DE4132749C2 - Anordnung zur Messung von sprunghaften Änderungen des Vertikalstrains an Pfeilern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Anordnung dient zur Messung von sprung­ haften Änderungen des Vertikalstrains an Pfeilern und zur Überwachung von Bergwerken und Untertagedeponien radioaktiver und chemischer Abfälle. Die Anordnung wurde speziell für die Überwachung von tektonischen Schwächezonen im Deckgebirge der untertägigen Hohlräume entwickelt.

Bekannte technische Lösungen für Vorrichtungen zur Messung von stetig ablaufenden Strainvariationen an Salzpfeilern sind das "Vertikalstrainmeter" (Wirtschaftspatent DD 2 02 766, HARWARDT, H. [Berlin 1981]), das "Stangenstrainmeter" (WP DD 2 09 904, HAR­ WARDT, H. [Berlin 1982]) sowie das "Bohrlochstrainmeter" (Patent­ anmeldung SIMON, D. [Berlin (1991]).

Die genannten Strainmeter haben den Nachteil, daß sie bei dyna­ mischer Beanspruchung keine fehlerfreien Aufzeichnungen der bleibenden Strainsteps liefern, weil durch Veränderungen an be­ anspruchten Geräteteilen instrumentelle Komponenten ins Spiel kommen können. Beispielsweise wird bei einem lokalen seismi­ schen Ereignis der im Gebirge verankerte Bolzen am festen Ende eines Stangenstrainmeters die beschleunigte Bewegung des Unter­ grundes mitmachen, während die träge Masse der Strainmeter­ stange ihren Bewegungszustand beizubehalten sucht. Aus diesen Gründen kommt es im Bereich der Stangenbefestigung zu einer Materialbeanspruchung, die zu sprunghaften Längenänderungen der Stange oder ruckhaften Versetzungen der Halterung führen können.

Die im Talsperrenbau längst üblich gewordene Überwachung tekto­ nischer Schwächezonen (BALAVADSE, B.K., ABASCHIDSE, A.A.: Naklony i deformacii zemnoj kory v rayone Ingurskoj GES. Bull. of Acad. of Sc. of the Georgian SSR [Tbilisi 1985]) gewinnt auch im Berg­ bau zunehmend an Bedeutung, je mehr dieser nach erfolgtem Ab­ bau der günstiger gelegenen Lagerstättenteile in größere Abbauteufen und in Gebiete mit komplizierterer tektonischer Struktur vordringt.

Ein wichtiges Argument für die Überwachung der tektonischen Schwächezonen im Deckgebirge von Untertagedeponien nuklearer Brennstoffe ist die strahlungsbedingte Aufheizung des Gebirges nach längerer Lagerzeit auf Temperaturen bis zu 200°C gemäß Patentschrift DE 34 03 521 (KESSELS, W., FLENTGE, I., KOLDITZ, H.: Vorrichtung zur Bestimmung eines Spannungszustandes [München 1985]).

Eine bekannte technische Lösung dieser Aufgabe ist die Anord­ nung und das Verfahren zur Überwachung von tektonischen Schwä­ chezonen im Deckgebirge von SIMON, D. und NEUMEYER, J. (WP DD 2 77 492 [Berlin 1988]). Hierbei gehören zu einer sogenannten Faultüberwachungsmeßstelle (FÜM) zwei an beiden Ufern der Schwächezone installierte Meßanordnungen.

Jede dieser Meßanordnungen besteht aus zwei Neigungsmessern 1 und 2 sowie einem Druckkissensensor 9. Sie werden gemäß WP DD 2 75 289 von SIMON, D. und NEUMEYER, J. (Berlin 1988) zur indi­ rekten Messung von sprunghaften Änderungen des Pfeilerbela­ stungsdruckes eingesetzt.

Ein wesentlicher Nachteil dieser Methode ist das aufwendige Eichverfahren. Um die Aufzeichnungen der zu beiden Seiten des Pfeilers messenden Neigungsmesser mit Hilfe des im gleichen Pfeiler als Gebirgsdruckmesser arbeitenden Druckkissensensors von KESSELS, FLENTGE und KOLDITZ (Patent DE 34 03 521 [1985]) als Druckregistrierungen zu eichen, muß eine drastische Ände­ rung des Pfeilerbelastungsdruckes erzeugt werden. Das kann gemäß Patent DD 2 75 492 durch das Abklappen eines Nachbarpfeilers geschehen. Der große Eicheffekt ist wegen der relativ hohen Meßschwelle des Druckkissengebers von 0.1 MPa erforderlich. Die zur Erfassung von Änderungen im Durchtrennungsgrad der tek­ tonischen Schwächezonen geeigneten sprunghaften Änderungen des Pfeilerbelastungsdruckes haben ihre Ursachen im Ein- und Abschalten der Hauptgrubenlüfter, in den normalen Gewinnungs- Sprengarbeiten, in Gas-Salz-Ausbrüchen oder in lokalen seismi­ schen Ereignissen.

