DE2062688C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Veränderungen des um einen bergmannischen Hohlraum anstehenden Gebirges mit Hilfe von Meßankern - Google Patents

Description

durch gekt nnzeichnct, daß in mehreren
iüber die Länge jedes Meßankers (I₁ 21) verteilten
Meßebenen (MV; V-VIM; IX-XII) und in jeder

•jMeßcbene ir. einer oder mehreren, senkrecht J"
zueinander verlaufenden Richtungen (9) durch
sich gegenüberliegende, ein Paar bildende Dehnungsmeßstreifen die Verformungen der um die

Meßanker anstehenden Gebirgyschichten (A Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen

bis E; F bis K\ L bis O) als Dehnungen oder Kür- 15 der Veränderungen des um einen bergmännischen

zungen und Biegungen der durch Klebung (18, Hohlraum anstehenden Gebirges mit Hilfe von Meß-

29) mit dem Gebirge fest verbundenen Anker- ankern.

stangen in allen Meßebenen gleichzeitig oder un- Im Bergbau und beim Bau von unterirdischen

mittelbar nacheinander gemessen werden. Räumen, z. 3. Tunnel, Wasserstollen u. dgl. interes-

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- 20 siert das Verhalten des den Hohlraum umgebenden kennzeichnet, daß zusammen mit der Feststellung Gebirge* aus den verschiedensten Gründen, vor aider Verformungsmeßwerte die Konvergenz des lern aber im Hinblick auf die Bemessung des AusGebirges im Grubenraum (40) in der Richtung baues für den betreffenden Hohlraum, mit dem iias festgestellt wird, die durch zwei auf einer gemein- Gebirge sicher und dauerhaft beherrscht werden samen Achse sich gegenüberstehende Meßanker 25 kann. Dabei kommt es darauf an, d'e verschiedenen (43, 44; 41, 42) bestimmt ist. Einflüsse zu erfassen, die das Gebirgsverhalten im

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2. Einzelfall bestimmen. Dazu gehören Feststellungen dadurch gekennzeichnet, daß die Verformungen über das Ausmaß der Störung des Gleichgewichtes der Gebirgsschichten und die Konvergenz des im Gebirge, das den Hohlraum umgibt. Diese Stö-Grubenraumes gleichzeitig in mehreren, insbe- 30 rung ist vor allem die ^olge der Arbeiten zum Aufsondere rechtwinklig zueinander verlaufenden fahren des betreffenden Raumes. Es interessiert die Richtungen, die durch die Anordnung der Meß- Feststellung, wie tief die Entspannungsbewegungen anker festgelegt sind, gemessen werden. in den Gebirgskörper hineinreichen. Im einzelnen

4. Meßanker zur Durchführung des Verfahrens fehlen bisher insbesondere ausreichende Kenntnisse, nach den Ansprüchen 1 und 2, der mit Einrich- 35 in welchem Maß die Höhe des Gebirgsdruckes, die tungen zur Erfassung und Angabe von Gebirgs- Fähigkeit des betreffenden Gesteins, diesen Druck bewegungen ausgerüstet ist, dadurch gekenn- elastisch aufzunehmen und die zeitliche Änderung zeichnet, daß die Ankerstange (1) Vertiefungen der Spannungsverteilung in der Umgebung des Hohlin Form von Nuten (5,6) oder Ausfräsungen auf- raumes zu größeren Gebirgsverformungen führen,
weist, in die gleichgerichtete Dehnungsmeßstrei- 40 Obwohl es verschiedene Verfahren zur Erfassung fen in gleichen Abständen eingeklebt und mit einzelner Einflußgrößen dieser Art gibt, läßt sich Blechstreifen (15) abgedeckt sind, deren An- doch feststellen, daß wegen der Vielzahl der Ausbauschlußleitungen in den Nuten oder durch die arten auf der einen Seite und der Vielzahl unterhohle Ankerstange geführt sind. schiedlicher Gebirgsverhältnisse, z. B. der Gesteins-

