DE2345884A1

DE2345884A1 - Verfahren und vorrichtung zur vorfelderkundung im zuge des abbaus von kohlefloezen

Info

Publication number: DE2345884A1
Application number: DE19732345884
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl Ing Haas; Paul Helling; Hans-Joachim Hochheimer; Hansludwig Dr Jacob; Bernhard Wuelk
Original assignee: Ruhrkohle AG
Current assignee: RAG AG
Priority date: 1973-09-12
Filing date: 1973-09-12
Publication date: 1975-07-31
Also published as: CA1009740A; FR2243448B1; DE2345884C3; DE2345884B2; AU7325474A; CS187424B2; PL91699B1; GB1481436A; ES430003A1; FR2243448A1; AU471646B2; US3961307A; JPS5724871B2; JPS5075901A; HU171822B; ZA745808B

Description

Andrejewski, Honke & Gesthuysen Patentanwälte Diplom-Physiker Dr. Walter Andrejewski Diplom-Ingenieur Dr.-lng. Manfred Honke

AO o-in/pv Diplom-Ingenieur

Anwaltsakte: ^^u/jjk- Hans Dieter Gesthuysen

4300 Essen, den⁸· August 1973

Theaterplatz 3

Patent- und Hilfsgebrauchsmusteranmeldung der Ruhrkohle Aktiengesellschaft
43 Essen, Postfach 5

Verfahren und Vorrichtung zur Vorfelderkundung im Zuge des Abbaus von Kohleflözen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Vorfelderkundung im Zuge des Abbaus von Kohleflözen in Untertagebetrieben, wobei Schallimpulse erzeugt, mittels Schallgeber in das zu erkundende Vorfeld eingeleitet und an Grenzflächen reflektiert sowie die reflektierten Schallwellen erfaßt werden_f - und die Laufzeit zwischen Aussenden eines Schallimpulses und Einlaufen seiner reflektierten Welle gemessen wird. Die Erfindung bezieht sich fernerhin auf eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens. Die Laufzeit ist dabei offenbar ein Maß für die Entfernung der Grenzfläche von dem Schallgeber.

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Bei den (aus der Praxis) bekannten Maßnahmen der beschriebenen Gattung, die man zur Vorfelduntersuchung im Zuge des Abbaus von Kohleflözen, in Untertagebetrieben zwar versucht hat, die dort jedoch kaum praktikabel sind, arbeitet man mit weißen Schallimpulsen, die durch Explosion, Schlag oder Stoß erzeugt werden. Sie heißen weiße Schallimpulse, weil ihre Schallwellen ein kontinuierliches FrequenzSpektrum aufweisen und aus inkoherenten Wellenzügen unterschiedlicher Frequenz zusammengesetzt sind, in denen keine Frequenz, keine Phase und keine Phasenlage ausgezeichnet ist. Solche weißen Schallimpulse breiten sich bekanntlich in homogener isotroper Materie (als Kompressionswellen und Scherungswellen nach allen Richtungen mit gleicher Geschwindigkeit aus und erfahren mehr oder weniger diffuse Reflexion an Grenzflächen. Grenzflächen bezeichnet Bereiche in der Materie, in denen sich die Parameter der Materie, insbes. Elastizitätsmodul und Schubmodul, mehr oder weniger unstetig ändern. Die bekannten Maßnahmen führen zu brauchbaren Ergebnissen bei allgemeinen horizontalen bis vertikalen geologischen Prospektionen auf Land oder auf See, liefern jedoch bei der Vorfelderkundung im Zuge des Abbaus von Kohleflözen in einem Untertagebetrieb schon deshalb keine brauchbaren Ergebnisse, weil im Bereich der Kohleflöze (wegen der Trennflächen Flöz/Gestein) nach Entfernung und Richtung nicht identifizierbare Reflexionen auftreten.

In anderen Bereichen der Technik, so in der Radartechnik mit elektromagnetischen Wellen und bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung von Metallen mit Ultraschall, arbeitet man mit sog. monochromatischen Impulsen. Monochromatische Impulse bezeichnet solche, deren Fourieranalyse eine vorherrschende Frequenz (die sog. Trägerfrequenz) ergibt, die das physikalische Verhalten hauptsächlich bestimmt. Man mißt in der Radartechnik und bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung die Laufzeit solcher Im-

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pulse zwischen Aussenden und Rückkehr nach Reflexion zur Bestimmung der Entfernung der reflektierenden Grenzflächen. - Die Radartechnik ist auf die Vorfelderkundung im Zuge des Abbaus von Kohleflözen in Untertagebetrieben nicht anwendbar, weil sich elektromagnetische Impulse bzw. Wellen und Schallwellen im Ultraschallfrequenzbereich in dem in Untertagebetrieben regelmäßig anstehenden Gebirge nicht bzw. praktisch nicht ausbreiten. Im übrigen kennt man bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit Ultraschall Schallköpfe oder Schallgeber, die die Ultraschallimpulse gebündelt ausstrahlen, weil mit piezzoelektrischen oder magnetostriktiven Schwingern gearbeitet wird, die als Strahler höherer Ordnung entsprechende Abstrahlungscharakterxstik aufweisen. Das ändert nichts an den vorstehenden Feststellungen. Die Erfahrungen der Radartechnik sowie die der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit Ultraschall haben daher die Probleme um die Vorfelderkundung im Zuge des Abbaus von Kohleflözen bisher unbeeinflußt gelassen.'

