DE3823495A1 - Hydraulische gesteinzerklueftende bohrlochsonde und verfahren zu ihrer anwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulische gestein­ zerklüftende Bohrlochsonde und ein Verfahren zu deren Anwendung.

Die erfindungsgemäße Bohrlochsonde kann insbe­ sondere bei bergbaulichen, geophysikalischen und geologischen Messungen zur Bestimmung des Spannungs­ zustands der Gesteinsschichten oder des Bodens, bzw. des Elastizitätmoduls derselben, außerdem in Abbau­ technologie als Abbaumittel eingebaut verwendet werden. Die Erfindung ermöglicht einen Meßprozeß, der zur Registrierung und Auswertung der während der Anwendung der Bohrlochsonde auftretenden, sich schnell ändernden Parameter bestens geeignet ist.

Die Bestimmung der in den Gesteinen herrschende tatsächliche Spannungszustände charakterisierenden Werte - minimale Hauptspannung, maximale Hauptspannung Elastizitätsmodul des Gesteins - gehört zu den grund­ sätzlichen Problemen der Gesteinsmechanik. Man pflegt diese Charakteristiken durch Messung mittels einer Bohrlochsonde zu bestimmen, im Laufe deren eine Bohrung in die Gesteinwand gebohrt wird, wonach in die Bohrung eine Sonde eingelegt wird, deren elastischer Mantel - Membrane - durch die meßbare Erhöhung des Flüssig­ keitsdrucks zu der Wand der Gesteinbohrung expandiert werden kann, wonach durch die weitere Erhöhung des Drucks die Gesteinwand zerklüftet werden kann. In Kenntnis des zum Zerklüften der Gesteinwand bzw. zum Neubeginnen der Zerklüftung erforderlichen Flüssigkeits­ drucks können die den Spannungszustand der Gesteinwand charakterisierenden Parameter bestimmt werden. Es besteht die Forderung, daß die zur Messung anzu­ wendende Sonde auf Wirkung des Flüssigkeitsdrucks erweitert werden könne, so muß diese aus einem hoch­ elastischen hochfesten zähen Grundstoff gefertigt werden, der eine geringe rückbleibende Deformation aufweist und wiederholt verwendet werden kann.

Die gegenwärtig zur Anwendung kommenden Sonden werden im allgemeinen mit einem elastischen Mantel aus Gummi versehen, der aber auch bei einem den Spreng­ druck unterschreitenden Druck zerreißt, bzw. bei dem dichtenden Verschluß die Flüssigkeit durchläßt. Alle diese stellen die Messung bzw. deren Authentizität beeinträchtigende Faktoren dar. Der Erfindung wird das Ziel gesetzt, diese Mängel zu eliminieren.

Das Ziel der Erfindung besteht darin, einerseits den strukturellen Aufbau der Bohrlochsonde dermaßen zu verbessern, daß bei den Dichtungen ein mit der Festigkeit des elastischen Mantels gleichwertiger Ver­ schluß realisiert werden könne, und damit die derweise ausgestaltete zuverlässige Abdichtungsmethode die An­ wendung eines Mantelstoffes höherer Festigkeit er­ möglichen solle.

Das Ziel der Erfindung besteht andererseits darin, einen Meßprozeß zu entwickeln, im Laufe dessen die in der Meßsonde stattfindende Druckänderung, bzw. die auf Wirkung des Gesteindrucks erfolgenden Änderungen des Sondenvolumens - als sich schnell ändernde Parameter - gemessen und erfaßt werden können.

Der elastische Mantel der erfindungsgemäßen Bohr­ lochsonde ist aus einem hochelastischen, hochfesten und zähen Grundstoff, zweckmäßig Adiprenkunststoff hergestellt, der auch einen Druck von mehreren hundert Atmosphären ohne verbleibende Deformation zu ertragen fähig ist, darüber hinaus beansprucht das Aufblasen des aus dem beschriebenen Grundstoff gefertigten elastischen Mantels ohne Belastung keinen Mehraufwand an Energie, der nämlich die Meßergebnisse verfälschen würde.

