DE4129562A1

DE4129562A1 - Bohrlochstrainmeter

Info

Publication number: DE4129562A1
Application number: DE4129562A
Authority: DE
Inventors: Dietrich Dr Simon
Original assignee: ZENTRALINSTITUT fur PHYSIK DE
Current assignee: GUM GESELLSCHAFT FUER UMWELTFORSCHUNG UND MESSTECH
Priority date: 1991-09-03
Filing date: 1991-09-03
Publication date: 1993-03-11

Description

Anwendungsgebiete der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Bohrlochstrainmeter und dient zur Überwachung von Untertagedeponien radioaktiver und chemischer Abfälle, von Bergwerken, Staudämmen und anderen Industrie bauten sowie von seismisch aktiven Zonen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Untertägige Deponien zur Endlagerung von radioaktiven Abfällen werden im Salzgestein eingerichtet. Für hochtoxische chemische Abfälle wird an die Endlagerung im Salz gedacht.

Die Sicherheit eines Endlagers hängt wesentlich von der Stand sicherheit der Grubenbaue ab. Zur Standsicherheitsbeurteilung werden die vorgelegten markscheiderischen Rißwerke, Stand sicherheitsberechnungen und geomechanische Meßreihen heran gezogen. Letztere umfassen die Ergebnisse von über- und unter tägigen Wiederholungsnivellements, von trigonometrischen, Gebirgsdruck-, Konvergenz- und Pfeilerquerdehnungsmessungen. Die zum markscheiderischen Routinemeßprogramm gehörenden Konvergenz- und Pfeilerquerdehnungsmessungen werden mit mechanischen Schreibern ausgeführt, deren Meßschwelle nicht unter 0,1 mm liegt (GIMM, W.: Kali- und Salzbergbau, Bd. 1, VEB Verl. Dtsch. Grundstoffind. (Leipzig 1968)). Diese Meß schwelle braucht nicht unterschritten zu werden, wenn es um die Erfassung der starken Gebirgsbewegungen in den abbaunahen Bereichen des Grubenfeldes geht.

Doch die Endlager sind in stillgelegten Salzbergwerken unter gebracht, wo beispielsweise die Konvergenzgeschwindigkeiten nur etwa 0,012 mm/Jahr betragen statt 30 mm/Jahr in Gruben, in denen noch Abbau umgeht.

Zur Erfassung von Gebirgsbewegungen mit geringen Geschwindig keiten werden verschiedene Arten von Strainmetern verwendet. Bekannte technische Lösungen sind das "mechanische Strainmeter" (Wirtschaftspatent DD 1 50 249, HARWARDT, H. (Berlin 1980)), das "Vertikalstrainmeter" (WP DD 2 02 766, HARWARDT, H. (Berlin 1981)) und das "Stangenstrainmeter" (WP DD 2 09 904, HARWARDT, H. (Berlin 1982)). Die Eignung dieser Geräte für die fortlaufende Erfas sung der horizontalen und vertikalen Konvergenzbewegungen in abbaufernen untertägigen Hohlräumen wurde u. a. durch die Arbeit von SIMON, D. HARWARDT, H.: On strain movements at Tiefenort/GDR 1977-1986. Gerl. Beitr. Geophys. 98 (Leipzig 1989) 1, 48-52 nach gewiesen.

Ein wesentlicher Nachteil der bekannten Strainmeterausführungen ist das Fehlen von zusätzlichen Vorrichtungen zur Erfassung von Aufblätterungs- und Quellbewegungen der Gesteinsumgebung des untertägigen Hohlraums sowie von lokalen thermoelastischen Ver zerrungen des hohlraumnahen Gesteins, wodurch eine näherungs weise Trennung der lokalen Bewegungskomponenten von den geome chanisch interessanteren Strainvariationen von regionaler Rele vanz verhindert wird.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur meßtechnischen Erfassung der Konvergenzbewegungen in untertägigen Hohlräumen derart auszubilden, daß mit ihrer Hilfe die Mängel der bekann ten Strainmeter hinsichtlich ihrer Anwendung in Überwachungs einrichtungen von Untertagedeponien, Bergwerken, Staudämmen und anderen Industriebauten sowie seismisch aktiven Zonen beseitigt und die gestellte Meßaufgabe mit einem vertretbaren Aufwand ge löst werden kann.