Andererseits ist die Vorfelderkundung im Zuge des Abbaus von Kohleflözen von sehr erheblicher bergbaulicher Bedeutung. Die Errichtung und Einrichtung eines Abbaubetriebes mit den Maschinen, die für vollmechanischen Abbau notwendig sind, bedingt sehr erhebliche vorbereitende Arbeiten (die in extremen Investitionskosten ihren Niederschlag finden). Erweist sich erst nach der Errichtung und Einrichtung eines Abbaubetriebes, daß ein Kohleflöz gestört ist, so daß der Abbau nicht fortgeführt werden kann, so ist dieser erhebliche Arbeitsaufwand nutzlos vertan. Die heute bekannten Verfahren der Vorfelderkundung im Zuge des Abbaus von Kohleflözen, die mit den üblichen geophysikalischen Hilfsmitteln (wie z. B. Flözwellenseismik) arbeiten, lassen eindeutige Erkundungen nicht zu. Es fehlen im Untertagebetrieb anwendbare Verfahren, die eine Vorfelderkundung zulassen, - und zwar mit Erkundungstiefen von 100 m und mehr von der Erkundungsstelle aus und in Abbaurichtung.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs beschriebenen Gattung so weiter auszubilden, daß ohne Schwierigkeiten wirksam und eindeutig eine Vorfelderkundung im Zuge des Abbaus von Kohleflözen in Untertagebetrieben durchgeführt werden kann.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorfelderkundung im Zuge des Abbaus von Kohleflözen in Untertagebetrieben, wobei Schallimpulse erzeugt, mittels Schallgeber in das zu erkundende Vorfeld eingeleitet und an Grenzflächen reflektiert sowie die reflektierten Wellen erfaßt werden und wobei die Laufzeit zwischen Aussenden eines Schallimpulses und Einlaufen seiner reflektierten Welle gemessen wird. Die Erfindung besteht darin, daß gleichzeitig mehrere im wesentlichen monochromatische, koherente Schallimpulse gleicher, im Tonfrequenzbereich liegender Frequenz erzeugt, zu einem Schallstrahl mit keulenförmiger Strahlungscharakteristik gebündelt sowie nach Maßgabe der Strahlungscharakteristik gerichtet in das Vorfeld eingeleitet werden. Die Formulierung "gebündelt" impliziert, daß die monochromatischen Schallwellen der Schallimpulse die Phasenbeziehung aufweisen, die für die Bündelung erforderlich ist, - und daß auch die zugeordneten Schallgeber geometrisch so zueinander angeordnet sind, wie es die Bündelung verlangt. Das Bündelungsphänomen folgt insoweit den gleichen Gesetzen wie die bekannte Interfrequenz. Strahlungscharakteristik bezeichnet die Kurve der in Polarkoordinaten aufgetragenen abgestrahlten Energie, wobei der Koordinatenmittelpunkt im Abstrahlunsgzentrum liegt. Die Erfindung nutzt zunächst die Tatsache, daß Schallwellen im Tonfrequenzbereich, insbes. im Bereich niederer Frequenzen, sich in den bei der Vorfelderkundung im Zuge des Abbaus von Kohleflözen regelmäßig an-

