Ergebnisse nach der Rückkehr nach übertage und der direkten Übergabe der Meßwerte auf eine leistungsfähigere Datenverarbeitungsanlage, wobei sich dann auch noch der weitere Vorteil ergibt, die gewonnenen Meßwerte nicht erst zeitaufwen­ dig von Hand in den übertägigen Rechner eingeben zu müssen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des vorliegenden Verfahrens liegt auch dann vor, wenn die Fixierung der mindestens drei in räumlich unveränderlicher Position gegeneinander angeordneten Ultraschallsensoren gegenüber der Begrenzungslinie des Quer­ schnitts des Grubenbaus über eine an einem Fixpunkt dieser Begrenzungslinie festlegbare Halterung erfolgt, deren Länge als weitere Abstandslänge in die Erfassung des Querschnitts einbe­ zogen wird, da damit auf einfache Art und Weise ein weiterer Meßwert für die Querschnittserfassung zu gewinnen ist, was auch dann gilt, wenn vorteilhafterweise die Halterung eine variabel einstellbare Länge aufweist, die während der Erfassung eines Querschnitts eines Grubenbaus mindestens einmal separat be­ stimmt wird und darüber hinaus die Bestimmung der Länge der Halterung mittels eines dauerhaft mit dieser gekoppelten Weg­ meßsystems bekannter Art vorgenommen wird.

Als vorteilhaft ist auch eine Weiterbildung des in Rede stehenden Verfahrens anzusehen, bei der die Abstandslänge(n) zwischen den mindestens drei in räumlich unveränderlicher Position gegeneinander angeordneten Ultraschallsensoren als weitere Abstandslänge(n) in die Erfassung des Querschnitts eines Grubenbaus einbezogen wird/werden, weil damit eine oder mehrere zusätzliche Bestimmungsgrößen für die Querschnitts­ erfassung gewonnen werden, die als konstante Werte vorliegen und als solche von vornherein im Meßcomputer speicherbar sind.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist auch dann gegeben, wenn der Meßcomputer derart vorbereitet ist, daß die Einzelschritte der Erfassung des Querschnitts des Grubenbaus auf seinem Display in vorgegebener Reihenfolge angefordert werden, da mit einer solchen vorgege­ benen Meßroute sichergestellt wird, daß alle für eine Quer­ schnittserfassung erforderlichen Meßwerte tatsächlich voll­ ständig und eindeutig aufgenommen werden, was dann vorteil­ hafterweise dazu weiterentwickelt werden kann, daß der Meßcomputer derart vorbereitet und mit Daten versorgt ist, daß nach der Aufnahme eines vollständigen Satzes von Abstandslängen unmittelbar sowohl der aktuelle Querschnitt des Grubenbaus als auch eventuelle Abweichungen gegenüber der letzten vorangegan­ genen Erfassung desselben Querschnitts ermittelt und angezeigt werden.

