EP4183974A1

EP4183974A1 - Sensorgestütztes hohlstab-system

Info

Publication number: EP4183974A1
Application number: EP22207596.2A
Authority: EP
Inventors: Wolfgang Dolsak; Dominik DENDL
Original assignee: DSI Underground Austria GmbH
Current assignee: DSI Underground Austria GmbH
Priority date: 2021-11-17
Filing date: 2022-11-15
Publication date: 2023-05-24
Anticipated expiration: 2042-11-15
Also published as: EP4183974B1; AT525566A4; AT525566B1

Abstract

Bei einem sensorgestützen Hohlstab-System (1) bestehend aus wenigstens einem Hohlstab (2), gegebenenfalls wenigstens einem Kopplungselement und einer Mutter (7) mit einer Halteplatte (6) sowie wenigstens einem Zustandsüberwachungssystem, umfassend wenigstens ein Messelement, eine Übertragungseinheit (9) sowie eine Kommunikationsschnittstelle (10) enthaltend eine Auswerteeinheit, ist das Hohlstab-System (1) als selbstbohrendes System mit einer einem Bohrlochinneren zugewandten verlorenen Bohrkrone (3) ausgebildet und ist jeder Hohlstab (2) als wenigstens zweilagiges Rohr, umfassend ein inneres Messrohr und ein äußeres Mantelrohr, ausgebildet.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein sensorgestütztes Hohlstab-System bestehend aus wenigstens einem Hohlstab, gegebenenfalls wenigstens einem Kopplungselement und einer Mutter mit einer Halteplatte sowie wenigstens einem Zustandsüberwachungssystem, umfassend wenigstens ein Messelement, eine Übertragungseinheit sowie eine Kommunikationsschnittstelle enthaltend eine Auswerteeinheit.
Hohlstab-Systeme, insbesondere selbstbohrende Hohlstab-Systeme, bei welchen mit einer Bohrkrone ein Hohlstab in Boden- oder Gesteinsmaterial, sei es für einen Tiefbau, Tunnelbau oder dgl. eingebracht wird, sind seit vielen Jahren bekannt. Als besonders effizient haben sich hierbei die sogenannten selbstbohrenden Systeme erwiesen, bei welchen das Stützelement bzw. der Hohlstab mit einer Bohrkrone derart verbunden ist, dass es einerseits zur Ausbildung des Bohrlochs dient und andererseits nach Ausbildung des Bohrlochs der Hohlstab im Inneren des Bohrlochs durch beispielsweise Zementmilch fixiert wird und die Bohrkrone als sogenannte verlorene Bohrkrone im Berg oder Boden verbleibt. Derartige Systeme sind ein wesentlicher Bestandteil des modernen Tunnelvortriebs, mit welchem es gelingt, sowohl eine Ortsbrust als auch eine radiale oder auch vorauseilende Verankerung bereitzustellen, so dass unbeabsichtigte Gesteinsbrüche mit Sicherheit hintangehalten werden können. Derartige Hohlstab-Systeme werden üblicherweise mittels sogenanntem Drehschlagbohren oder drehendem Bohren in den Berg oder den Boden eingebracht, bei welchem Drehschlagbohren der Bohrkopf mit samt dem Hohlstab zuerst von der Ortsbrust zurückgezogen wird, dann um einen bestimmten Winkel, beispielsweise einen Viertelkreis weitergedreht wird und neuerlich mit Schlagenergie beaufschlagt wird, um weiter in den Berg oder Boden hineingetrieben zu werden. Wie dies offensichtlich ist, wird bei einem derartigen Drehschlagbohren auf das Hohlstab-System eine immense Belastung durch die aufgewandte Schlagenergie aufgebracht, so dass es bis dato nicht möglich war, gleichzeitig mit derartigen Hohlstab-Systemen in den Berg bzw. den Boden verschiedene Messelemente miteinzubringen, da diese während dem Einbringen in den Berg und Boden durch die aufgewandte Schlagenergie beschädigt wurden.
Aus diesem Grund existiert eine Vielzahl von Lösungen für das Einbringen von Messelementen in Boden- oder Gesteinsmaterial, bei welchen zuerst ein Loch, insbesondere Bohrloch ausgebildet wird, das Bohrgerät aus dem Loch gezogen wird und danach, ohne eine übermäßige Druckbeaufschlagung bzw. Schlagenergie auf das Gestänge eines Stabs aufzubringen, das Messelement bzw. die Messelemente tragende Stange bzw. das Rohr in den Berg oder Boden eingebracht wird. Bei derartigen Stäben bzw. Rohren können die Messelemente sowohl an der Außenseite der Stange als auch im Inneren angebracht sein, da sie einer mechanischen Beanspruchung, die mit jener während des Einschlagens eines Stabs oder Ankers in den Bergs vergleichbar wäre, keinesfalls ausgesetzt sind. Ein weiteres Problem, welches mit dem direkten Einbringen von Messelementen in den Berg oder Boden durch Drehschlagbohren verbunden ist, liegt darin, dass üblicherweise einzubringende Stäbe bzw. auch Anker nur eine bestimmte vorgefertigte Länge aufweisen und nachdem diese Länge in den Berg eingebracht wurde, eine Kopplung mit einem zweiten stangen- bzw. rohrförmigen Element über eine Muffe erfolgen muss und das Bohren so lange fortgesetzt wird, bis eine ausreichende Tiefe des eingesetzten Stabs bzw. Ankers erreicht wird. Wenn nun ein Hohlstab-System, welches im Inneren oder Äußeren mit Messelementen versehen ist, durch einen weiteren Stab verlängert werden soll, besteht die Schwierigkeit, dass auf der Außen- oder Innenoberfläche aufgebrachte bzw. angeordnete Messelemente so mit den bereits im Berg eingebrachten Messelementen oder Sensoren verbunden werden müssen, dass eine sichere und zuverlässige Messung der jeweiligen gewünschten Messgröße erreicht werden kann.