Darstellung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bohrlochstrain meter zur meßtechnischen Erfassung der Konvergenzbewegungen in untertägigen Hohlräumen derart auszubilden, daß mit seiner Hil fe eine näherungsweise Trennung der geomechanisch interessanten Strainvariationen von regionaler Relevanz von den lokalen Defor mationsbewegungen der Hohlraumumgebung möglich wird.

Die Gesteinsumgebung quillt in den Hohlraum hinein oder blät tert auf, wobei in Streckenmitte beispielsweise höhere Ge schwindigkeiten der vertikalen Konvergenz gemessen werden als in Pfeilernähe. Auch thermoelastische Verzerrungen des hohlraum nahen Gebirges können, wie die in Fig. 2-3 dargestellten Meß beispiele zeigen, Ursachen von lokalen Deformationsbewegungen sein. Sie kommen durch die künstliche Bewetterung des Grubenge bäudes zustande.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mittels einer Vorrichtung gelöst, die sowohl die Konvergenzbewegungen des Hohlraumes (Strecke, Stollen, Tunnel, Kammer) als auch die in der gleichen Meßrichtung ablaufenden Strainvariationen innerhalb des den Hohlraum umgebenden Gebirges meßtechnisch erfaßt.

In der Vertikalen werden demnach nicht nur wie bei markschei derischen Konvergenzmessern die Relativbewegungen zwischen den Bezugspunkten 3 und 4 in Firste und Sohle gemessen, sondern mindestens auch die vertikalen Strainvariationen zwischen den Bezugspunkten 1 und 3 in einem Firstbohrloch und zwischen den Bezugspunkten 4 und 6 in einem Sohlenbohrloch. Bevorzugt wird eine Vorrichtung, die die Relativbewegungen zwischen den Be zugspunkten 1 und 6, 1 und 2, 2 und 3, 4 und 5 sowie 5 und 6 erfaßt. Damit erhält man Meßinformationen über das Abklingen der Quellbewegungen mit zunehmender Bohrlochteufe. Das erleichtert die näherungsweise Trennung der lokalen von den geomechanisch interessanteren Strainvariationen von regionaler Relevanz.

Die erfinderischen Lösungen für horizontale und andere Meß richtungen entsprechen der in Fig. 1 beschriebenen Lösung für die Vertikalkomponente.

Ausführungsbeispiel

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei spiels mittels der Zeichnung näher erläutert. In der zugehö rigen Zeichnung beschreiben

Fig. 1 die bevorzugte Ausführung eines vertikalen Bohrloch strainmeters min Meßeinrichtungen zur Erfassung der Streckenkonvergenz 12 und der vertikalen Strainbewegun gen 21, 22 , 23 und 24 in jeweils zwei Teufenbereichen des First- und des Sohlenbohrlochs.

Fig. 2 Salzbergwerk Tiefenort. Registrierungen von zwei Hori zontalstrainmetern NS und EW und von einem Vertikal strainmeter V.

Fig. 3 Strainregistrierungen von Fig. 2 nach Abzug der Gangkom ponenten mit den konstanten Geschwindigkeiten v(NS) = 2.2×10 exp. (-7), v(EW) = 3.4×10 exp. (-7), v(V) = 15.7×10 exp. (-7)

Der Zeichnung gemäß gehört zum Meßteil des vertikalen Bohr lochstrainmeters die aus dem Firstbohrloch herausragende zen trale Meßstange 7 mit dem Anker 8. Der Anker 8 wird mit Hilfe von Magnesit-Salz-Beton 9 in einiger Entfernung vom Bohrloch tiefsten an die Bohrlochwandung angekoppelt.