Als besonders vorteilhaft erweist sich auch eine Vorrichtung zur Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens, die aus mehreren transportablen Teilen besteht, von denen eines eine Anordnung von mindestens drei von einem starren Gestell in räumlich unveränderlicher gegenseitiger Position gehaltenen Ultraschallsensoren bekannter Art darstellt, wobei letztere einerseits alle in einer von ihnen gemeinsam aufgespannten Ebene gehalten werden und andererseits die von ihren Sendern abgestrahlten Ultraschallstrahlenbündel mit ihren Bündelachsen ebenfalls in dieser Ebene liegen, die von ihren Empfängern registrierbaren Ultraschallwellen jedoch von anderen Ultra­ schallsendern oder von reflektierenden Objekten abgestrahlt sein können, die in einem größeren räumlichen Einfallskegel um die vorgenannten Bündelachsen angeordnet sind, eines eine Hal­ terung mit unveränderlicher oder variabler, aber bestimmbarer Länge ist, die einerseits an einem Fixpunkt der Begrenzungs­ linie des zu erfassenden Querschnitts eines Grubenbaus fest­ legbar ist und andererseits die vorgenannte Anordnung während der Erfassung eines Querschnitts eines Grubenbaus in einer räumlich unveränderlichen Position gegenüber der Begrenzungs­ linie dieses Querschnitts hält, eines eine Einheit von mindestens einem Ultraschallsensor bekannter Art darstellt, der variabel im Querschnitt des Grubenbaus und an vorgegebenen Punkten von dessen Begrenzungslinie positionierbar ist, und eines ein Meßcomputer ist, der mit allen Ultraschallsensoren und einem gegebenenfalls für die Längenbestimmung der vorge­ nannten Halterung mit diesem verbundenen Wegmeßsystem signal­ leitend verbunden ist, weil damit in jedem zu vermessenden Querschnitt eines Grubenbaus und insbesondere einer mit einer Vielzahl von Einbauten versehenen Strecke jedes gewünschte Muster von fiktiven geradlinigen räumlichen Abständen zwischen je zwei vorbestimmten Fixpunkten ohne aufwendiges Verspannen von Schnüren und Handhaben von mehr oder weniger sperrigen und Bewegungsraum benötigenden körperlichen Meßvorrichtungen in kurzer Zeit aufgenommen und soweit ausgewertet werden kann, daß zumindest eine Entscheidung über eine eventuell notwendige Kontrollmessung für die Querschnittserfassung des Grubenbaus getroffen werden kann. Dabei sind vorteilhafterweise für die Handhabung der gesamten Vorrichtung maximal zwei Personen er­ forderlich, insbesondere dann, wenn außerdem sowohl die Anord­ nung von mindestens drei Ultraschallsensoren als auch die Hal­ terung, die Einheit aus mindestens einem Ultraschallsensor und der Meßcomputer tragbar sind.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der vorgenannten Vorrichtung ist auch dann gegeben, wenn die Anordnung aus mindestens drei Ultraschallsensoren genau drei solche Ultraschallsensoren um­ faßt, die so gegeneinander ausgerichtet sind, daß die Strah­ lenbündel zweier Ultraschallsensoren in entgegengesetzter Richtung ihrer Bündelachsen und das Strahlenbündel des dritten Ultraschallsensors mit senkrecht zu den vorgenannten Bündel­ achsen verlaufender Bündelachse abgestrahlt wird/werden, wobei das starre Gestell einen minimal dimensionierten kompakten Körper geeigneter Gestalt mit Anschlagmitteln bekannter Art sowohl für die drei Ultraschallsensoren als auch für die Halterung darstellt, da eine solche Vorrichtung mit geringem Aufwand gestattet, nicht oder nur sehr geringfügig durch Kon­ vergenz oder Gebirgsdruck beeinflußte Grubenbaue präziser und schneller als mit dem bekannten Dreipunktverfahren zu vermessen und außerdem die Meßwerte noch vor Ort einer ersten Auswertung zu unterziehen - jedenfalls dann, wenn die Halterung so orientiert ist, daß ihre Längsausdehnung in der Vertikalen be­ kannt oder meßbar ist, und die Ultraschallsensoren so ange­ ordnet sind, daß die Bündelachsen der von den beiden gegenein­ ander ausgerichteten Ultraschallsensoren abstrahlbaren Strah­ lenbündel horizontal und diejenige des von dem dritten Ultra­ schallsensor abstrahlbaren Strahlenbündels vertikal ver­ läuft/verlaufen.

Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Vorrichtung ist es dagegen als Vorteil anzusehen, daß die Anordnung aus mindestens drei Ultraschallsensoren fünf Ultraschallsensoren umfaßt, die so gegeneinander ausgerichtet sind, daß die Strah­ lenbündel jeweils zweier der Ultraschallsensoren in entgegen­ gesetzter Richtung ihrer Bündelachsen abgestrahlt werden, die Bündelachsen der Strahlenbündel der so ausgerichteten unter­ schiedlichen Paare von Ultraschallsensoren jedoch in vorgege­ benem Abstand parallel zueinander verlaufen, und das Strahlen­ bündel des verbleibenden einzelnen Ultraschallsensors mit senkrecht zu den vorgenannten Bündelachsen in der von diesen aufgespannten Ebene verlaufender Bündelachse abgestrahlt wird, wobei das starre Gestell eine stangenförmige Achse vorgegebener Länge und geeigneten Querschnitts ist, die an ihrem einen Ende drei und an ihrem anderen Ende zwei der Ultraschallsensoren sowie an letzterem außerdem ein Anschlagmittel bekannter Art für die Halterung trägt, da sich damit sowohl das Fünfpunktver­ fahren in nicht oder durch Konvergenz und/oder Gebirgsdruck nur geringfügig beeinflußten Grubenbauen als auch die Konvergenz­ messung in deutlich durch Konvergenz und/oder Gebirgsdruck beeinflußten Grubenbauen mit geringem Aufwand und sehr präzise durchführen läßt, wobei bei der Konvergenzmessung gegenüber der Messung nach dem Stand der Technik vorteilhafterweise ohne merklichen Zusatzaufwand weitere Meßwerte dadurch gewinnbar sind, daß von den bisher durch Nägel markierten vier Punkten an den beidseitigen Stößen des Grubenbaus - jedenfalls dann, wenn die die Ultraschallsensoren verbindende stangenförmige Achse vertikal orientiert ist und die Bündelachsen der von den Ultraschallsensoren abstrahlbaren Strahlenbündel in der Ebene dem zu vermessenden Grubenbau-Querschnitts liegen - mittels Ultraschallsensoren jeweils drei Abstandslängen in unmittel­ barer Folge ermittelbar sind, nämlich zum einen zur Sohle und zum anderen zu zwei räumlich unveränderlich angeordneten Ultraschallsensoren, so daß sich mit den bestimmbaren Teilab­ schnittslängen auf dem bisherigen Lot - die durch die Halte­ rung, die stangenförmige Achse und den einzelnen in Verlänge­ rung der stangenförmigen Achse ausgerichteten Ultraschallsensor geliefert werden - insgesamt 15 anstelle von vorher 11 Meßwerten pro zu erfassendem Querschnitt ergeben. Dies ergibt seinerseits den Vorteil, daß auf die ursprünglich erforderliche Montage der vier obengenannten Nägel verzichtet werden kann, wenn für wenigstens einen einzigen Punkt des zu erfassenden Querschnitts eine mathematische Relation zur theoretischen Kurvenform des ursprünglichen ungestörten Ausbaus des Gruben­ baus bekannt ist, die dem Meßcomputer vor der Durchführung der ersten Auswertung der Meßwerte eingegeben wird.

Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es auch als Vorteil anzusehen, daß die Halterung eine teleskopierbare Stange ist, die mit einem eigenen Wegmeßsystem zur Bestimmung ihrer jeweils aktuellen Länge und an ihren Enden mit geeigneten Anschlagmitteln bekannter Art zur Festlegung am Ausbau des Grubenbaus einer­ seits und der Anordnung von mindestens drei Ultraschallsensoren andererseits versehen ist, weil mit einer solchen Halterung stets automatisch eine lotrechte Fixierung der Anordnung von mindestens drei räumlich unveränderlich anzuordnenden Ultra­ schallsensoren und - sofern erforderlich - eine automatisch kontrollierbare Anpassung der Lage der Ultraschallsensoren an den Abstand Firste-Sohle erreichbar ist. Entsprechende Vorteile sind bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Vor­ richtung gegeben, bei der die Halterung ein auf der Sohle des Grubenbaus aufsetzbares teleskopierbares Stativ ist, das mit einem eigenen Wegmeßsystem zur Bestimmung seiner jeweils aktuellen Höhe und an seinem oberen Ende mit einem geeigneten Anschlagmittel bekannter Art zur Festlegung der Anordnung von mindestens drei Ultraschallsensoren an diesem Ende versehen ist, wobei hier auch noch darauf verzichtet werden kann, die Halterung an einem geeigneten Anschlag des Ausbaus, vorzugs­ weise im Bereich der Firste, festlegen zu müssen - insbesondere dann, wenn der Abstand Firste-Sohle nicht ohne den Sicherheits­ vorschriften entsprechende Hilfsmittel zu überwinden ist.

Vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform der in Rede stehenden Vorrichtung, bei der die Einheit von mindestens einem Ultra­ schallsensor zwei Ultraschallsensoren aufweist, die so gegen­ einander ausgerichtet und mit minimalem gegenseitigem Abstand kraftschlüssig miteinander verbunden sind, daß die Bündelachsen der von ihnen abgestrahlten Strahlenbündel senkrecht aufeinander stehen, weil damit erreicht wird, daß nach einmaliger Positionierung der variabel positionierbaren Einheit von mindestens einem Ultraschallsensor an einem Ort innerhalb des zu erfassenden Querschnitts, vorzugsweise an dessen Begrenzungslinie im Bereich eines der beiden seitlichen Stöße des Grubenbaus, ohne Positionsänderung in unmittelbarer Folge sowohl Abstandsmessungen zu den erreichbaren räumlich unver­ änderlich angeordneten Ultraschallsensoren als auch zur Sohle durchführbar sind. In ganz besonders vorteilhafter Weise ist dies außerdem vorzunehmen, wenn die Einheit mit zwei senkrecht zueinander ausgerichteten Ultraschallsensoren im Querschnitt des Grubenbaus von Hand variabel positionierbar und ausrichtbar ist.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und ihrer möglichen Anwendungsformen ist in der Zeichnung darge­ stellt.