Die Streßsteps erreichen normalerweise in Herdentfernungen <150 m Beträge zwischen 0.00 001 MPa und 0.01 MPa und können mit Hilfe der Neigungsmesser gemessen werden. Ihre Beträge liegen demnach unterhalb der Meßschwelle des Druckkissensensors von 0.1 MPa. Daraus ergibt sich als weiterer Nachteil der bekannten technischen Lösung, daß sich die Beträge von Eich- und Meßeffekten um Größenordnungen unterscheiden.

Ziel der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Messung von sprunghaften Änderungen des Vertikalstrains an Pfeilern derart auszubilden, daß mit ihrer Hilfe die Mängel der bekannten Strainmeter und der Anordnungen zur Überwachung von tektonischen Schwächezonen beseitigt und die gestellten Meßaufgaben mit ei­ nem vertretbaren Aufwand gelöst werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Messung von sprunghaften Änderungen des Vertikalstrains an Pfeilern derart auszubilden, daß mit ihrer Hilfe die zur Über­ wachung der tektonischen Schwächezonen wichtigen Strainsteps in der vertikalen Meßrichtung weitgehend frei von instrumentel­ len Fehlern und mit einer angemessenen Eichgenauigkeit erfaßt werden können.

Diese Aufgabe löst die Erfindung durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Die erfindungsgemäße Anordnung besteht aus zwei Flüssigkeitsneigungsmessern 1 und 2 sowie einem Vertikalstrainmeter 3. Die drei Geräte 1, 2 und 3 sind gemäß Fig. 1 am selben Pfeiler installiert.

Wie bei der Anordnung von SIMON und NEUMEYER (WP DD 2 75 289) messen die beiden Neigungsmesser 1 und 2 beiderseits des Pfei­ lers im selben Azimut senkrecht zu den Pfeilerstößen. Das Ver­ tikalstrainmeter 3 erfaßt die Relativbewegungen zwischen zwei horizontalen Bolzen 7 und 8, die im Pfeiler in einheitlichen Entfernungen d von der Firstebene bzw. der Sohlenebene veran­ kert sind.

Erfindungsgemäß erfolgt die Eichung der Neigungsaufzeichnungen als Strainregistrierungen mit Hilfe von sprunghaften Änderungen der Pfeilerbelastung, beispielsweise über den barometrischen Belastungseffekt durch Ein- und Abschalten der Hauptgrubenlüf­ ter. Dieser Effekt wurde in der Arbeit von D. SIMON: Der baro­ metrische Belastungseffekt im Bergwerk. Meßergebnisse und An­ wendungsmöglichkeiten (Veröff. des Zentralinstituts für Physik der Erde Nr. 101 [Potsdam 1989]) beschrieben und durch Modell­ rechnungen quantitativ gedeutet.

In Gruben mit Baufeldgrößen von 100 Quadratkilometern und mehr werden beim Einschalten der Hauptgrubenlüfter innerhalb von wenigen Minuten im gesamten Grubenfeld meßbare Deformationen des Hangenden, Liegenden und der Pfeiler verursacht.

Die gemessenen Deformationsbeträge entsprechen den Wirkungen einer Zusatzlast von mehreren Millionen Tonnen, die innerhalb der genannten Zeitspanne auf das Deckgebirge des Hohlraumsy­ stems aufgebracht und gleichmäßig verteilt werden mußte. Die Zusatzdeformationen des Salzgebirges halten so lange an, bis die Hauptgrubenlüfter, mitunter erst nach Tagen, wieder abge­ schaltet werden.

In Fig. 2 werden Registrierungen der beiden Neigungsmesser 1 und 2 mit den Auswirkungen von wiederholten Pfeilerbelastungs­ änderungen dieser Art gezeigt.