Aus dem entsprechenden Sohlenbohrloch ragt die zentrale Meß stange 10, die oberhalb des Bohrlochtiefsten ebenfalls mit Magnesit-Salz-Beton an der Bohrlochwandung verankert wurde. Die Relativbewegungen zwischen den Stangen 7 und 10 können mit induktiven, kapazitiven oder anderen Meßwertgebern gemessen werden. In diesem Ausführungsbeispiel wird der von HARWARDT (WP DD 2 02 766) beschriebene Meßkopf 12 verwendet. Seine wichtig sten Elemente sind der induktive Meßwertgeber 13, ein dünner Meßdraht 14 und eine Motor-Getriebe-Anordnung 15 in einer Schlittenführung 16 zur Gangkorrektur und Feinjustierung des Gebers.

Die Bohrlöcher haben drei Teufenbereiche mit unterschiedlichen Bohrlochdurchmessern. Im Bohrlochtiefsten der breiteren Bohr lochbereiche sind Ankerringe 17 einzementiert, die die Meß drähte oder Meßstangen 18 und 19 (Firstloch) bzw. 20 und 21 (Sohlenloch) halten.

Zwei Meßköpfe 22 und 23 ermöglichen die fortlaufende Registrie rung der Relativbewegungen zwischen der zentralen Meßstange 7 im Firstbohrloch und den Meßdrähten 18 und 19, zwei weitere Meßköpfe 24 und 25 erfassen die entsprechenden Relativbewegun gen im Sohlenbohrloch. Die Meßköpfe 22-24 sind ebenfalls als induktive Meßwertgeber mit Motornachführung und Schlitten aus geführt und können an den Austrittsstellen der Bohrlöcher leicht justiert werden.

In den Meßbeispielen Fig. 2 und 3 können die lokalen thermoela stischen Strainkomponenten als solche leicht erkannt und sepa riert werden, wenn die Registrierungen von zwei am gleichen Ort installierten Strainmetern zur Verfügung stehen. Günstige Gerätekombinationen sind beispielsweise ein horizon taler (EV) und ein vertikaler (V) Konvergenzmesser oder ein vertikaler Konvergenzmesser (V) und ein vertikales Bohrloch strainmeter. Bevorzugt wird die letztere Variante, weil beide Geräte in der gleichen Richtung messen und die Quell- und Aufblätterungseffekte miterfassen.

Wie Fig. 3 erläutert, stimmen die am gleichen Ort von den Strainmetern EV und V erfaßten thermoelastischen Komponenten relativ gut überein. Beide Geräte haben ihre Meßplätze im Stationsinnern, wo die Gesteinstemperatur im Rahmen der Meß genauigkeit (0,1°C) als konstant angesehen werden kann.

Das Strainmeter NS wurde dagegen im Einflußbereich eines Wetterstroms installiert, der die Gesteinstemperatur in der Meß platzumgebung beeinflußt. Obwohl das NS- Strainmeter nur wenige 100 m von denen der Vergleichsinstrumente EW und V entfernt ist, weichen die mit diesem Instrument gemessenen thermoelastischen Komponenten von den Meßergebnissen der anderen Geräte erheblich ab. Bei der flächenhaften Überwachung eines ausgedehnten Gruben feldes mit einer begrenzten Zahl von Vertikalstrainmetern ist an jeder Meßstelle mit anderen thermoelastischen Bewegungskompo nenten zu rechnen. Der erfindungsgemäße kombinierte Einsatz von Konvergenzmessern und Bohrlochstrainmetern vermindert die Regi strierfehler, die durch den Einfluß des lokalen thermoelasti schen Strainfeldes verursacht werden.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1, 2, 3, 4, 5, 6 Bezugspunkte innerhalb von Firste und Sohle, zwischen denen Relativbewegungen gemessen werden
7 zentrale Meßstange im Firstbohrloch
8 Anker
9 Magnesit- Salz- Beton zur Ankerbefestigung
10 zentrale Meßstange im Sohlenbohrloch
11 Anker
12 Strainmetermeßkopf
13 induktiver Meßwertgeber
14 dünner Meßdraht
15 Motor-Getriebe-Anordnung zur Gangkorrektur
16 Schlittenführung zur Feinjustierung
17 Ankerringe der Bohrlochstrainmeter
18, 19 Meßdrähte der Firstbohrloch-Strainmeter
20, 21 Meßstangen der Sohlenbohrloch-Strainmeter
22, 23 Meßköpfe der Firstbohrloch-Strainmeter
24, 25 Meßköpfe der Sohlenbohrloch-Strainmeter
EW Horizontalstrainmeter, Meßrichtung Ost-West
NS Horizontalstrainmeter, Meßrichtung Nord-Süd
V Vertikalstrainmeter, erfaßt als Konvergenzmesser die Relativbewegungen zwischen Firste und Sohle