Ein Beispiel eines derartigen Hohlstabs mit Sensorsystem kann beispielsweise der WO 2016/076788 A1 entnommen werden, bei welcher ein Hohlstab in ein Bohrloch eingesetzt wird, in dessen Inneren ein verlängerter, elektrisch leitender Sensor eingebracht ist und über das Verankerungsende mit einer Beobachtungsvorrichtung bzw. einem Monitor verbunden ist. Mit einer derartigen Vorrichtung soll der Zustand des Hohlstabs selbst überprüfbar sein.
Der WO 2020/169356 A1 ist ein Gebirgsanker mit Sensor zum Messen der mechanischen Spannung entnehmbar. Gemäß diesem Dokument wird ein stangenförmiges Element, wie eine Bewehrungsstange oder dgl. in ein vorgefertigtes Bohrloch eingesetzt, auf welchem stangenförmigen Element eine Leiterbahn aufgebracht ist. Mit einer derartigen Vorrichtung soll die mechanische Spannung am Befestigungsabschnitt des stangenförmigen Elements zu messen sein.
All diesen Vorrichtungen ist gemeinsam, dass sie zeitaufwändig herzustellen sind und insbesondere aufgrund der Tatsache, dass die Bohrlöcher vorgefertigt werden müssen und erst nachträglich die entsprechenden stangenförmigen bzw. stab- oder rohrförmigen Elemente eingesetzt werden können, auch teuer herzustellen sind, so dass eine lückenlose Überwachung von beispielsweise einem gesamten Tunnelabschnitt, in welchem eine Vielzahl, wenn nicht 100te Gebirgsanker eingesetzt sind, mit derartigen Vorrichtungen und auch ihren Einsetzverfahren nicht möglich erscheint.
Die vorliegende Erfindung zielt nun darauf ab, ein selbstbohrendes Hohlstab-System bereitzustellen, mit welchem es gelingt, in einem Schritt das Bohrloch auszubilden und gleichzeitig ein stabförmiges Element, insbesondere einen Hohlstab einzubringen, der mit den entsprechenden Sensoren ausgestattet ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße sensorgestützte Hohlstab-System im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlstab-System als selbstbohrendes System mit einer einem Bohrlochinneren zugewandten verlorenen Bohrkrone ausgebildet ist und dass jeder Hohlstab als wenigstens zweilagiges Rohr, umfassend ein inneres Messrohr und ein äußeres Mantelrohr, ausgebildet ist. Indem das sensorgestützte Hohlstab-System als selbstbohrendes System mit einer einem Bohrlochinneren zugewandten verlorenen Bohrkrone ausgebildet ist, gelingt es in ein und demselben Arbeitsschritt, das Bohrloch, sei es im Boden- oder Gesteinsmaterial, sei es als Tieflochbohrung oder beispielsweise als Rohrschirm auszubilden und die entsprechenden stabförmigen Elemente wie Anker, Bodennägel oder Mikropfähle in ein auszubildendes Bohrloch einzubringen und gleichzeitig und unter Berücksichtigung der Tatsache, dass der Hohlstab als wenigstens zweilagiges Rohr ausgebildet ist, die erforderlichen Messelemente in das auszubildende Bohrloch einzubringen. Dies gelingt insbesondere dadurch, dass der das als wenigstens zweilagiges Rohr ausgebildete Hohlstab an seinem Äußeren ein Mantelrohr aufweist, welches Mantelrohr derart ausgebildet ist, dass es Schlagbeanspruchungen, wie sie bei einem Drehschlagbohren oder auch drehenden Bohren auf die in den Berg einzubringenden Pfähle oder Anker ausgeübt werden, standhalten kann und weiterhin ein inneres Mantelrohr vorgesehen ist, auf bzw. an welchem die empfindlichen Messelemente angeordnet bzw. auf welches diese aufgebracht sind. Bei einer Schlagbeanspruchung wird hierbei das äußere Mantelrohr im Wesentlichen beaufschlagt und das üblicherweise dünner bzw. einen geringeren Querschnitt aufweisende innere Messrohr nicht oder nur geringfügig beaufschlagt. Hierbei kann die Ausbildung auch so getroffen werden, dass das innere Messrohr eine geringfügig geringere Längserstreckung als das Mantelrohr aufweist, so dass bei einer Schlagbeanspruchung die empfindlichen Messsysteme nicht unmittelbar beaufschlagt werden können.
Einem Fachmann auf dem Gebiet der Tieflochbohrung, des Setzens von Bodennägeln bzw. der Ankertechnik ist es zweifelsfrei bekannt, dass jegliche rohrförmigen bzw. stabförmigen Elemente mit einer vorbestimmten Länge ausgebildet werden und dass im Falle einer tieferen Bohrung üblicherweise mehrere derartige Hohlstabelemente bzw. stangenförmigen Elemente miteinander verbunden werden müssen. Ein derartiges Verbinden gelingt üblicherweise mittels einer Rohrmuffe oder auch einer direkten Verschraubung, indem eines der rohrförmigen Elemente ein aufnehmendes Gewinde und das andere ein aufzunehmendes Gewinde aufweist.