Es zeigen:

Fig. 1 Bestandteil einer Vorrichtung zur Querschnitts­ erfassung in untertägigen Grubenbauen in schemati­ scher Darstellung.

Fig. 2 Anordnung einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 zur Durch­ führung des Fünfpunktverfahrens in einem ungestörten untertägigen Streckenquerschnitt in schematischer Darstellung.

Fig. 3 Anordnung einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 zur Durch­ führung einer Konvergenzmessung in einem durch Kon­ vergenz und/oder Gebirgsdruck deutlich verformten untertägigen Streckenquerschnitt in schematischer Darstellung.

Die Fig. 1 zeigt zunächst eine Anordnung 1 von mindestens drei Ultraschallsensoren 2, 3, 4, 5, 6, die über eine stangenförmige Achse 7 geeigneten Querschnitts starr miteinander verbunden sind, und zwar so, daß von den im dargestellten Fall vorhan­ denen fünf Ultraschallsensoren 2, 3, 4, 5, 6 an einem Ende der stangenförmigen Achse 7 zwei und an deren anderem Ende drei angeordnet sind. Dabei sind die Ultraschallsensoren 2, 3, 4, 5 so ausgerichtet, daß sie an jedem Ende der stangenförmigen Achse 7 die von ihnen abzustrahlenden Ultraschall-Strahlenbündel paar­ weise in entgegengesetzte Richtungen von deren Bündelachsen aussenden, jeweils ein Ultraschallsensor 2, 3 des Paares am einen Ende der stangenförmigen Achse 7 jedoch parallel zu einem der Ultraschallsensoren 4, 5 des Paares am anderen Ende. Der verbleibende Ultraschallsensor 6 an dem mit drei Ultraschall­ sensoren 4, 5, 6 bestückten Ende der stangenförmigen Achse 7 ist dagegen so ausgerichtet, daß die Bündelachse des von ihm abzu­ strahlenden Strahlenbündels in die Verlängerung der stangen­ förmigen Achse 7 und damit zwangsläufig auch in die von den Bündelachsen der vorgenannten Ultraschallsensoren 2, 3, 4, 5 aufgespannte Ebene fällt. Das nur mit zwei Ultraschallsensoren 2, 3 bestückte Ende der stangenförmigen Achse 7 ist außerdem mit einem Anschlagmittel 8 bekannter Art, beispielsweise mit einem Haken oder einer Öse versehen, wobei sich die Wahl dieses Anschlagmittels 8 für den Fachmann aus dem jeweils zu erfül­ lenden Zweck ergibt.

Weiterhin zeigt die Fig. 1 eine Halterung 9, die hier in Form einer teleskopierbaren Stange 10 dargestellt ist, jedoch auch durch jedes gleichwirkende Mittel bekannter Art verifizierbar ist, beispielsweise durch ein auf der Sohle des Grubenbaus aufstellbares teleskopierbares Stativ, das dann lediglich eine Drehung der Anordnung 1 um 180° erfordert, um die Anordnung 1 an diesem Stativ festlegen zu können. Die teleskopierbare Stange 10 ist an ihren beiden Enden mit je einem Anschlagmittel 11, 12 bekannter Art, beispielsweise Haken oder Ösen, die selbstverständlich auch durch jedes andere Mittel gleichartiger Wirkung ersetzbar sind, versehen und außerdem mit einem Weg­ meßsystem 13 an sich bekannter Art bestückt, mit dem die jeweils tatsächlich vorliegende Länge dieser teleskopierbaren Stange 10 bzw. der Halterung 9 automatisch bestimmbar ist.