5. Meßanker nach Anspruch 4, dadurch ge- 45 arten, des Einflusses der Gebirgsschichten, der Klüfkennzeichnet, daß er aus mehreren miteinander tigkeit und des Vorhandenseins von Ton-Mineralien, verbundenen Teillängen (22, 23) besteht. sowie der durch Wasseraufnahme aus der Luftfeuch-

6. Meßanker nach den Ansprüchen 4 und 5, tigkeit oder dem Gebirge abhängenden Festigkeitsdadurch gekennzeichnet, daß die Teillängen (22, Verluste auf der anderen Seite, eine sichere Vorher-23) aus Rohren bestehen, die mit Muffen (24) 5» sage über die Standsicherheit der langlebigen Räume mechanisch und mit Steckern elektrisch aneinan- unter Tage ebensowenig wie eine Vorhersage über der angeschlossen sind, wobei das dem Bohrloch- die Standsicherheit kurzlebiger Strecken möglich ist. tiefsten zugeordnete Ankerstück (23) mit einem Man behilft sich statt dessen mit Schätzwerten, durch Stopfen (26) verschlossen ist. die das Gebirge als standfest, gebräch, druckhaft o. ä.

7. Meßanker zur Durchführung des Verfahrens 55 klassifiziert wird. Nach diesen Werten bemißt man nach Anspruch 1, soweit danach in mehreren. empirisch den notwendigen Ausbau bzw. die Afasiüiüber die Länge des Meßankers verteilten Meß- zung des freigelegten Gebirges.

ebenen die Verformungen der um die Meßanker Insbesondere fehlt es bisher an Möglichkeiten, das herum entstehenden Gebirgsschichten als Deh- Verhalten des Gebirges in seinem Inneren ausrcinungen oder Kürzungen bzw. Stauchungen der ίο chend zu messen. Man beschränkt sich deshalb darmit dem Gebirge fest verklebten Ankerstange in auf, die Auswirkungen der Veränderungen im Geallen Meßebenen gleichzeitig gemessen werden birgskörper auf den Rand eines bergmännischen sollen und nach Anspruch2. dadurch gekenn- Hohlraumes zu verfolgen. Das geschieht z.B. durch zeichnet, daß die Ankerstange (69) eine axial ver- häufige Messung des Querschnittes des betreffenden laufende Nut (61) aufweist, deren Tiefstes (62) in 65 Hohlraumes, mit denen man die Veränderungen zu der Mitte (60) der Ankerstange angeordnet ist erfassen sucht, die im L aufe der Zeit oder durch Ab- und die Dehnungsmeßstreifen (63) aufnimmt. baueinwirkungen eintreten,
wobei die Nut nach außen mit einem sie bis zu Allerdings versucht man, den Mangel solcher Quer-

schnittsmessungcn durch Modellversuche zu beheben. Diese Versuche sollen es nümlich ermöglichen, die Vorgänge kennenzulernen, die sich im Gebirge um einen im Gestein oder im Mineral aufgefahrenen Raum abspielen. Wegen der Vielzahl der Einflußgriißcn und der bestehenden Unkenntnis darüber, wie ihre Auswirkungen einzuschätzen sind, lassen sich in solchen Modellen kaum äquivalente Verhältnisse schaffen. Deshalb haben die Modellversuche zwar zu einem besseren Verständnis des Gebirgsverhaltcns wesentlich beigetragen, aber im übrigen Vorhersagen in speziellen Fällen noch nicht ermöglicht.

Zur Messung der Verformungen des Gebirges in der Wandung von Grubenräumen verwendet man häufig Aufblätterungsanker. Damit lassen sich die axialen Deformationen des Gebirges in den Stoßen und in der Firste des Grubenraumes verfolgen. Zu diesem Zweck werden Anker im Bohrlochtiefsten befestigt, wobei das mit dem Gebirgsstoß nicht verspannte Ankerstangenende frei aus dem Gebirge in den Grubenraum ragt. An diesen läßt sich die Deformation des Gebirges als relative Bewegung des Gebirges längs der Ankerstange bestimmen. Mit diesem Prinzip kann man die Auflockerng des Gebirges mit einer Genauigkeit von etwa 1 mm messen. Da auf diese Weise nur Werte ermittelt werden, die d!e Auflockerung des Gebirgskörpers in der durch den Anker erfaßten Tiefe insgesamt wiedergeben, entsteht die Notwendigkeit, durch mehrere Anker verschiedener Länge die Auflockerung des Gebirgskörpers in Abstufungen zu messen. Nach dem gleichen Prinzip arbeiten auch die sogenannten Extensometer.