Im Falle eines zweilagigen Rohres, bei welchem das Innenrohr als Messrohr ausgebildet ist, ist die Erfindung hierbei so weitergebildet, dass jeweils zwei aus einer Mehrzahl von Mantelrohren über ein Kopplungselement, insbesondere eine Rohrmuffe verbunden sind und dass wenigstens im Bereich einer Verbindung von Messrohren bzw. Messrohrabschnitten ein elektrisch leitfähiges Verbindungselement vorgesehen ist. Wesentlich ist in diesem Zusammenhang, dass im Bereich der Verbindung von Messrohren bzw. Messrohrabschnitten ein elektrisch leitfähiges Verbindungselement vorgesehen ist, da Messungen im Boden oder Berg üblicherweise über elektrische Leitfähigkeit erfolgen, da beispielsweise opto-chemische Sensoren für derartige Einsatzzwecke nicht geeignet sind. Das Ausbilden einer derartigen Verbindung gelingt hierbei beispielsweise durch dazwischen Anordnen von elektrisch leitfähigen Beilagscheiben, leitfähigen Druckelementen, die beim Zusammenziehen der beiden Rohre auf Druck beansprucht werden und somit den elektrischen Strom sicher weiterleiten und dgl. mehr.
Bei herkömmlichen stabförmigen Messelementen, die in Boden- oder Gesteinsmaterial nach Ausbildung des Bohrlochs eingebracht werden, um eine bestimmte Eigenschaft des Boden- oder Gesteinsmaterials oder beispielsweise den Zustand des entsprechenden Ankers zu messen, war es üblich, lediglich eine einzige Eigenschaft auf einmal zu messen. Mit dem System gemäß der vorliegenden Erfindung ist nunmehr möglich, zusätzlich zu der Messung mittels des Messrohrs auch weitere Messgrößen gleichzeitig zu erfassen, indem beispielsweise auf das Messrohr zusätzlich eine leitfähige Tinte, ein faseroptisches System, gedruckte Sensoren oder dgl. aufgebracht werden. Für die Messung von zwei verschiedenen Eigenschaften, wie beispielsweise den Druck, der auf das rohrförmige Element wirkt und den Feuchtigkeitsgehalt oder die Biegebeanspruchung, die auf das rohrförmige Element wirkt, ist die Erfindung dahingehend weitergebildet, dass das wenigstens eine Messrohr aus einem elektrisch leitfähigen Stahl- oder Kunststoffrohr gebildet ist und dass das Messrohr gegebenenfalls zusätzlich mit faseroptischen Sensoren und/oder gedruckten Sensoren versehen ist.
Um ein unbeabsichtigtes Verlieren von insbesondere dem im Inneren des Mantelrohrs angeordneten Messrohr mit Sicherheit zu verhindern, ist die Erfindung dahingehend weitergebildet, dass das wenigstens eine Messrohr mit dem zugehörigen Mantelrohr kraft- und formschlüssig verbunden ist. Ein derartiger kraft- und formschlüssiger Verbund gelingt beispielsweise durch Walzen bzw. Rollen, insbesondere Kaltrollen, mit welchen Verfahren dehnende und stauchende Verformungen auf das stabförmige Element aufgebracht werden, wodurch eine sichere und zuverlässige Verbindung von beiden ineinander angeordneten rohrförmigen Elemente bewirkt wird.
Um insbesondere, wenn eine Mehrzahl, vorzugsweise wenigstens zwei Hohlstäbe, die miteinander mittels eines Kopplungselements verbunden sind, zu gewährleisten, dass auch die im Inneren von jedem Hohlstab angeordneten Messrohre vollflächig und insbesondere ohne Fehlkontakte miteinander verbunden sind bzw. in Kontakt stehen, ist die Ausbildung im Wesentlichen so getroffen, dass das elektrisch leitfähige Verbindungselement gewählt ist aus einem elektrisch leitfähigen Schaum, eklektisch leitenden Kontaktflächen oder Steckverbindungen. Indem das elektrisch leitfähige Verbindungselement aus einem elektrischen Schaum bzw. elektrische leitfähigen Kontaktflächen, insbesondere Kontaktflächen aus unter Druck leicht verformbaren Materialien, wie Kupferblechen oder dgl. oder auch herkömmlichen Steckverbindungen gebildet sind, gelingt es zu gewährleisten, dass auch bei Verbindung von mehreren Hohlstäben miteinander, zwei aneinander stoßende innere Messrohre derartig vollflächig miteinander verbunden sind, dass fehlerhafte Messungen aufgrund von fehlerhaften Kontakten zwischen zwei Messrohren ausgeschlossen sind.