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stehenden Gebirge ohne zu starke Absorption ausbreiten, wobei ohne Schwierigkeiten und überraschenderweise in diesem Gebirge auch eine Bündelung möglich ist_f in dem man in der beschriebenen Weise die Schallimpulse bzw, deren monochromatische Schallwellen superponiert und die Schallgeber bezüglich ihrer geometrischen Anordnung einander entsprechend zuordnet. Es entsteht so in Form der beschriebenen keulenförmigen Charakteristik gleichsam eine Sonde, die in einem Kohleflöz bzw, oberhalb oder unterhalb eines Kohleflözes geführt werden kann und Reflexionen nur an Trennflächen bedingt, die zur Ausbreitungsrichtung eine orthogonale Flächenkomponente aufweisen. Die Laufzeit zwischen Aussenden eines solchen Schallimpulses und Rückkunft der reflektierten Schallwelle läßt sich einfach messen. Im übrigen kann ohne Schwierigkeiten das zu untersuchende Vorfeld abgetastet werden. Eine Möglichkeit dazu ist dadurch gekennzeichnet _r daß während einer Erkundungsaufgabe die Phasenbeziehüng zwischen den monochromatischen Schallwellen der Schallimpulse verändert und der Schallstrahl dadurch geschwenkt sowie das zu untersuchende Vorfeld gleichsam abgetastet wird. Es besteht aber auch die Möglichkeit, während einer Erkundungsaufgäbe so vorzugehen, daß die reflektierten Schallwellen gerichtet empfangen und dadurch das zu untersuchende Vorfeld abgetastet wird.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens, Die Vorrichtung ist gekennzeichnet durch eine impulserzeugende Einrichtung zur Erzeugung von im Sinne der obigen Ausführungen monochromatischen elektromagnetischen Impulse im Tonfrequenzbereich_? mehrerer an die Impulserzeugungseinrichtung angeschlossene, von den gleichen Impulsen gespeiste Schallgeber (die also die elektromagnetischen Impulse in Schallimpulse umsetzen und abstrahlen), eine mit den gleichen Schallgebern oder mit zusätzlichen Schallaufnehmern arbeitende Reflexionswellenempfangseinrichtung und eine mit der Im-

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.pulserzeugungseinrichtung sowie der Reflexionswellenempfangseinrichtung gekoppelte Laufzeitmeßvorrichtung. - Die Erfindung arbeitet insoweit mit den Bauelementen, die in der Radartechnik und in der Ultraschalltechnik üblich sind. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist zusätzlich dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Impulserzeugungseinrichtung und den Schallgebern Phasenschieber angeordnet sind, die zum Schwenken der Abstrahlungschar akter is tik dienen. Die Laufzeitmeßvorrichtung arbeitet z. B, mit einem Kathodenstrahlosζillographen. Ohne weiteres können auch Aggregate zugeordnet werden, die die Meßinformationen speichern und auf andere Weise nach einem an sich bekannten Verfahren darstellen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung

Fig, 1 einen Vertikalschnitt durch einen Untertagebetrieb, bei dem im Zuge des Abbaus eines Kohleflözes eine erfindungsgemäße Vorfelderkundung durchgeführt wird,

Fig, 2 einen Schnitt in Richtung A-A durch den Gegenstand nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt in Richtung B-B durch den Gegenstand nach Fig. 1 und

Fig. 4 das Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

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In den Fig. 1 bis 3 ist zunächst ein Untertagebetrieb aus Strecke 1 und Abbaustreb 2 dargestellt. Die Strecke 1 wird in Richtung des Pfeiles 3 und damit in Richtung des Kohleflözes 4 fortgesetzt. Sie wird dazu vorgetrieben, der Abbaubetrieb wird entsprechend mitgeführt. Erfindungsgemäß wird z, B, an der Ortsbrust 5 dieser Strecke 1 eine Vorfelderkundung durchgeführt, wobei mit der in den Fig. 1 bis 3 angedeuteten, in Fig. 4 im Rahmen eines Blockschaltbildes weiter erläuterten Vorrichtung 6 gearbeitet wird. Diese Vorrichtung 6 besitzt eine Impulserzeugungseinrichtung 7 zur Erzeugung monochromatischer elektromagnetischer Impulse 8 im Tonfrequenzbereich. An die Impulserzeugungseinrichtung 7 sind mehrere, im Ausführungsbeispiel drei Schallgeber 9 angeschlossen, die von den gleichen Impulsen gespeist werden. Das hat zur Folge, daß diese Schallgeber 9 koherente, wenn auch ggf. phasenverschobene Schallwellen aussenden.Die Schallgeber 9 sind vorzugsweise einfache Punktstrahler. Zur Vorrichtung gehört eine mit den gleichen Schallgebern 9 oder mit zusätzlichen, als Schallaufnehmer arbeitenden Reflexionswellenempfangseinrichtung 10. Mit der Impulserzeugungseinrichtung 7 sowie der Reflexionswellenempfangseinrichtung 10 ist eine Laufzeitmeßvorrichtung 11 gekoppelt. Das Verfahren wird also so durchgeführt, daß gleichzeitig mehrere im wesentlichen monochromatische, koherente Schallimpulse gleicher, im Tonfrequenzbereich liegender Frequenz erzeugt werden. Diese werden zu einem Schallstrahl mit keulenförmiger Strahlungscharakteristik 12 gebündelt. Diese Strahlungscharakteristik 12 ist in den Fig. 1 und 2 erkennbar. Man kommt zu dieser Strahlungscharakteristik 12, indem man die von den Schallgebern 9 abgestrahlte Energie in Polarkoordinaten aufträgt. Der Mittelpunkt dieses Koordinatensystems liegt im Zentrum der Abstrahlung. Es können energieschwache Nebenkeulen 13 entstehen, die in Fig. 1 angedeutet sind jedoch für das erfindungsgemäße Verfahren keine Rolle spielen. Im Ergebnis wird ein