Neben den vorgenannten Bestandteilen der in Rede stehenden Vorrichtung zeigt die Fig. 1 im weiteren noch eine Einheit 14 von mindestens einem Ultraschallsensor 15, 16, die im darge­ stellten Fall aus zwei mit den Bündelachsen der von ihnen abzustrahlenden Strahlenbündel senkrecht zueinander ausge­ richteten und fest miteinander verbundenen Ultraschallsensoren 15, 16 zusammengesetzt ist, wobei die spezielle Verbindung hier - wie auch schon bei der Darstellung der Anordnung 1 - nicht explizit dargestellt ist, weil sie von an sich bekannter Art und nicht erfindungswesentlich ist.

Als letzten Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt die Fig. 1 einen Meßcomputer 17, der wie alle bisher genannten Bestandteile der Vorrichtung zumindest als transportabel, vor­ zugsweise aber als von Hand tragbar, vorausgesetzt ist. Der Meßcomputer ist über mehrere Kabelverbindungen 18, 19, 20, 21 mit allen Ultraschallsensoren 2, 3, 4, 5, 6, 15, 16 und dem Wegmeßsystem 13 der Halterung 9 signalleitend verbunden, um einerseits auf seinem Display nicht nur die einzelnen Arbeitsschritte der Querschnittserfassung eines Grubenbaus als Meßroute in vorge­ gebener Reihenfolge anzufordern und die gewonnenen Meßwerte anzuzeigen, sondern andererseits auf entsprechende externe Veranlassung auch die Meßvorgänge auszulösen und zu steuern, die Ergebnisse zu speichern und eine erste Auswertung vorzu­ nehmen.

Die Fig. 2 zeigt die Verwendung der in Fig. 1 gezeigten Vor­ richtung für die Querschnittserfassung einer als Beispiel eines Grubenbaus betrachteten weitgehend ungestörten Strecke, wobei die bereits in Fig. 1 benutzten Bezugszeichen dieselben Ele­ mente wie dort bezeichnen. Die Halterung 9 ist in der Firste 22 eingehängt und hält die Anordnung 1 lotrecht unter der Firste 22. Von der zu ermittelnden vertikalen Abstandslänge Firste-Sohle sind die Länge der Halterung 9 durch Voreinstellung oder separate Messung und die Länge der stangenförmigen Achse 7 bereits bekannt. Die Länge des fehlenden vertikalen Teilab­ schnitts zwischen Ultraschallsensor 6 und Sohle 23 wird mittels Reflexionsmessung dieses Ultraschallsensors 6 ermittelt. Die horizontalen Teilabstände 24, 25, 26, 27 und damit die horizon­ talen Stoßabstände in zwei unterschiedlichen Höhen über der Sohle 23 - die hier nicht zwangsläufig 1 m und 2 m betragen müssen, da der Meßcomputer bereits bei Kenntnis der Länge der Halterung 9 oder der stangenförmigen Achse 7 selbständig auf den theoretischen Kurvenverlauf des Ausbaus im Streckenquer­ schnitt zurückrechnen kann - werden durch Direktstrahlmessungen zwischen einem der Ultraschallsensoren 15, 16 der nacheinander an den Schnittpunkten der horizontalen Teilabschnitte 24, 25, 26, 27 mit den beidseitigen Streckenstößen 28, 29 positionierten Einheit 14 und dem jeweils horizontal gegen­ überliegenden Ultraschallsensor 2, 3, 4, 5 - deren durch die Bündelachsen der von ihnen abgestrahlten Strahlenbündel aufge­ spannte Ebene zuvor mit der Ebene des zu erfassenden Strecken­ querschnitts zur Deckung gebracht worden ist - ermittelt. Dazu muß die die Einheit 14 handhabende Person im Gegensatz zum Stand der Technik lediglich nur zwei Standorte in der Nähe der Streckenstöße 28, 29 aufsuchen, um von dort aus jeweils zwei unterschiedliche Positionierungen der Einheit 14 vornehmen zu können. Die Bestimmung der Stoßabstände in jeweils zwei Teil­ abständen bietet im übrigen eine zusätzliche Kontrolle über den ungestörten Zustand des erfaßten Streckenquerschnitts.