Um insbesondere während des Bohrvorgangs eine Beschädigung von möglicherweise empfindlichen Messelementen, wie leitfähigen Tinten, Sensorelementen oder dgl. mit Sicherheit hintanzuhalten, ist das erfindungsgemäße sensorgestützte Hohlstab-System im Wesentlichen so weitergebildet, dass im Inneren des Messrohrs eine Schutzabdeckung, insbesondere ein Schutzrohr oder eine Schutzbeschichtung vorgesehen ist. Durch Vorsehen einer Schutzabdeckung, insbesondere eines Schutzrohrs oder einer Schutzbeschichtung im Inneren des Messrohrs kann gewährleistet werden, dass während dem Bohrvorgang in das Innere des Hohlstabs eindringendes Bohrklein oder dgl. die empfindlichen Messelemente nicht beschädigt. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist ein derartige Schutzrohr oder die Schutzbeschichtung aus einem Kunststoffmaterial, wie beispielsweise einem Silikon, Gummi oder dgl. gebildet, welche Materialien insbesondere durch Steinsplitter nicht beschädigt werden und trotzdem leicht und einfach im Inneren des Rohrs angeordnet werden können.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist das sensorgestützte Hohlstab-System so ausgebildet, dass das Innere des Messrohres als Zufuhrrohr für Spülflüssigkeit ausgebildet ist. Bei einer derartigen Ausbildung kann das Innere des Messrohrs als Zufuhrrohr für Spülflüssigkeit verwendet werden. In einem derartigen Fall ist insbesondere die Schutzabdeckung des Messrohrs so ausgebildet, dass sie eine die Länge des Messrohrs übersteigende Länge aufweist und erst am Ende des Bohrvorgangs für ein Tieflochbohren, Ankersetzen oder dgl. abgelängt wird. Durch eine derartige Ausbildung gelingt es, eine innere Abdeckung des Messrohrs bereitzustellen, die keinerlei Verbindungsstellen aufweist und somit absolut dicht ist, weshalb das Innere des Messrohrs bzw. die innere Schutzabdeckung des Messrohrs als Zufuhrleitung für Spülflüssigkeit verwendet werden kann oder gegebenenfalls auch als Austragsvorrichtung für Bohrklein.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist das sensorgestützte Hohlstab-System so ausgebildet, dass es weiterhin über eine leitende Steckverbindung mit einem Zustandsüberwachungssystem gekoppelt ist. Bei einer derartigen Ausbildung ist insbesondere das zu einem Bohrlochäußeren gerichtete Ende des Hohlstabs, insbesondere jenes Ende, welches mit der Mutter und der Halteplatte versehen ist, so ausgebildet, dass es zwischen Halteplatte und Mutter oder zwischen Bohrloch und Halteplatte über eine leitende Steckverbindung mit einem Zustandsüberwachungssystem gekoppelt ist. Mit einer derartigen Ausbildung ist es insbesondere möglich, zusätzlich zu den im Inneren des Hohlstabs angeordneten Messsystemen herkömmliche Messsysteme zu verwenden, welche ermitteln, ob ein Anker fest sitzt oder ausgezogen werden kann oder welche Kräfte auf den Stab, den Nagel oder dgl. wirken. Insbesondere wenn eine Mehrzahl von Messwerten gleichzeitig oder über die Zeit genommen wird, gelingt es mit einer derartigen Ausbildung, einen vollständigen Zustand von beispielsweise einem Tiefloch, Tunnel oder dgl. zu erhalten.
Um die beim Messen gemessenen physikalischen Größen, wie das Biegemoment, den Druck, den Zug auf einen Anker, den Feuchtigkeitsgehalt im Inneren des Bohrlochs und dgl. sicher und zuverlässig einer Auswerteeinheit zuführen zu können, ist das erfindungsgemäße sensorgestützte Hohlstab-System im Wesentlichen so weitergebildet, dass das Zustandsüberwachungssystem weiterhin eine Energieversorgung, einen Mikrochip, wenigstens einen, vorzugsweise eine Mehrzahl von Sensoren zur Zustandsüberwachung sowie eine Übertragungseinheit aufweist. Indem die Ausbildung so getroffen ist, dass eine Energieversorgung, ein Mikrochip, wenigstens ein, vorzugsweise eine Mehrzahl von Sensoren zur Zustandsüberwachung sowie eine Übertragungseinheit vorgesehen sind, gelingt es, ein autarkes sensorgestütztes Hohlstab-System bereitzustellen, das beispielsweise mit einer Batterie oder einem Akkumulator als Energieversorgung das Auslangen findet und welches anders als herkömmliche Systeme einfach ausgelesen und überwacht werden kann. Auch die vorgesehene Übertragungseinheit ist beispielsweise mit Batterie betrieben, so dass insgesamt ein einfaches und unkompliziert zu betreibendes und zu wartendes Hohlstab-System ausgebildet werden kann.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist das sensorgestützte Hohlstab-System so ausgebildet, dass für eine Übermittlung und Auswertung von Messdaten und Informationen von dem Zustandsüberwachungssystem zu einer Kommunikationsschnittstelle ein Long Range Wide Area Network bestehend aus dem (den) Messelement(en), der Übertragungseinheit des Zustandsüberwachungssystems sowie der Kommunikationsschnittstelle eingesetzt ist. Die Auswertung von Messdaten von dem Zustandsüberwachungssystem zu einer Kommunikationsschnittstelle mit dem Long Range Wide Area Network (LoRaWan-Netzwerk) ermöglicht es, extrem viele Daten zu bündeln und auszuwerten. Ein derartiges LoRaWan-Netzwerk hat darüber hinaus den Vorteil, dass an den entsprechenden Endgeräten nur extrem kleine batteriebetriebene Ausleseeinheiten angeordnet sein müssen, welche eine extrem langlebige Batterie aufweisen und üblicherweise so programmiert sind, dass sie zusätzlich zu den ihnen übersandten Messdaten auch Batteriezustand und dgl. übermitteln, so dass jederzeit an einem entfernten Ort festgestellt werden kann, ob und welches einzelne sensorgestützte Hohlstab-System beispielsweise einer Wartung bedarf oder nicht. Es erübrigt sich festzuhalten, dass ein derartiges Long Range Wide Area Netzwork je nach Einsatzzweck adaptiert werden muss, wobei dies einem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt ist.