Diese Verfahren sind nicht nur wegen der Vielzahl der im Einzelfall benötigten Aufblätterungsanker und der damit zusammenhängenden Anzahl der Meßvorgänge außerordentlich aufwendig, sondern auch zu ungenau, weil durch sie nur die axialen Verformungen der Gebirgsschichten, nicht aber deren gegenseitige Verschiebungen bestimmt werden können. Zwar bietet die Verwendung von Endoskopen diesbezügliche Möglichkeiten, doch werden für die Verwendung solcher Meßgeräte weitere Bohrlöcher benötigt, die den Aufwand für die Durchführung solcher Meßverfahren erheblich vergrößern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit Hilfe von wenigen Meßankern alle Verformungen im Inneren eines um einen bergmännischen Hohlraum anstehenden Gebirgskörpers mit hinreichender Genauigkeit zu bestimmen und sie mit Messungen der Veränderungen des Gebirgskörpers an seinen Grenzen zum Hohlraum hin zu kombinieren und dadurch zu vergleichen.

Eriindungsgemäß besteht das neue Verfahren zunächst darin, daß in mehreren über die Länge jedes Meßankers gleichmäßig verteilten und meist aus zwei (ein Paar) sich gegenüberliegenden und gleichgerichteten Dehnungsmeßstreifen bestehenden Meßebenen und gegebenenfalls in jeder Meßebene in zwei senkrecht zueinander verlaufenden Richtungen die Verformungen der um die Meßanker anstehenden Gebirgsschichten als Dehnungen oder Kürzungen und Biegungen der durch Klebung mit dem Gebirge fest verbundenen Ankerstangen in allen Meßebenen gleichzeitig oder unmittelbar nacheinander gemessen werden.

In weiterer Ausbildung der Erfindung wird das neue Verfahren dadurch ergänzt, daß zusammen mit der Feststellung der Verformungen in der Wand des Grubenräume« auch die Konvergenz des Grubenraii" mes in der Richtung festgestellt wir<l, wie sie durch jeweils zwei auf einer gemeinsamen Achse sich gegenüberstehenden Meßanker beiiümmt ist.

Die Auswertung der in den Meßebenen gewonnenen Meßwerte zeigen die Einflüsse des Schichlenaufbaus und der etwa im Gebirgskörpcr vorhandenen Löseflächen, weil vom Meßanker nicht nur die Deformationen der Schichten, sondern gleichzeitig auch

ίο deren Verschiebungen beobachtet werden. Das geschieht mit sehr großer Genauigkeit. Wenn man z. B, auf einer Ankerstange die Meßcbercn im Abstand von 30 bis JO cm festlegt, erhält man Genauigkeiten in der Größenordnung von etwa 1/1UOO mm je Meter

Meßankerlänge. Da man gleichzeitig als Folge mehrerer Ablesungen die zeitliche Abhängigkeit der Verformungen bestimmen kann, läßt sich nach kurzer Zeit eine entsprechend genaue Aussage darüber machen, wie und mit welcher Geschwindigkeit die Be-

wegungen im Gebirgskörper an den ausgewählten Stellen einsetzen und ablaufen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist in der beschriebenen Form ein geschlossenes Meßsystem, wenn man die Deformationen der Gebirgsschichten

und der Konvergenz des Hohlraumes gleichzeitig in mehreren durch Meßanker vorgegebenen Richtungen feststellt. Diese Richtungen können auch winkelig zueinander verlaufen.

Auf diese Weise ist es mit relativ geringem Auf-

wand möglich, das Ausmaß und die Geschwindigkeit der Deformationen in der Firste, in der Sohle und in den Stoßen des Grubenraumes als Auflockerungen, Verkürzungen und Verschiebungen nach Richtung und Größe zu bestimmen. Aus der Form und Größe der Auflockerungszone lassen sich z.B. Schlüsse auf das Verhältnis von vertikalem zu horizontalem Gebirgsdruck ziehen.