Die Fig. 3 zeigt die Verwendung der in Fig. 1 offenbarten Vorrichtung zur Querschnittserfassung einer als Beispiel für einen Grubenbau dienenden Strecke, die durch Konvergenz und/oder Gebirgsdruck bereits erheblich verformt worden ist. Dabei bezeichnen bereits in den Fig. 1 und 2 verwendete Bezugszeichen dieselben Elemente wie dort. Die Halterung 9 ist hier im Ausbau eingehängt, wobei dies im vorliegenden Fall nicht zwangsläufig in der Firste sein muß, wie weiter unten noch begründet wird, und hält die Anordnung 1 wiederum lotrecht unter dem Aufhängepunkt. Zur Feststellung der Länge des verti­ kalen Abstandes Aufhängepunkt-Sohle sind auch hier die Längen der Halterung 9 aus Voreinstellung oder separater Messung und der stangenförmigen Achse 7 bereits bekannt, so daß nur noch die vertikale Entfernung zwischen Ultraschallsensor 6 und durch Konvergenz verformter Sohle 30 mittels einer Reflexionsmessung des Ultraschallsensors 6 durchzuführen ist. Sodann werden nach Ausrichtung der von den Bündelachsen der von den Ultraschall­ sensoren 2, 3, 4, 5 abzustrahlenden Strahlenbündel aufgespannten Ebene in der Ebene des Streckenquerschnitts von jeweils zwei unterschiedlichen Positionen 33, 34 bzw. 35, 36 an den hier verformten beiderseitigen Streckenstößen 31, 32 - die nicht zwangsläufig mit den im Stand der Technik durch ursprünglich angebrachte Nägel definierten Positionen übereinstimmen müssen, wie weiter unten noch begründet wird - je eine vertikale Abstandsmessung zur Sohle 30 mittels Reflexionsmessung des vertikal nach unten ausgerichteten Ultraschallsensors 15 der Einheit 14 sowie je eine Abstandsmessung mittels Direkt­ strahlmessung zwischen dem horizontal ausgerichteten Ultra­ schallsensor 16 der Einheit 14 und den dem jeweiligen Streckenstoß 31, 32 zugewandten Ultraschallsensoren 2, 4 bzw. 3, 5. vorgenommen. Die so erfaßten insgesamt 15 Abstandslängen innerhalb des zu erfassenden Streckenquerschnitts sind für den Meßcomputer 17 hinreichend, um bei Kenntnis des ursprünglichen theoretischen Kurvenverlaufs des Ausbaus in dem erfaßten Streckenquerschnitt und einer Relation zwischen einem Punkt des erfaßten Streckenquerschnitts oder seiner Begrenzungslinie und des ursprünglichen Streckenquerschnitts oder seiner Begren­ zungslinie eine eindeutige Berechnung der Fläche des vorlie­ genden Streckenquerschnitts und seiner zwischenzeitlich erfolgten Veränderungen gegenüber vorangegangenen Erfassungen durchzuführen. Die die Einheit 14 handhabende Person braucht auch im vorbeschriebenen Fall nur zwei unterschiedliche Stand­ orte in der Nähe der Streckenstöße 31, 31 aufzusuchen, um in kurzer Zeit sämtliche erforderlichen Abstandslängen zu bestimmen.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine wesentliche Vereinfachung und Beschleunigung der Querschnittserfassung von untertägigen Grubenbauen und verringert gleichzeitig das Sicherheitsrisiko für das Bedienungspersonal in erheblichem Umfang.

Bezugszeichenliste

1 Anordnung von mindestens drei Ultraschall­ sensoren
2, 3, 4, 5, 6, 15, 16 Ultraschallsensoren
7 stangenförmige Achse
8, 11, 12 Anschlagmittel
9 Halterung
10 teleskopierbare Stange
13 Wegmeßsystem
14 Einheit von mindestens einem Ultraschall­ sensor
17 Meßcomputer
18, 19, 20, 21 Kabelverbindungen
22 Firste
23 Sohle
24, 25, 26, 27 horizontale Teilabstände
28, 29 Streckenstöße
30 verformte Sohle
31, 32 verformte Streckenstöße
33, 34, 35, 36 Positionen der Einheit 14 an den Strecken­ stößen 31, 32

Claims (15)