Um besonders effizient Daten zu sammeln und insbesondere ein vollständiges Bild über den Zustand eines Bohrlochs, gesetzten Ankers oder dgl. zu erhalten, ist das erfindungsgemäße sensorgestützte Hohlstab-System im Wesentlichen dahingehend weitergebildet, dass es wenigsten zwei Messelemente gewählt aus Widerstandsmesselementen, Dehnungsmessstreifen, Feuchtigkeitssensoren, Drucksensoren, elektrischen Leiterbahnen oder Glasfasersensoren aufweist. Bei einer derartigen Weiterbildung ist die Ausbildung im Wesentlichen so getroffen, dass eines der Messelemente das Messrohr selbst ist und das andere oder die anderen ein auf dieses Messrohr aufgebrachtes, zusätzliches Messelement, wie eine elektrische Leiterbahn, Drucksensoren, Feuchtigkeitssensoren, Dehnungsmessstreifen oder dgl. mehr. Mit einer derartigen Anordnung können je nach Anordnung und Wahl verschiedenste Messdaten, wie auf den Hohlstab wirkende Biege- oder Zugbeanspruchungen, Änderungen der Gesteinsfeuchtigkeit, geringste Gesteinsbewegungen oder dgl. gleichzeitig aus ein und demselben Bohrloch gewonnen werden, ohne dass es erforderlich ist, nach Ausbildung eines Bohrlochs ein spezielles Messelement nachträglich einzubringen.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist es für eine Miniaturisierung und insbesondere zuverlässige Weitergabe von Daten aus dem sensorgestützten Hohlstab-System wesentlich, dass ein Messwertaufnehmer so angeordnet ist, dass er einerseits leicht zugängig ist, um im Falle einer Beschädigung ausgetauscht werden zu können und andererseits sicher und zuverlässig aus dem Inneren des Hohlstabs erhältliche Daten übertragen bekommt. Deshalb ist ein derartiges sensorgestütztes Hohlstab-System im Wesentlichen so ausgebildet, dass ein Messwertaufnehmer vorgesehen ist und dass die Mutter des Hohlstab-Systems als Messwertaufnehmer ausgebildet ist. Durch Vorsehen einer derartigen "intelligenten Mutter" gelingt es, sämtliche aus dem Inneren eines Bohrlochs erhaltenen Daten sicher und zuverlässig an eine Übertragungseinheit und Kommunikationsschnittstelle enthaltend eine Auswerteeinheit weiterzugeben.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist das Hohlstab-System im Wesentlichen so weitergebildet, dass die Mutter mehrteilig ausgebildet ist und wenigstens einen Sensorträger, ein für eine Aufnahme des Sensorträgers ausgebildetes Gehäuse, eine Gehäuseabdeckung sowie gegebenenfalls wenigstens einen im Inneren der Mutter angeordneten Adapter aufweist. Dadurch, dass die Mutter mehrteilig ausgebildet ist, gelingt es einerseits, die aus dem Inneren des Bohrlochs erhaltenen Daten bzw. die aus diesem herausragenden Leiter bzw. Leiterbahnen oder dgl. an der Mutter ordnungsgemäß festzulegen und andererseits zu gewährleisten, dass eine derartige Mutter, wie dies insbesondere bei Muttern zum Festlegen von Ankerplatten und Ankern erforderlich ist, entsprechend stark angezogen werden kann, ohne dass eine Beschädigung der im Inneren der Mutter angeordneten Sensoren zu befürchten ist. Die mehrteilig ausgebildete Mutter weist hierbei wenigstens einen Sensorträger auf, auf welchem die aus dem Bohrloch herausragenden Sensoren festgelegt sind sowie gegebenenfalls weitere Sensoren, welche Umgebungsdaten messen, die nicht aus dem Inneren des Bohrlochs stammen, festgelegt sind, ein Gehäuse, welches in der Lage ist, den Sensorträger aufzunehmen sowie eine Gehäuseabdeckung, die auf das Gehäuse aufgebracht werden kann und somit den Sensorträger nicht nur in Umfangsrichtung der Mutter schützt, sondern auch in Richtung des Endes eines Bohrstabs, beispielsweise in Richtung zu der Datenübertragungseinheit gegen das Eindringen von unerwünschten Partikeln und dgl. verschließt. Es kann weiterhin im Inneren des Sensorträgers ein Adapter vorgesehen sein, dies insbesondere dann, wenn Dehnungsmessstreifen als die oder einige der Sensoren verwendet werden. Die Enden der aus dem Berg herausragenden Dehnungsmessstreifen müssen hierbei entsprechend festgelegt werden, so dass sie einerseits unverlierbar gehalten sind und andererseits jedoch die eigene Dehnung bzw. das eigene wieder Zusammenziehen ohne jede Behinderung ausführen können. Ein derartiger Adapter ist im Falle seines Vorsehens im Inneren des Sensorträges angeordnet.