In den Originalregistrierungen A1 und B1 der Neigungsmesser sind die gemessenen Gezeitenkomponenten mit den gleichen Vor­ zeichen, die barometrischen Belastungswirkungen dagegen mit entgegengesetzten Vorzeichen enthalten. Die Kurven A1′ und B1′ wurden aus A1 und B1 durch Eliminierung der Gezeitenanteile gewonnen. Im unteren Teil von Fig. 2 sind die Kurven der ent­ sprechenden über- und untertägigen Luftdruckvariationen dar­ gestellt.

Fig. 3 zeigt die Wirkungen von luftdruckbedingten Belastungs­ änderungen des Deckgebirges in den Registrierungen von vier Horizontal- und zwei Vertikalstrainmetern der geophysikalischen Untertagestation Tiefenort. Drei der Horizontalstrainmeter (EW1, EW2 und NS2) wurden zwischen den Streckenstößen installiert und erfassen die Pfeilerquerdehnung mit. Das vierte Horizontal­ strainmeter registriert in Streckenmitte etwa in Streckenrich­ tung. Im Falle des Vertikalstrainmeters V1, das in Strecken­ mitte zwischen Firste und Sohle installiert ist, ist die be­ lastungsbedingte Streckenkonvergenz zu berücksichtigen. Mit diesem Gerät werden die Strainsteps mit den größten Beträgen gemessen. V2 ist in einem vertikalen Sohlenbohrloch in Strecken­ mitte installiert und registrierte die belastungsbedingten Rela­ tivbewegungen zwischen dem Bohrlochtiefsten und einem Bezugs­ punkt etwa 30 cm unterhalb der Streckensohle. In Fig. 3 sind die Absolutbeträge der Strainsteps angegeben. Die Meßnormale der sechs Strainmeter haben Längen zwischen 3 m und 27 m. Die in der bereits zitierten Arbeit von SIMON, D. (1989) durchgeführ­ ten Modellrechnungen gestatten eine näherungsweise Erklärung der Meßresultate aufgrund der Hohlraumkonfiguration und der Anordnung der Meßstellen im Hohlraumsystem.

Durch die Eichung der Flüssigkeitsneigungsmesser als Vertikal­ strainmeter wird erreicht, daß die bei lokalen seismischen Ereignissen, bei Gas-Salz-Ausbrüchen oder beim normalen Gewin­ nungssprengen auftretenden dynamischen Beanspruchungen der Meßgeräte die Meßergebnisse weniger stark beeinflussen. Mit größerer Wahrscheinlichkeit als bei normalen Strain­ metern können hier Versetzungen der Registrierkurven als Wir­ kungen von Strainsteps identifiziert werden. Denn die Flüssigkeitskörper der beiden Neigungsmesser werden durch das lokale seismische Ereignis zwar ebenfalls zu Schwingungen angeregt, stellen sich aber nach dem Abklingen dieser Schwingungen in die neuen Gleichgewichtslagen ein. Dabei sind die mit entgegenge­ setzten Vorzeichen beiderseits des Pfeilers gemessenen Nei­ gungsänderungen der sprunghaften Änderung des Vertikalstrains am Pfeiler proportional.

Mit den Aufzeichnungen der 3 Geräte verfügt der Beobachter über 3 unabhängige Messungen am selben Pfeiler, wobei zwei von ihnen auch noch entgegengesetzte Vorzeichen haben müssen. Ein auf diese Weise festgestellter Strainstep kann als relativ sicher bestimmt gelten.

Im Gegensatz zur Patentschrift DD 2 77 492 verwendet die erfin­ dungsgemäße Lösung die durch barometrische Belastungsänderungen der Pfeiler verursachten Effekte auch zur Absoluteichung der Neigungsaufzeichnungen als Strainregistrierungen. Das bringt drei Vorteile: die kleinen, aber relativ genau bestimmten, Strainsteps können selbst zur Überwachung zur fortlaufenden Überwachung der tektonischen Schwächezonen dienen, die Eichungen können mit ge­ ringerem Aufwand als bisher und zu beliebiger Zeit durchgeführt werden. Durch die gleiche Größenordnung von Eich- und Meßeffekten wird ferner eine Steigerung der Eichgenauigkeit erreicht.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spiels mittels der Zeichnung näher erläutert. In der zugehöri­ gen Zeichnung beschreibt

Fig. 1 die bevorzugte Anordnung (Aufriß) zur Messung von sprunghaften Änderungen des Vertikalstrains an Pfeilern,

Fig. 2 ein Meßbeispiel für Registrierungen der Wirkungen von barometrischen Belastungsänderungen des Deckgebirges mittels zweier Neigungsmesser,

Fig. 3 ein Meßbeispiel für Registrierungen der Wirkungen von barometrischen Belastungsänderungen des Deckgebirges mit Hilfe von sechs Strainmetern.