Bei der erfindungsgemäßen Sonde ist der elastische Mantel oder die Membrane so auf einen Stahl­ kern aufgezogen, daß die Dichtungsfestigkeit an beiden Enden der Sonde mit jener des Sondenstoffes gleich­ wertig ist. Diese Festigkeit kann dadurch erreicht werden, indem an beiden Enden des Stahlkerns der Sonde, am Ende je eines konisch ausgestalteten Abschnittes Dichtungskanten ausgebildet sind, zu denen der synthetische Sondenmantel mit Hilfe je einer gewindigen Verschlußmutter - unter Einfügen von Sperrelementen - angepreßt wird. Die Dichtungskante ist auf dem Stahl­ kern der Sonde durch die Ausbildung seiner beiden Enden in einer kegelstumpfartigen Form ausgebildet, während das Sperrelement mit innerer Konizität ausge­ staltet ist und mit der Schraubenmutter zu dem Stahl­ kern gepreßt werden kann. Zweckmäßig ist der Kegel­ winkel der inneren Kegelfläche des Sperrelements größer, als der Kegelwinkel der auf dem Stahlkern ausgestalteten Kegelflächen. Der elastische synthetische Mantel ist mit Hilfe der gewindigen Verschlußmutter zwischen den beiden Kegelflächen ein­ gepreßt. Diese Dichtungslösung gewährleistet den vollkommen dichten Verschluß auch bei einem inneren Druck von mehreren hundert Atmosphären. Die Erfindung betrifft somit einerseits eine gesteinzerklüftende Bohrlochsonde zur Bestimmung der Festigkeits­ charakteristiken der Gesteinwände oder zur Zerklüftung der Gesteine, bzw. zu bodenmechanischen Messungen, die aus einem mit einer Einführbohrung versehenen Stahl­ kern, sowie einem dessen Mantelfläche umhüllenden, an beiden Enden dicht verschlossenen elastischen Mantel besteht, an beiden Enden des Stahlkerns ist ein Kegel­ stumpf mit sich zum Ende des Stahlkerns verjüngendem Querschnitt und als Fortsetzung desselben ist je ein gewindiger Ansatz vorgesehen, an den oberen Enden der Kegelstümpfe ist eine Dichtungskante ausgebildet; mit Hilfe je einer Verschlußmutter ist auf den ge­ windigen Ansätzen je ein Sperrelement aufgepreßt, wobei die Sperrelemente mit ihren inneren Kegelflächen - deren Kegelwinkel größer ist, als der Kegelwinkel der Kegelstümpfe - sich den Dichtungskanten anpaßen, desweiteren, der auf den Stahlkern aufgezogene elast­ ische Mantel aus Kunststoff, vorzugsweise aus Adipren gefertigt ist.

Bei den gesteinmechanischen Messungen besteht ein allgemeiner Mangel darin, daß auf die zeitliche Änderung der zur Bestimmung des Spannungszustands und des Elastizitätsmoduls des Gesteins erforderlichen Druckwerte aus anhand einiger charakterisierenden Werte aufgenommenen Diagrammen geschlußfolgert wird, was insbesondere bei der Bestimmung des Elastizitätsmoduls zu Abweichungen führt.

Um diese Abweichungen eliminieren zu können, wurde für die Meßsonde ein Meßverfahren erarbeitet, unter Zuhilfenahme dessen die die Gesteinwand charakter­ isierenden Spannungsdaten genau bestimmt und die gemessenen Parameter registriert werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Erkenntnis, daß indem in der Meßsonde die Druck­ änderung bzw. die auf Wirkung des Gesteindrucks auf­ tretenden Änderungen in dem Sondenvolumen kontinuierlich detektiert und registriert werden, auf diese Weise die Festigkeitscharakteristiken der Gesteinwand - im Vergleich zu den gegenwärtig bekannten Lösungen - genauer bestimmt werden können.

Das Verfahren kann unter Anwendung der erfindungs­ gemäßen Sonde realisiert werden, da diese die wieder­ holte Inanspruchnahme während des Meßverfahrens ohne etwaiges Schadhaftwerden zu vertragen fähig ist.