Um ein sicheres Festlegen von Sensorenden, Sensorplatinen und dgl. an dem Sensorträger zu gewährleisten, ist die Erfindung dahingehend weitergebildet, dass der Sensorträger wenigstens eine Anbringungsausnehmung bzw. -durchbrechung für aus dem Hohlstab austretende Sensoren aufweist. An derartigen Anbringungsausnehmungen bzw. -durchbrechungen können beispielsweise Leiterplatten, Enden von Sensoren, Halteeinrichtungen für Sensoren und dgl. festgelegt werden, um diese unverlierbar an dem Sensorträger zu halten. Es ist hierbei je nach Art des bzw. der in dem Hohlstab festgelegten Sensors (Sensoren) erforderlich, entweder Durchbrechungen in dem Sensorträger vorzusehen oder entsprechende Anbringungsausnehmungen, in denen beispielsweise Platinen unverlierbar gehalten werden können.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann das sensorgestützte Hohlstab-System so ausgebildet sein, dass der Adapter im Inneren des Sensorträgers angeordnet ist, dass wenigstens die, die wenigstens eine die Anbringungsausnehmung bzw. -durchbrechung für aus dem Hohlstab austretende Sensoren aufweisende Seitenfläche des Sensorträgers von dem Gehäuse vollständig abgedeckt ist und dass das Gehäuse weiterhin wenigstens ein gegebenenfalls öffenbares Inspektions- und Wartungsfenster aufweist. Mit einer derartigen Ausbildung der "intelligenten Mutter" ist es nicht nur möglich, sämtliche Sensoren im Inneren der Mutter sicher und zuverlässig zu halten und die entsprechenden Daten auszulesen, sondern darüber hinaus ist es möglich, den Zustand der entsprechenden Halterungen auch von außen zu überprüfen sowie gegebenenfalls ins Innere der Mutter zuzugreifen. Hierbei ist es wichtig zu beachten, dass das Innere der Mutter gegenüber Staub und Feuchtigkeit geschützt sein muss, um die empfindlichen Sensorsysteme nicht durch eindringende Verunreinigungen bzw. Feuchtigkeit zu schädigen bzw. außer Betrieb zu setzen.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die Gehäuseabdeckung mit dem Gehäuse kraftschlüssig verbunden, wodurch gewährleistet wird, dass einerseits die Mutter allseitig verschlossen ist und insbesondere deshalb allseitig verschlossen ist, wie dies einer möglichen Ausbildung der Erfindung entspricht, auch auf einer Bodenplatte des Sensorträgers aufruht. Andererseits ist es durch die kraftschlüssige Verbindung der Gehäuseabdeckung mit dem Gehäuse möglich, diese auch nachträglich wieder zu öffnen und beispielsweise Teile an dem Sensorträger auszutauschen bzw. zu reinigen oder das gesamte System wieder auseinanderzubauen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In diesen zeigen

Fig. 1 schematisch ein in einem Bohrloch eingesetztes sensorgestütztes Hohlstab-System gemäß der Erfindung mit verlorener Bohrkrone, einem zweilagig ausgebildeten Hohlstab sowie Ankerplatte, Mutter und entsprechenden Messwertaufnehmern und Übertragungseinrichtungen,
Fig. 2 eine mögliche Ausbildung eines Verbindungsbereichs von zwei Hohlstabelementen mittels einer Muffe,
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Sensorträgers mit eingesetztem Adapter,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Gehäuses für eine intelligente Mutter,
Fig. 5 eine Abdeckung für das Gehäuse von Fig. 4 in der Ansicht von unten, und
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines Adapters zur Aufnahme von Dehnungsmessstreifen, der im Inneren des Sensorträgers angeordnet werden kann.

Im Einzelnen ist in Fig. 1 schematisch ein in einem Bohrloch eingesetztes sensorgestütztes Hohlstab-System 1 gezeigt, bei welchem mit einem Hohlstab 2 eine Bohrkrone 3 unverlierbar verbunden ist. Der Hohlstab 2 ist in der schematischen Darstellung von Fig. 1 mit Zement, der schematisch strichliert mit 4 angedeutet ist, vergossen und an seiner zu einem Bohrlochäußeren gerichteten Seite, wobei die Bohrlochwand mit 5 angedeutet ist, mit einer Ankerplatte bzw. Halteplatte 6 und einer schematisch dargestellten Mutter 7 gesichert.
Der Hohlstab 2 ist hierbei, wie dies schematisch angedeutet ist, zweilagig ausgebildet, wobei die innere Lage mit 8 bezeichnet ist und entweder unmittelbar Messelemente aufnehmen kann oder zur Aufnahme von Messelementen bzw. Anbringung von Messelementen, die in Fig. 1 nicht dargestellt sind, ausgebildet ist. Die Aufnahme von Messelementen auf der zweiten Lage 8 bzw. in der zweiten Lage 8 kann hierbei durch Aufbringen von leitfähigen Tinten, von Sensorstreifen, Glasfaserbahnen, Einlegen in Schlitzen von Glasfaserbahnen, Messstreifen und dgl. erfolgen. Nicht gezeigt ist in Fig. 1 eine weitere mögliche Lage aus einem Kunststoffmaterial, welche so ausgebildet ist, um die Schicht 8 abzudecken, um beispielsweise Spülflüssigkeit zu der Bohrkrone 3 zuführen zu können.
An dem zum Bohrlochäußeren gerichteten Ende des sensorgestützten Hohlstab-Systems 1 ist weiterhin schematisch eine Übertragungseinheit 9 gezeigt, mit welcher die von den Sensorelementen erhaltenen Daten zwischengespeichert und zu beispielsweise einer schematisch mit 10 dargestellten Kommunikationsschnittstelle sowie der Übertragungseinheit übermittelt werden. Die Übermittlung der Daten kann hierbei beispielsweise mittels eines Long Range Wide Area Networks erfolgen.
In Fig. 2, in welcher soweit als möglich die Bezugszeichen von Fig. 1 beibehalten sind, ist der Abschnitt des sensorgestützten Hohlstab-Systems 1 gezeigt, bei welchem die Verbindung von zwei Hohlstäben 2 erfolgt ist. In der schematischen geschnittenen Darstellung ist weder die Bohrkrone noch das Bohrlochäußere gezeigt.