Wegen der Verwendung von Dehnungsmeßstreifen und der mit diesen möglichen Meßgenauigkeiten er-

hält man in kürzester Zeit ausreichend viele Informationen über das Verhalten des betreffenden Gebirges, so daß sich der optimale Ausbau mit tragbarem Meßaufwand festlegen läßt. Ist der Ausbau eingebracht, kann die Meßanordnung mil der ungewöhn-Hch großen Meßempfindlichkeit weiter dazu verwendet werden, die Wechselwirkungen zwischen Gebirge und Ausbau zu verfolgen. Man kann die Messungen auch über längere Zeiträume hindurch fortsetzen, einmal um das Bauwerk zu überwachen, andererseits auch um dadurch wissenschaftlich verwertbare Angaben über die Bewährung der verschiedenen Ausbauarten in vergleichbaren Gebirgskörpern zu gewinnen. Das beruht seinerseits auf den besonderen Wirkungen der im Rahmen des neuen Verfahrens

verwendeten Klebeanker, weil die Klebung nicht nur die Gebirgsbewegung fast verlustlos auf die Ankerstange überträgt, sondern auch die Meßwertgeber schützt.

Ein vereinfachter Meßanker zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, soweit danach in mehreren, über die Länge des Meßankers verteilten kießebenen nur die Verformungen der um die Meßanker herum anstehenden Gebirgsschichten als axiale Dehnungen oder Kürzungen der mit dem Ge-

birge fest verklebten Ankerstange in allen Meßebenen gleichzeitig oder nacheinander gemessen werden soll, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerstange eine axial verlaufende Nute aufweist, deren

Tiefstes in der Mitte der Ankerstange angeordnet ist und die in gleichen Abständen angeordnete gleichgerichtete Dehnungsmeßstreifen aufnimmt, wobei die Nut nach außen mit einem sie bis zu einer axialen Ausnehmung ausfüllenden Profil verschlossen ist und die Ausnehmung die Anschlußkabel aufnimmt.

Zum besseren Verständnis wird die Erfindung nachfolgend an Hand der Zeichnungen näher erläutert; die weiteren Merkmale der Erfindung wiedergeben; es zeigt

F i g. 1 einen Meßanker zur Durchführung des erfindungsgemäßen Meßverfahrens im Längsschnitt, sowie schematisch den Verlauf der mit dem Anker erfaßten Gebirgsschichten,

Fig.2 die Anordnung mehrerer Meßanker zur Durchführung des um die Konvergenzmessung erweiterten Meßverfahrens gemäß der Erfindung,

F i g. 3 einen Meßanker für Messungen in größeren Abständen vom Hohlraum innerhalb des Gebirgskörpers und

F i g. 4 einen weiteren Meßanker im Querschnitt.

Der in F i g. 1 wiedergegebene Meßanker hat eine Ankerstange 1, deren Länge und Stärke nach den jeweiligen Verhältnissen am Einsatzort bestimmt wird. Die Ankerstange ist an der Spitze bei 2 und an ihrem freien Ende bei 3 mit Gewinde versehen. Zwischen den Gewindeenden ist die Ankerstange meist glatt ausgeführt. Sie kann jedoch auch mit einer Profilierung versehen sein, um ihre Formschlüssigkeit im Kunststoffkleber zu verbessern.

Wie die links in F i g. 1 wiedergegebene Querschnittsdarstellung erkennen läßt, hat die Ankerstangc 1 zwei Längsnuten 5 bzw. 6, die jeweils um einen einem Halbkreis entsprechenden Bogenwinkel gegeneinander versetzt angeordnet sind. Beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 sind in regelmäßigen Abstanden gleichgerichtete Dehnungsmeßstreifen sich gegenüberliegend in die Nuten 5 bzw. 6 eingebaut. Dadurch werden Meßebenen I-IV über die Länge des Meßankers verteilt angeordnet. In jeder der so geschaffenen Meßebenen befindet sich ein Paar Dehnungsmettstreifen 7, S. Die Meßsireifen liegen sich aber paarweise gegenüber. Durch Mittelwertbildung aus den Ablcsewerten der Meßstreifen 7.8 kann die Längenänderung in der neutralen Faser der Ankerstange bestimmt werden. Bildet man 'lie Differenz der Meßwerte, so erhält man die Richtung der Biegung der Ankerstange und ihren absoluten Wen. Als Folge der paarweisen Artordnung können sowohl die Längcnänderungen als auch die Verschiebungen, die die Gebirgsschichten erfahren, nach Richtung und Größe bestimmt werden.