Bevorzugt wird eine Anordnung aus zwei Flüssigkeitsneigungsmes­ sern 1 und 2 nach WP DD 2 92 329 (SIMON, D., [Berlin 1990]) und einem Vertikalstrainmeter 3 nach WP DD 2 02 766 (HARWARDT, H., [Berlin 1981]). Das Vertikalstrainmeter mißt die Relativbewe­ gungen zwischen den im Pfeiler verankerten horizontalen Bolzen 6 und 7. Über die quasi sprunghaft ablaufenden Belastungsände­ rungen der Pfeiler durch Änderungen des untertägigen Luftdrucks durch Ein- und Abschalten der Hauptgrubenlüfter lassen sich die die Neigungsmesser 1 und 2 mittels der Registrierungen des Ge­ rätes 3 als Vertikalstrainmeter-Registrierungen eichen. Durch die Flüssigkeitsneigungsmesser können aber auch echte Strain­ steps erfaßt werden, welche die normalen Vertikalstrainmeter 3 aufgrund der dynamischen Beanspruchung von Geräteteilen nicht fehlerfrei messen.

Für eine Faultüberwachungsmeßstelle (FÜM) werden zwei der be­ schriebenen Anordnungen benötigt. Sie werden an zwei benach­ barten Pfeilern installiert, die an beiden Ufern der tektoni­ schen Schwächezone liegen. Das bevorzugte Überwachungssystem für tektonische Schwächezonen im Deckgebirge weicht hinsicht­ lich des verwendeten Gerätes 3 (hier Vertikalstrainmeter, dort Druckkissensensor) und des Eichverfahrens (hier barome­ trischer Belastungseffekt, dort Abklappen eines Nachbarpfei­ lers) von der im WP DD 2 77 492 (SIMON, D., NEUMEYER, J. [1988]) beschriebenen technischen Lösung ab.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1, 2 Flüssigkeitsneigungsmesser
3 Vertikalstrainmeter
4 Meßkopf des Vertikalstrainmeters
5 induktiver Meßwertgeber
6 Meßdraht
7, 8 Endbolzen des Vertikalstrainmeters
A1, B1 Registrierungen der Neigungsmesser
Pu untertägiger Luftdruck
Po übertägiger Luftdruck
EW1, EW2 Registrierungen der Ost-West-Strainmeter
NS1, NS2 Registrierungen der Nord-Süd-Strainmeter
V1, V2 Registrierungen der Vertikalstrainmeter

Claims (2)

1. Anordnung zur Messung von sprunghaften Änderungen des Verti­ kalstrains an Pfeilern, unter Verwendung von bekannten Nei­ gungsmessern und Vertikalstrainmetern als Sensoren, ferner unter Verwendung eines bekannten Verfahrens zur Überwachung von tektonischen Schwächezonen im Deckgebirge von untertägi­ gen Hohlräumen, dadurch gekennzeichnet, daß an ein und demselben Pfeiler zwei Flüssigkeitsneigungs­ messer (1) und (2) sowie ein Vertikalstrainmeter (3) instal­ liert sind, daß die Neigungsmesser (1) und (2) beiderseits des Pfeilers im gleichen Azimut möglichst senkrecht zu den Pfeilerstößen messen, daß das Vertikalstrainmeter (3) die Relativbewegungen zwischen zwei horizontalen Endbolzen (7) und (8) mißt, die im Pfeiler jeweils im Abstand d von der Firstebene bzw. der Sohlenebene verankert sind, daß zur Ei­ chung die Wirkungen der Deckgebirgsbelastungen verwendet werden, die durch Ein- oder Abschalten der Hauptgrubenlüfter entstehen, daß zu Eichzwecken aber auch die Wirkungen solcher sprunghafter Pfeilerbelastungsänderungen herangezogen werden, die durch lokale seismische Ereignisse, Gas-Salz- Ausbrüche oder durch das normale Gewinnungssprengen ent­ stehen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein zweites Vertikalstrainmeter (3) am Pfeiler installiert wird derart daß an jedem Pfeilerstoß, an dem ein Flüssigkeitsneigungsmesser (1) oder (2) instal­ liert ist, auch ein Vertikalstrainmeter (3) registriert, daß durch diese 4-Geräte-Anordnung mögliche Belastungsunter­ schiede der beiden Pfeilerseiten als solche erkannt und quantitativ bestimmt werden können.