Die zwei Hohlstäbe 2 sind mittels einer Überwurfmutter 11 miteinander verbunden, wobei im Bereich des in Fig. 2 vergrößert dargestellten Stoßes zwischen zwei Hohlstäben 2 für eine sichere leitfähige Verbindung der zwei Hohlstäbe 2 ein elektrisch-leitendes Element 12, hier ein elektrisch-leitender Schaum, eingebracht ist. Der elektrisch-leitende Schaum erstreckt sich hierbei sowohl zwischen den zwei Hohlstäben 2 als auch der im Inneren der Hohlstäbe 2 angeordneten leitfähigen Schicht 8. Wenn im Inneren des sensorgestützten Hohlstab-Systems 1 kein weiteres Rohr zum Abtransportieren von beispielsweise Bohrklein oder der Zufuhr von Spülflüssigkeit vorgesehen ist, kann, wie dies in Fig. 2 schematisch gezeigt ist, das elektrisch-leitfähige Element 12 sich auch über den gesamten Querschnitt des Hohlstabs 2 erstrecken. In einem derartigen Fall wird insbesondere sichergestellt, dass selbst bei größeren Erschütterungen, wie dies insbesondere beim Drehschlagbohren der Fall ist, ein elektrischer Kontakt nicht unterbrochen wird bzw. kein ausreichender Leitungsquerschnitt bereitgestellt wird.
In Fig. 3 ist der Sensorträger 13 mit eingesetztem Adapter 14 für eine Mutter 7 des sensorgestützten Hohlstab-Systems 1 gemäß der Erfindung gezeigt. Der Sensorträger 13 ist hierbei so ausgebildet, dass er eine Grundplatte 15 aufweist, welche in Anlage an die Ankerplatte 6 gebracht wird und weist überdies eine Durchtrittsöffnung 16 auf, deren Durchmesser so gestaltet ist, dass in das Innere des Sensorträgers 13 weitere Elemente, wie beispielsweise der Adapter 14 eingesetzt werden können. Der Sensorträger 13 weist hierbei eine Ausnehmung sowie zwei Durchtrittsöffnungen 17 bzw. 18 auf, um möglichst ungehinderten Zugang zum Inneren des Sensorträgers 13 zu gewährleisten. Die Durchtrittsöffnungen 18 sind hierbei so ausgebildet, dass beispielsweise Platinen, in welchen einzelne Sensoren festgelegt sind, einsetzbar sind bzw. ist die Durchtrittsöffnung 17 ausgebildet, um zum Inneren des Adapters 14 möglichst freien Zugang zu haben. Der Sensorträger 13 weist neben seiner Grundplatte 15 auch eine Deckplatte 19 auf, die so ausgebildet ist, dass sie exakt mit einem Innendurchmesser eines Gehäuses 20, wie dies in Fig. 4 bezeichnet ist, mit der Mutter 7 verschraubbar bzw. lösbar verbindbar ist.
Weiterhin weist auch die Grundplatte 15 Durchtrittsöffnungen entweder für Befestigungsmittel bzw. für eine Zusammenwirkung mit entsprechenden Fortsätzen des Gehäuses 20 auf.
In Fig. 4 ist schematisch das Gehäuse 20 für eine intelligente Mutter 7 gezeigt, welches Gehäuse 20 so ausgebildet ist, um auf den Sensorträger 13 aufgeschraubt werden zu können. Hierfür sind exakt die gleichen Schraubenlöcher 21 wie in dem Sensorträger 13 ausgebildet. Das Gehäuse 20 weist weiterhin eine Sichtöffnung 22 auf, welche so angeordnet ist, um beispielsweise eine freie Sicht auf einen Adapter 14, der im Inneren des Sensorträgers 13 angeordnet ist, zu haben.
Es erübrigt sich festzuhalten, dass neben der Sichtöffnung 22 auch weitere Öffnungen in dem Gehäuse 20 vorgesehen sein können, wobei die Öffnungen entweder als nicht öffenbare Sichtfenster ausgebildet sind oder dicht verschließbare Zutrittsöffnungen zum Inneren der Mutter 7, um gegebenenfalls beschädigte Elemente austauschen zu können bzw. Wartungsarbeiten vornehmen zu können.
Um einen unbeabsichtigten Zutritt von Feuchtigkeit oder Staub ins Innere des Gehäuses mit Sicherheit zu vermeiden, ist weiterhin, wie die sin Fig. 5 gezeigt ist, eine Abdeckung 23 für das Gehäuse 20 vorgesehen, welche Abdeckung 23 kraftschlüssig mit dem Gehäuse 20 verbunden werden kann. Hierfür weist die Abdeckung 23 einen Rand 24 auf, der so ausgebildet ist, um das Gehäuse 20 formschlüssig umgreifen zu können. Es erübrigt sich festzuhalten, dass dieser Rand beliebig ausgebildet sein kann oder auch einfach aus einem oder mehreren Klemmstift(en) oder dgl. gebildet sein kann.
Auch die Abdeckung 23 weist eine Durchtrittsöffnung 25 auf, welche zur Verbindung mit beispielsweise einer Übermittlungseinheit 9 für ein Long Range Wide Area Network vorgesehen ist.
Schließlich ist in Fig. 6 der Adapter 14 näher dargestellt, welcher Adapter 14 so ausgebildet ist, dass er eine Mehrzahl von Vertiefungen bzw. Rillen aufweist, in welche verschiedenste Dehnungsmessstreifen eingesetzt bzw. eingeklemmt werden können oder aber auch beispielsweise Leiterbahnen, Glasfaserkabel oder dgl. festgeklemmt werden können. Die Rillen bzw. Vertiefungen 26 sind hierbei so ausgebildet, dass sie im Inneren des Adapters 14 im Wesentlichen U-förmige Rillen, und zwar sowohl in Bezug auf den Querschnitt als auch in Bezug auf Ihre Längserstreckung ausbilden, da sie sich ausgehend von einer Basisfläche des Adapters 14 über seine Höhenerstreckung bis zu einer Deckfläche desselben erstrecken können.