Die Dehnungsmeßstreifen 7 und 8 liegen auf dem Grund 5 a bzw. 6 a der Nuten 5,6 und sind mit Blechstreifen 15 abgedeckt. Diese Blechstreifen dekken auch die nicht dargestellten Anschlußleitungen zu den Dehnungsmeßstreifen ab. Die Blechstreifen werden nach Einbringen der Dehnungsmeßstreifen und ihrer Anschlußlcitungcn abgerundet, so daß die Oberfläche des Ankers wieder ihren ursprünglichen Zustand erhält, den sie vor Einbringung der Nuten 5 bzw. 6 besaß.

Die Ankerstange wird in dem Bohrloch 10 mit Hilfe eines Kunststoffklcbcrs bekannter Art festgcliiil'.cn, wobei die Klebeverbindung bei 18 wiedergegeben ist. Der Klebstoff kann durch nachträgliches Injizieren, soll vorzugsweise aber mit Hilfe von Klebslolfpatronen eingebracht werden.

In F i g. 3 sind die Gebirgsschichten mit F-K bezeichnet, die durch ein Bohrloch 20 erschlossen sind. Der Meßanker 21 ist aus zwei Teillängen 22 und 23 zusammengesetzt. Diese bestehen aus Rohrabschnitten, welche über eine Muffe 24 miteinander verbunden sind. Das Teilstück 23, das im Tiefsten des Bohrloches 20 steht, ist an seiner Stirnseite mit einem Stopfen 26 verschlossen, der auf das mit Innengewinde versehene Ende des Rohres 23 aufgeschraubt ist. Das zweite Rohrstück 22 läßt sich nachführen, um mit der Muffe 24 und damit mit dem Rohrstück 23 ve bu.iden zu werden. Dieses Rohrstück 22 besitzt daher an seinen beiden Enden ein Innengewinde 27, so daß im Bedarfsfall v/eitere LMn-

J5 gen durch Muffen 24 angeschlossen werden können. Bei diesem aus den Rohrstücken 22 und 23 zusammengesetzten Meßanker sind Dehnungsmeßstreifen 30 bis 33 in ausgefräste Mulden auf der Rohraußenscite eingeklebt oder eingeschweißt. Die An-Schlußleitungen zu den Dehnungsmeßstreifen werden durch das Innere des Rohres geführt, sind jedoch auch in F i g. 3 nicht wiedergegeben.

Die Dehnungsmeßstreifen sind wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 in Meßebenen V-VIII angeordnet. Jc zwei der Meßstreifenpaare, nämlich die Meßstreifen 3Ö und 32 bzw. 3i und 33 sind in einer Meßebcnc um 90' versetzt angebracht. Dadurch wird die Möglichkeit geschaffen, in jeder der Meßebcncn V-VIII nicht nur die Längcnänderungen noch genauer, sondern auch die Biegungen der Ankerst-inge in zwei Ebenen zu bestimmen, wodurch sich die Hauptriclitung der Verschiebung ermitteln läßt.