Claims

1. Bohrlochstrainmeter, zur Anwendung in flächenhaft ausgedehnten Überwachungsnetzen von Untertagedeponien radioaktiver und chemischer Abfälle, von Bergwerken, Staudämmen und anderen Industriebauten sowie von seismisch aktiven Zonen, unter Verwendung bekannter Strainmeterausführungen wie des Ver tikalstrainmeters von HARWARDT oder des mechanischen Strain meters von HARWARDT, mit induktiven, kapazitiven oder anderen Meßwertgebern, dadurch gekennzeichnet daß bei vertikaler Installation in untertägigen Meßkammern sowohl die Konvergenzbewegungen zwischen je einem Bezugspunkt in Firste und Sohle, z. B. zwischen (1) und (6), als auch die Quellbewegungen der Hangend- und Liegendschichten, beispielsweise zwischen den Bezugspunkten (1) und (3) im Firstbereich sowie zwischen (4) und (6) im Sohlenbereich gemessen werden, wodurch eine näherungsweise Trennung der lokalen Bewegungskomponenten von den geomechanisch interessanteren Strainvariationen von regionaler Relevanz ermöglicht wird.

2. Bohrlochstrainmeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strainvariationen nicht in vertikalen sondern in horizontalen Bohrlöchern gemessen werden oder in solchen, die gegen die Lotrichtung um einen Winkel von 45° geneigt sind, wobei Meß-und Bohrlochrichtungen übereinstimmen.

3. Bohrlochstrainmeter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß neben den Konvergenzbewe gungen der Meßkammer die Strainbewegungen innerhalb der beiden Bohrlöcher jeweils in mindestens zwei Bohrlochteufen bereichen gemessen werden, um Informationen über das Abklin gen der Quellbewegungen der Meßkammerumgebung mit wachsenden Bohrlochteufen zu erhalten. Mit Hilfe eines solchen Bohrloch strainmeters werden beispielsweise die Konvergenzbewegungen zwischen den Bezugspunkten (3) und (4) sowie die Strainbewe gungen zwischen den Bezugspunkten (1) und (3), (2) und (3), (4) und (5) sowie zwischen (4) und (6) gemessen.

4. Bohrlochstrainmeter nach Anspruch 2 oder 3 , dadurch gekennzeichnet, daß die Konvergenzbewegungen der Meßkammer und die Strainvariationen in den beiden Bohrlöchern von mehreren Teilinstrumenten gemessen werden, die entweder in denselben Bohrlöchern oder in hinreichend benachbarten Bohrlöchern installiert sind.

5. Bohrlochstrainmeter nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Konvergenzbewegungen der Meßkammer nicht mitgemessen werden, wodurch daß Bohrloch strainmeter in zwei jeweils vollständig in Bohrlöchern instal lierte Teilstrainmeter zerfällt, beispielsweise in ein First- und ein Sohlenbohrlochstrainmeter.

6. Bohrlochstrainmeter nach Anspruch 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strain variationen in zwei oder mehreren Teufenbereichen eines von Übertage aus gebohrten vertikalen oder um 45° gegen die Lot richtung geneigten Bohrloches in Bohrlochrichtung meßtechnisch erfaßt werden.