Es erübrigt sich festzuhalten, dass sowohl der Adapter 14 als auch der Sensorträger 13 unterschiedlichst ausgebildet sein können, was die Ausgestaltung von Rippen, Rillen, Vertiefungen, Durchtrittsöffnungen und dgl. betrifft, allerdings ist es zwingend, dass die Außenabmessungen des Adapters so sind, dass dieser im Inneren des Sensorträgers aufgenommen werden kann und der Sensorträger derartig dimensioniert ist, dass er vom Gehäuse übergriffen bzw. voll umgeben werden kann.

Claims

Sensorgestütztes Hohlstab-System (1) bestehend aus wenigstens einem Hohlstab (2), gegebenenfalls wenigstens einem Kopplungselement und einer Mutter (7) mit einer Halteplatte (6) sowie wenigstens einem Zustandsüberwachungssystem, umfassend wenigstens ein Messelement, eine Übertragungseinheit (9) sowie eine Kommunikationsschnittstelle (10) enthaltend eine Auswerteeinheit, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlstab-System (1) als selbstbohrendes System mit einer einem Bohrlochinneren zugewandten verlorenen Bohrkrone (3) ausgebildet ist und dass jeder Hohlstab (2) als wenigstens zweilagiges Rohr, umfassend ein inneres Messrohr und ein äußeres Mantelrohr, ausgebildet ist.
Sensorgestütztes Hohlstab-System (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei aus einer Mehrzahl von Mantelrohren über ein Kopplungselement, insbesondere eine Rohrmuffe verbunden sind und dass wenigstens im Bereich einer Verbindung von Messrohren bzw. Messrohrabschnitten ein elektrisch leitfähiges Verbindungselement (12) vorgesehen ist.
Sensorgestütztes Hohlstab-System (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Messrohr aus einem elektrisch leitfähigen Stahl- oder Kunststoffrohr gebildet ist und dass das Messrohr gegebenenfalls zusätzlich mit faseroptischen Sensoren und/oder gedruckten Sensoren versehen ist.
Sensorgestütztes Hohlstab-System (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Messrohr mit dem zugehörigen Mantelrohr kraft- und formschlüssig verbunden ist.
Sensorgestütztes Hohlstab-System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Verbindungselement (12) gewählt ist aus einem elektrisch leitfähigen Schaum, eklektisch leitfähigen Kontaktflächen oder Steckverbindungen.
Sensorgestütztes Hohlstab-System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des Messrohrs eine Schutzabdeckung, insbesondere ein Schutzrohr oder eine Schutzbeschichtung vorgesehen ist.
Sensorgestütztes Hohlstab-System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Innere des Messrohres als Zufuhrrohr für Spülflüssigkeit ausgebildet ist.
Sensorgestütztes Hohlstab-System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin über eine leitende Steckverbindung mit einem Zustandsüberwachungssystem gekoppelt ist.
Sensorgestütztes Hohlstab-System (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Zustandsüberwachungssystem weiterhin eine Energieversorgung, einen Mikrochip, wenigstens einen, vorzugsweise eine Mehrzahl von Sensoren zur Zustandsüberwachung sowie eine Übertragungseinheit aufweist.
Sensorgestütztes Hohlstab-System (1) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Übermittlung und Auswertung von Messdaten und Informationen von dem Zustandsüberwachungssystem zu einer Kommunikationsschnittstelle (10) ein Long Range Wide Area Network bestehend aus dem (den) Messelement(en), der Übertragungseinheit (9) des Zustandsüberwachungssystems sowie der Kommunikationsschnittstelle (10) eingesetzt ist.
Sensorgestütztes Hohlstab-System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es wenigsten zwei Messelemente gewählt aus Widerstandsmesselementen, Dehnungsmessstreifen, Feuchtigkeitssensoren, Drucksensoren, elektrischen Leiterbahnen oder Glasfasersensoren aufweist.
Sensorgestütztes Hohlstab-System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messwertaufnehmer vorgesehen ist und dass die Mutter (7) des Hohlstab-Systems (1) als Messwertaufnehmer ausgebildet ist.
Sensorgestütztes Hohlstab-System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mutter (7) mehrteilig ausgebildet ist und wenigstens einen Sensorträger (13), ein für eine Aufnahme des Sensorträgers (13) ausgebildetes Gehäuse (20), eine Gehäuseabdeckung (23), sowie gegebenenfalls wenigstens einen im Inneren der Mutter (7) angeordneten Adapter (14) aufweist.
Sensorgestütztes Hohlstab-System (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorträger (13) wenigstens eine Anbringungsausnehmung bzw. -durchbrechung für aus dem Hohlstab (2) austretende Sensoren aufweist.
Sensorgestütztes Hohlstab-System (1) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapter (14) im Inneren des Sensorträgers (13) angeordnet ist, dass wenigstens die, die wenigstens eine die Anbringungsausnehmung bzw. -durchbrechung für aus dem Hohlstab (2) austretende Sensoren aufweisende Seitenfläche des Sensorträgers (13) von dem Gehäuse (20) vollständig abgedeckt ist und dass das Gehäuse (20) weiterhin wenigstens ein gegebenenfalls öffenbares Inspektions- und Wartungsfenster aufweist.
Sensorgestütztes Hohlstab-System (15) nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseabdeckung (23) mit dem Gehäuse (20) kraftschlüssig verbunden ist.