Jedes Ankerteilstück 22. 23 hat an seinem unteren Ende einen nicht dargestellten Stecker, in dem die Anschlußleitungen zu den Dehnungsmeßstreifen enden. Im folgenden Teilstück des Meßankers befindet sich ein Kabel als Anschlußleitung zu dem betreffenden Stecker. Auf diese Weise kann eine Vielzahl von Dehnungsmeßstreifen über Steckverbindungen angcschlossen werden. Das hat den Vorteil, daß beim Eintreiben des mehrteiligen Ankers, der nach dem K'.ebankcrprinzin befestigt wird, keinerlei Beschädigungen der Steckverbindungen auftreten können. Die Verklebung ist beim Ausführungsbeisp^:el nach Fig. 3 im übrigen bei 29 wiedergegeben. Die Steckverbindungen sind handelsüblich und daher nicht wiedergegeben. Sie unterscheiden sich im wesentlichen danach, ob sie außen auf der Ankerstange gesteckt werden oder in ihrem Inneren. Das hängt davon ab, ob es sich um einen Vollsnkcr handelt, wie er in F i g. 1 oder 4 wiedergegeben ist oder um einen mehrteiligen Hohlanker entsprechend der Darstellung nach Fi g. 3.

Mit den beschriebenen Meßankern läßt sich ein Mcßsystcm errichten, wie es in Fig.2 schcmaiisch wiedergegeben ist.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig.2 ist angenommen worden, daß ein kreisringförmiger Grubenraum 40 in einem Gcbirgskörpcr aufgefahren ist, der Gebirgsschichten L-O aufweist. Im Hangenden befindet sich ein Mcßankcr nach Art des Ankers gemäß F i g. 3, der mit 41 bezeichnet ist. Ihm entspricht ein Mcßankcr 42 im Liegenden. Außerdem sind in den beiden Stoßen Gebirgsanker 43 bzw. 44 eingeklebt,

welche den Gcbirgsankcrn 41 und 42 entsprechen. Werden die Bohrlöcher zum Einbringen der Mcßklcbcankcr 41 bis 44 mit einem Kernbohrgerät gebohrt, können gleichzeitig der Aufbau des Gcbirgs, nämlich

seine Zusammensetzung in den Schichten L-O und die Gesteinseigenschaften in diesen Schichten ermittelt werden.

Zwischen die sich jeweils gegenüberliegen Meßanker 43, 44 bzw. 41, 42 können Konvergenz-Meßinstrumente eingebaut werden. Es sind dies telcskopicrende dünne Rohre 45, 46 bzw. 47 und 48 mit daran befestigten Konvergenzgebern 50 bzw. 51.

Nach F i g. 4 ist ein vereinfachter Meßanker 69 so ausgeführt, daß die Verformung des Mei3ankers in der mit 60 bezeichneten neutralen Faser gemessen werden 'kann. Zu diesem Zweck besitzt der Anker eine axiale Nut 61. Die Fläche 62 bildet das Tiefste der Nut. Auf ihr sitzt ein Dehnungsmeßstreifen 63. Dieser ist mit einer Dichtung 70 gegen eine Ausnehmung 64 abgeschlossen, welche die Anschlußleilungen 65 aufnimmt. In ihr sind auch die Reserve-

längen untergebracht. Die Ausnehmung 64 ist mit einem Profil 66 verschlossen, das bei 67 und 68 geklebt ist.

Die Dchnungsmcßstreifenwerle werden in bekannler Weise aufgenommen. Notwendig ist ein Meßstellenumschalter zur Anwahl der verschiedenen Dehnungsmeßstreifen und der Abgleich des angewählten Dehnungsmeßstreifens mit Hilfe einer Meßbrücke. Man kann die Mcßwertfeststcllung durch einfache

ίο Ablesegeräte manuell am Einsatzort vornehmen. Ein höheres Maß an Rationalisierung erhält man durch eine automatisch betriebene Anwählanlagc, die in der Nähe des jeweiligen Meßsystems oder unmittelbar am Einsatzort aufgestellt werden kann. Es besteht auch die Möglichkeit, die ermittelten Meßwerte nach Verstärkung über das Telefonnetz nach Übertage z. B. in eine Grubenwarte übertragen zu lassen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1 2 einer axialen Ausnehmung (64) ausfüllenden Patentansprüche: Profil (66) verschlossen ist und die Ausnehmung die Abschlußkabel (65) aufnimmt.

1. Verfahren zum Messen der Veränderungen 8, Meßanker nach Anspruch 7, dadurch gedes um einen bergmännischen Hohlraum anste- 5 kennzeichnet, daß da;; Profil (66) in die Nut (61) jhenden Gebirges mit Hilfe von Meßankern, da- eingeklebt ist.