Die Erfindung betrifft also andererseits ein Verfahren zur Bestimmung der Festigkeitscharakter­ istiken von Gesteinwänden oder zu bodenmechanischen Messungen, insbesondere unter Anwendung der erfindungs­ gemäßen Sonde, im Laufe dessen die Sonde an der zu prüfenden Stelle in eine in der Gesteinwand oder im Boden ausgebohrte Bohrung eingesetzt wird, wonach mit Hilfe einer Schraubenpumpe in die Sonde Flüssigkeit eingepreßt wird, währenddessen werden die Verschiebung des Schraubenkolbens und der Druckwert gemessen, diese gemessenen Werte werden in elektrische Signale ver­ wandelt und in einen elektronischen Speicher einge­ geben.

Wenn nun die erfindungsgemäße Sonde neben den gesteinmechanischen Prüfungen auch in die Gesteinabbau­ technologie als Abbaumittel eingebaut wird, kann diese anstatt schonender Sprengungen, in schlagwetterge­ fährdeten und abbrüchigen Räumen, beim Blockenabbau, z. B. in Marmorsteinbrüchen vorteilhaft verwendet werden.

Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen Schnitt der erfindungsgemäßen Bohr­ lochsonde,

Fig. 2 ein Schaltschema der bei dem erfindungsge­ mäßen Meßverfahrens verwendeten Vorrichtungen.

Wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist, sind beide Enden eines Stahlkerns 19 kegelstumpfartig ausge­ staltet, wodurch Dichtungskanten 16 entstehen. Gegen­ über den Dichtungskanten 16 befindet sich die innere Kegelfläche von Sperrelementen 18, wobei diese Kegel­ fläche zweckmäßigerweise mit einem größeren Kegel­ winkel ausgestaltet ist, als die innere Konizität der an den Enden des Stahlkerns 19 ausgestalteten Sperr­ elemente 18. Auf den Mantel des Stahlkerns 19 ist ein schlauchartiger elastischer synthetischer Mantel 17 aufgezogen, so müßen nur seine beiden Enden nach erfolgtem Aufschieben entsprechend abgedichtet werden. Die Dichtungskanten 16 der beiden Kegelflächen an den beiden Enden der Sonde können die Sperrelemente 18 - die auf gewindigen Ansätzen 14 auf den beiden Enden des Stahlkerns 19 angeordnet sind - mit Hilfe je einer Verschlußmutter 15 zueinander preßen, und zwar so, daß die beiden Enden des elastischen Mantels 17 zwischen den beiden Dichtungskanten 16 liegen. Am einen Ende der Sonde ist in dem Stahlkern 19 eine Bohrung aus­ gestaltet, die zur Zufuhr der Druckflüssigkeit dient. Diese Bohrung ist fähig die Flüssigkeit in den Raum zwischen dem Stahlkern 19 und dem elastischen Mantel 17 einzuführen, d.h. daß der Druck der hier zugeführten Flüssigkeit den elastischen Mantel 17 von der Ober­ fläche des Stahlkerns 19 zu entfernen bestrebt ist.