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Schallstrahl mit keulenförmiger Strahlungscharakteristik 12 gebündelt abgestrahlt. Er wird nach Maßgabe der Strahlungscharakteristik gerichtet in das Vorfeld 14 eingeleitet. Man kann dabei, wie es in Fig. 3 angedeutet ist, die Phasenbeziehung zwischen den monochromatischen Schallwellen der Schallimpulse der einzelnen Schallgeber 9 verändern und dadurch den Schallstrahl oder die "Keule 12" gleichsam schwenken, was einer Abtastung des zu untersuchenden Vorfeldes 14 gleichkommt. Nicht dargestellt wurde, daß auch die Möglichkeit besteht, die reflektierten Wellen gerichtet zu empfangen, um dadurch eine Abtastung des zu untersuchenden Vorfeldes vorzunehmen. - Fig. 2 zeigt wie drei Schallgeber 9 zweckmäßigerweise angeordnet werden. Es gilt die grundsätzliche Regel, daß zwei oder mehr Schallgeber 9 zu einer Ebene im Abstand von (2n + 1) /V4 angeordnet werden, wobei P die Wellenlänge der monochromatischen Schallwelle in dem zu untersuchenden Gebirge ist. Die Schallgeber 9 werden über elektrische Phasenschieber 15 (vgl. Fig. 4) so verschieden angeregt, daß sich aus der überlagerung der von den einzelnen Schallgebern ausgehenden Schallwellen die angedeutete Strahlungscharakteristik 12 ausbildet. Arbeitet man beim Empfang mit Schallaufnehmern, die in der Ebene der Geberanordnung liegen, aber von den Schallgebern 9 unterschieden sind, so empfiehlt die Erfindung diese Schallaufnehmer so anzuordnen, daß von allen Schallgebern ein Abstand 2n 7/4 besteht, wobei wiederum ? die Wellenlänge der monochromatischen Schallfrequenz in dem zu untersuchenden Gebirge ist. - Im Rahmen der Erfindung liegt es, die empfangenen, reflektierten Schallwellen in einen sog. Intensitätsraster auf einem Schirmbild zur Anzeige zu bringen, wobei eine Zwischenspeicherung der Meßinformation zur Synchronisierung der verschiedenen Äbtastgeschwindigkeiten durchgeführt werden kann. Auch räumliche Darstellungen im Sinne einer Panoramaanzeige lassen sich ohne Schwierigkeiten verwirklichen.

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Auf diese Weise läßt sich das erfindungsgeinäße Verfahren mit nicht wissenschaftlich geschulten _r nur angelernten Personen durchführen.

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Claims

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Ansprüche :

( 1 ,J Verfahren zur Vorfelderkundung im Zuge des Abbaus von Kohleflözen in Untertagebetrieben, wobei Schallimpulse erzeugt, mittels Schallgeber in das zu erkundende Vorfeld eingeleitet und an Grenzflächen reflektiert sowie die reflektierten Wellen erfaßt werden und die Laufzeit zwischen Aussenden eines Schallimpulses und Einlaufen seiner reflektierten Welle gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mehrere im wesentlichen monochromatische koherente Schallimpulse gleicher, im Tonfrequenzbereich liegender Frequenz erzeugt und zu einem Schallstrahl mit keulenförmiger Strahlungscharakteristik gebündelt sowie nach Maßgabe der Strahlungscharakteristik gerichtet in das Vorfeld eingeleitet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während einer Erkundungsaufgäbe die Phasenbeziehung zwischen den monochromatischen Schallwellen der Schallimpulse verändert und der Schallstrahl dadurch geschwenkt sowie das zu untersuchende Vorfeld abgetastet wird,
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß während einer Erkundungsaufgabe die reflektierten Wellen gerichtet empfangen und dadurch das zu untersuchende Vorfeld abgetastet wird,
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Impulserzeugungseinrichtung (7) zur Erzeugung monochromatischer elektromagnetischer Impulse (8) im Tonfrequenzbereich, mehrere an die Impulserzeugungseinrichtung (7) angeschlossene, von den gleichen Impulsen gespeiste Schallgeber (9), eine mit den gleichen Schallgebern (9)

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oder mit zusätzlichen Schallaufnahmen arbeitende Reflexionswellenempfangseinrichtung (10) und eine mit der Impulserzeugungseinrichtung (7) sowie der Reflexionswellenempfangseinrichtung (10) gekoppelte Laufzeitmeßvorrichtung (11),
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Impulserzeugungseinrichtung (7) und den Schallgebern (9) Phasenschieber (15) angeordnet sind,

6, Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5_f dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeitmeßvorrichtung (11) mit einem Kathodenstrahloszillographen ausgerüstet ist.

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