1. Verfahren zur Querschnittserfassung in untertägigen Grubenbauen, bei dem in jedem nach Form und Fläche zu bestimmenden Querschnitt eines Grubenbaus die jeweilige Länge mehrerer unter Bildung eines vorgegebenen Musters fiktiv in diesem Querschnitt angeordneter geradliniger räumlicher Abstände zwischen je zwei vorbestimmten Fix­ punkten gemessen und anschließend aus dem so gewonnenen Satz von Meßwerten in Form von Abstandslängen die tat­ sächliche Querschnittsform und -fläche sowie aus mehreren solcher Sätze der momentane Zustand und Verlauf eines Grubenbauabschnitts oder eines vollständigen Grubenbaus berechnet und/oder gezeichnet wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Erfassung der einen ausgewählten Querschnitt eines Grubenbaus charakterisierenden Meßwerte in diesem kurz­ zeitig ein transportabler Satz von Ultraschallsensoren bekannter Art angeordnet wird, die signalübertragend mit einem ebenfalls transportablen gemeinsamen Meßcomputer ebenfalls bekannter Art verbunden sind, von denen min­ destens drei in räumlich unveränderlicher Position gegen­ einander und gegenüber der Begrenzungslinie des Quer­ schnitts des Grubenbaus fixiert werden und von denen min­ destens ein weiterer variabel im Querschnitt des Gruben­ baus positionierbar ist,
daß mit den Ultraschallsensoren im Reflexionsbetrieb und/oder im Direktstrahlbetrieb zwischen dem an festge­ legte Punkte der Begrenzungslinie des Querschnitts des Grubenbaus gebrachten variabel positionierbaren und je­ weils einem der räumlich fixierten Ultraschallsensoren die erforderlichen Abstandslängen bestimmt werden und daß die gemessenen Abstandslängen unmittelbar an den Meß­ computer übergeben, auf dessen Display ausgewiesen, zu­ mindest einer ersten rechnerischen Auswertung unterzogen und für eine Weiterverarbeitung übertage gespeichert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fixierung der mindestens drei in räumlich unver­ änderlicher Position gegeneinander angeordneten Ultra­ schallsensoren gegenüber der Begrenzungslinie des Quer­ schnitts des Grubenbaus über eine an einem Fixpunkt dieser Begrenzungslinie festlegbare Halterung erfolgt, deren Länge als weitere Abstandslänge in die Erfassung des Querschnitts einbezogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung eine variabel einstellbare Länge auf­ weist, die während der Erfassung eines Querschnitts eines Grubenbaus mindestens einmal separat bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Länge der Halterung mittels eines dauerhaft mit dieser gekoppelten Wegmeßsystems bekannter Art vorgenommen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandslänge(n) zwischen den mindestens drei in räumlich unveränderlicher Position gegeneinander angeord­ neten Ultraschallsensoren als weitere Abstandslänge(n) in die Erfassung des Querschnitts eines Grubenbaus einbezogen wird/werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis, 5 dadurch gekennzeichnet, daß der Meßcomputer derart vorbereitet ist, daß die Ein­ zelschritte der Erfassung des Querschnitts des Grubenbaus auf seinem Display in vorgegebener Reihenfolge angefordert werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßcomputer derart vorbereitet und mit Daten versorgt ist, daß nach der Aufnahme eines vollständigen Satzes von Abstandslängen unmittelbar sowohl der aktuelle Querschnitt des Grubenbaus als auch eventuelle Abweichun­ gen gegenüber der letzten vorangegangenen Erfassung des­ selben Querschnitts ermittelt und angezeigt werden.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus mehreren transportablen Teilen besteht, von denen
eines eine Anordnung (1) von mindestens drei von einem starren Gestell in räumlich unveränderlicher gegenseitiger Position gehaltenen Ultraschallsensoren (2, 3, 4, 5, 6) be­ kannter Art darstellt, wobei letztere einerseits alle in einer von ihnen gemeinsam aufgespannten Ebene gehalten werden und andererseits die von ihren Sendern abgestrahl­ ten Ultraschallstrahlenbündel mit ihren Bündelachsen eben­ falls in dieser Ebene liegen, die von ihren Empfängern re­ gistrierbaren Ultraschallwellen jedoch von anderen Ultra­ schallsendern (15, 16) oder von reflektierenden Objekten (23, 30) abgestrahlt sein können, die in einem größeren räumlichen Einfallskegel um die vorgenannten Bündelachsen angeordnet sind,