Im Laufe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Sinne der Anordnung nach Fig. 2 die Sonde 1 mit Hilfe einer Handpumpe 3 solange vorgespannt, bis diese auf die Wand der Gesteinbohrung aufliegt. Während der eigentlichen Messung wird die Emulsionsflüssigkeit in den Sondenraum über einen hochsteifen Schlauch, z.B. über ein Kupferrohr eingepreßt, dann kann die erforderliche Flüssigkeitsdruckerhöhung bereits mit Hilfe einer kontinuierlich arbeitenden Schraubenpumpe gewährleistet werden. Die Verschiebung des Schrauben­ kolbens der Schraubenpumpe wird gemessen, der Meßwert wird in ein analoges elektrisches Signal umgewandelt. Zu diesem Zwecke ist ein Fühler 7 an dem Kolben montiert. Ein Druckmesser 8 mit analoger Anzeige ist ebenfalls an dem Schraubenkolben 2 montiert, von diesem Druck­ messer 8 kann der Wert des Sprengdrucks abgelesen werden, an dem Schraubenkolben 2 ist auch ein Druck­ fühler 6 angeordnet, der ein den Druckwerten entsprechendes elektrisches Signal erzeugt. Die in den beiden Fühlern erzeugten elektrischen Signale gelangen über Verstärker und einen A/D Signalumformer in einen elektronischen Speicher 9. Die in dem Speicher ge­ speicherten Signale werden zweckmäßigerweise auf einen Computer 10 übertragen und verarbeitet. Außerdem ist der Schlauch der Sonde mit einem Druckmesser 13 mit austauschbarer Membrane verbunden, an dem die Aus­ biegung der Membrane mit einer mechanischen Ver­ schiebungsmeßuhr abgelesen werden kann. Der Druck­ messer 13 funktioniert erst dann, wenn die Sonde 1 nach der Zerklüftung des Gesteins in der Gestein­ bohrung gelassen wird, und nur die Absicht besteht die Änderung im Spannungszustand der Umgebung der Bohrung zu beobachten. Die austauschbare Membrane dient dazu, daß durch den Einbau von Membranen verschiedener Steifheit die Steifheit des Druckmeßsystems Sonde 1 - hydraulischer Schlauch geändert werden kann. Diese Maßnahme ist darum erforderlich, da die gemessene Änderung des Flüssigkeitsdruckes erst dann die in dem Gestein zustande gekommene Spannungsänderung wider­ spiegelt, wenn die Steifheit des Meßsystems mit der Steifheit des Gesteins übereinstimmt.

Wenn nun die erfindungsgemäße Sonde beim Abbau von Gesteinwänden eingesetzt wird, werden an den Abbau­ stellen Bohrungen in der Gesteinwand ausgebohrt, die Sonde wird in die Bohrung eingesetzt, wonach der Druck in dem System solange erhöht wird, bis das Gestein zerklüftet.

Claims (3)

1. Hydraulische gesteinzerklüftende Bohrlochsonde zur Bestimmung der Festigkeitscha­ rakteristiken von Gesteinswänden oder zur Zerklüftung derselben, bzw. für boden­ mechanische Messungen, mit einem mit einer Zuführbohrung versehenen Stahlkern und einem dessen Mantelfläche umhüllenden, an beiden Enden dicht verschlossenen elastischen Mantel, dadurch gekennzeichnet, daß an beiden Enden ein sich zu dem Ende des Stahlkerns hin verjüngender Kegelstumpf und als dessen Fortsetzung je ein Gewindeansatz (14) ausgebildet sind, wobei an den oberen Enden des Kegelstumpfes eine Dichtungskante (16) ausgebildet ist, daß auf die Gewindeansätze (14) mittels je einer Verschlußmutter (15) je ein Sperrelement (18) aufgepreßt ist und daß die Sperrelemente (18) mit ihren kegeligen Flächen - deren Kegelwinkel größer als der Kegelwinkel der Kegelstümpfe ist - an die Dichtungskanten (16) angepaßt sind, wobei der auf den Stahlkern (19) aufgezogene Mantel (17) aus einem elastischen Kunststoff, vorzugsweise Adipren, gefertigt ist.

2. Verfahren zur Bestimmung der Festigkeitscharakteristiken von Gesteinswänden oder für bodenmechanische Messungen, insbesondere unter Anwendung der Sonde nach Anspruch 1, im Laufe dessen die Sonde an der Prüfstelle in eine in der Gesteins­ wand oder im Boden ausgebildete Bohrung eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe einer Schraubenpumpe (2) Flüssigkeit in die Sonde (1) eingepreßt wird, währenddessen die Verschiebung des Schraubenkolbens und der Wert des Druckes ge­ messen werden, diese Meßwerte in elektrische Signale umgewandelt werden und in einen elektronischen Speicher (9) eingegeben werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an eine in die Sonde (1) eingeführte hydraulische Leitung eine Indikatoruhr (13) geschaltet wird, dann in dem System der Druck solange erhöht wird, bis die Gesteinswand zer­ klüftet wird, wonach die mit der Indikatoruhr (13) verbundene Sonde (1) von dem Systemn abgeschaltet wird und aufgrund der auf der Indikatoruhr abgelese­ nen Werte der Spannungszustand der Gesteinswand bestimmt wird.