eines eine Halterung (9) mit unveränderlicher oder variab­ ler, aber bestimmbarer Länge ist, die einerseits an einem Fixpunkt (22) der Begrenzungslinie des zu erfassenden Querschnitts eines Grubenbaus festlegbar ist und anderer­ seits die vorgenannte Anordnung (1) während der Erfassung eines Querschnitts eines Grubenbaus in einer räumlich un­ veränderlichen Position gegenüber der Begrenzungslinie dieses Querschnitts hält,
eines eine Einheit (14) von mindestens einem Ultraschall­ sensor (15, 16) bekannter Art darstellt, der variabel im Querschnitt des Grubenbaus und an vorgegebenen Punkten von dessen Begrenzungslinie (33, 34, 35, 36) positionierbar ist, und
eines ein Meßcomputer (17) ist, der mit allen Ultra­ schallsensoren (2, 3, 4, 5, 6, 15, 16) und einem gegebenenfalls für die Längenbestimmung der vorgenannten Halterung (9) mit dieser verbundenen Wegmeßsystem (13) signalleitend verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Anordnung (1) von mindestens drei Ultra­ schallsensoren (2, 3, 4, 5, 6) als auch die Halterung (9), die Einheit (14) aus mindestens einem Ultraschallsensor (15, 16) und der Meßcomputer (17) tragbar sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung (1) aus mindestens drei Ultraschall­ sensoren (2, 3, 4, 5, 6) genau drei solche Ultraschallsensoren umfaßt, die so gegeneinander ausgerichtet sind, daß die Strahlenbündel zweier Ultraschallsensoren in entgegen­ gesetzter Richtung ihrer Bündelachsen und das Strahlen­ bündel des dritten Ultraschallsensors mit senkrecht zu den vorgenannten Bündelachsen verlaufender Bündelachse abge­ strahlt wird/werden, wobei das starre Gestell einen mini­ mal dimensionierten kompakten Körper geeigneter Gestalt mit Anschlagmitteln bekannter Art sowohl für die drei Ultraschallsensoren als auch für die Halterung (9) dar­ stellt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung (1) aus mindestens drei Ultraschall­ sensoren (2, 3, 4, 5, 6) fünf Ultraschallsensoren umfaßt, die so gegeneinander ausgerichtet sind, daß die Strahlenbündel jeweils zweier der Ultraschallsensoren (2, 3, 4, 5) in ent­ gegengesetzter Richtung ihrer Bündelachsen abgestrahlt werden, die Bündelachsen der Strahlenbündel der so ausge­ richteten unterschiedlichen Paare von Ultraschallsensoren (2, 3; 4, 5) jedoch in vorgegebenem Abstand parallel zuein­ ander verlaufen, und das Strahlenbündel des verbleibenden einzelnen Ultraschallsensors (6) mit senkrecht zu den vorgenannten Bündelachsen in der von diesen aufgespannten Ebene verlaufender Bündelachse abgestrahlt wird, wobei das starre Gestell eine stangenförmige Achse (7) vorgegebener Länge und geeigneten Querschnitts ist, die an ihrem einen Ende drei und an ihrem anderen Ende zwei der Ultraschall­ sensoren (2, 3, 4, 5, 6) sowie an letzterem außerdem ein Anschlagmittel (8) bekannter Art für die Halterung (9) trägt.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (9) eine teleskopierbare Stange (10) ist, die mit einem eigenen Wegmeßsystem (13) zur Bestim­ mung ihrer jeweils aktuellen Länge und an ihren Enden mit geeigneten Anschlagmitteln (11, 12) bekannter Art zur Festlegung am Ausbau (22) des Grubenbaus einerseits und der Anordnung (1) von mindestens drei Ultraschallsensoren (2, 3, 4, 5, 6) andererseits versehen ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (9) ein auf der Sohle (23, 30) des Grubenbaus aufsetzbares teleskopierbares Stativ ist, das mit einem eigenen Wegmeßsystem zur Bestimmung seiner jeweils aktuellen Höhe und an seinem oberen Ende mit einem geeigneten Anschlagmittel bekannter Art zur Festlegung der Anordnung (1) von mindestens drei Ultraschallsensoren (2, 3, 4, 5, 6) an diesem Ende versehen ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit (14) von mindestens einem Ultraschall­ sensor (15, 16) zwei Ultraschallsensoren (15, 16) aufweist, die so gegeneinander ausgerichtet und mit minimalem gegen­ seitigem Abstand kraftschlüssig miteinander verbunden sind, daß die Bündelachsen der von ihnen abgestrahlten Strahlenbündel senkrecht aufeinander stehen.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit (14) mit zwei senkrecht zueinander ausge­ richteten Ultraschallsensoren (15, 16) im Querschnitt des Grubenbaus von Hand variabel positionierbar und aus­ richtbar ist.