WO2010015248A2 - Verfahren und vorrichtung zur überwachung und bestimmung der gebirgsspannung - Google Patents

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WO2010015248A2 PCT/DE2009/001105 DE2009001105W WO2010015248A2 WO 2010015248 A2 WO2010015248 A2 WO 2010015248A2 DE 2009001105 W DE2009001105 W DE 2009001105W WO 2010015248 A2 WO2010015248 A2 WO 2010015248A2
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Frank-Michael Jäger
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Jaeger Frank-Michael
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B49/00—Testing the nature of borehole walls; Formation testing; Methods or apparatus for obtaining samples of soil or well fluids, specially adapted to earth drilling or wells
    • E21B49/006—Measuring wall stresses in the borehole
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V1/00—Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting
    • G01V1/40—Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting specially adapted for well-logging
    • G01V1/44—Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting specially adapted for well-logging using generators and receivers in the same well

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for monitoring and determining the mountain tension in the mountains, preferably in underground mining in the mountains.
  • pressure-carrying hydraulic lines are routed to pressure measuring devices or to valves outside the borehole to the pier wall, there is a risk of Damage to the measuring device during deformations and shuttering on the pier walls or ridges.
  • Modern electronic methods measure, for example, with ultrasound.
  • Each rock has a specific speed of sound, which depends on the density and
  • This method requires a coupling medium that does not dissolve the surrounding rock.
  • the patent DE 198 30 196 describes a method for determining the spatial rock and rock anisotropy and the rock stress state on specimens.
  • the method of determining the rock stress state described therein requires specimens of the rocks having opposite end faces for mounting the ultrasonic transducers.
  • the metrological influence of changing porosities or moisture contents can be far above the voltage-dependent part of the measuring effect.
  • the patent DE 102005047659 B4 describes a device for determining the rock tension in a borehole, which eliminates the influence of changing rock parameters on the propagation velocities of the ultrasonic waves.
  • conventional PTZ ceramics can not be loaded with mechanical stresses. Special measures are required so that they do not break. For example, these ceramics are to be installed in notches or slots protected from the direct application of force.
  • the sound path is via multiple reflections in the probe body. The pulse length of the ultrasonic signal is thereby extended and the ultrasound amplitude decreases with each reflection, which complicates the required time resolution.
  • Another part to be improved is the electronics unit.
  • the proposed there PLL control loop is not universally applicable for different measuring body and requires extensive adjustment work. If the transit time measurement of the ultrasonic waves in the measuring bodies takes place without multiple reflection and with ultrasound sources of high frequency, running times with little scattering can be obtained.
  • PVDF films are used for this purpose.
  • the broadband PVDF films are particularly well suited for runtime measurements.
  • a measuring body for example, metallic materials are used. With thicknesses of a few centimeters, run times of less than 10 ⁇ s are achieved.
  • TDC circuits can be resolved with TDC circuits better 100 ps during a measurement. Due to the short measuring section in the measuring body, more than 1000 measurements per second can easily be made. Averaging a time resolution better than 10 ps is easily possible in one second.
  • the measurement of the mountain voltage is not a time-critical task.
  • the resolution of the runtime below 1 ps therefore requires only enough measured values.
  • the inventive device for measuring voltage by means of ultrasound is based on the acousto-elastic effect.
  • the transit time of an ultrasonic pulse within the measuring medium is measured.
  • the speed of sound of the ultrasonic waves depends on the elastic stresses within the measuring medium.
  • the measuring path for the ultrasonic waves is elastically changed by the action of the forces. This change in measuring distance in the ⁇ -meter range is recorded by measurement.
  • the medium used is an elastic, non-compressible medium, for example a solid of known composition and without anisotropies in the sound path.
  • connection of the borehole probe can be made by a special well cement, for example salt concrete, by natural convergence of the borehole or by both.
  • the medium for taking up the mountain tension should be incompressible and homogeneous.
  • This can be, for example, a plastic with suitable strength, a metal or an artificial stone (concrete).
  • the change in the speed of sound is dependent not only on the applied mechanical stress but also on the temperature.
  • the elastic behavior of the measuring section between the ultrasonic sensors also changes the length of the measuring section.
  • the calibration of the borehole probes is carried out on mono- or tri-axial test rigs.
  • An advantageous further embodiment of the invention is the arrangement of several offset by 90 ° arranged PVDF sensors on measuring body.
  • a borehole probe voltages can be measured in several directions.
  • the in-situ measurement is intended to enable a permanent measurement of the rock stress. This measurement can be beneficial in the mining of raw materials, in the Final disposal of toxic and radioactive substances or even used in tunneling.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a device with PVDF film for detecting the mountain voltage with a borehole probe
  • Fig. 2 shows a device for determining the mountain voltage with TDC circuit
  • a device for detecting the mountain voltage in the mountains 4 with a piezoelectric element of PVDF film 5 on a measuring body 1 is shown.
  • the mountain voltage acts in the embodiment shown (sectional view with a view from the side of the probe) on the elastic non-compressible potting compound 3 a.
  • the piezoelectric element of PVDF.Folie 5 sends ultrasonic waves through the measuring body 1.
  • the electronic unit 2 the running time and the speed of sound of the ultrasonic waves is determined.
  • the electronic unit 2 is protected by a pressure-tight housing, for example a pipe.
  • the arrangement behind the measuring body 1 prevents disturbance of the voltage lines.
  • rock tensions in several directions are to be determined, several measuring bodies are to be arranged one behind the other. According to their orientation then, for example, the horizontal and vertical mountain voltage can be determined.
  • a measuring body 1 can also be equipped with a plurality of PVDF films 5 in different spatial orientation.
  • TDC circuits with multiple measurement channels can be used.
  • Another known type of measurement signal processing is multiplexing.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of the device of a borehole probe.
  • the measuring body 11 is equipped with a PVDF film 9.
  • the temperature sensor 8 determines the temperature of the measuring body 11.
  • the temperature measurement can be carried out in a manner not shown here, also within the Meßköpers 11, for example in a bore.
  • the control of the PVDF film 9 is carried out with a known functional unit 10.
  • the echo is also amplified for transit time measurement.
  • the necessary for driving the TDC circuit 6 stop pulses are obtained in a known manner from the echo.
  • the control of the TDC circuit 6 and the transfer of the data, such as temperature and time, are performed in a known manner with a microprocessor 7.
  • the microprocessor 7 contains one or more values of the transit time without external action of the mountain voltage on the measuring body 11 at known temperatures.
  • the measuring body 11 has manufacturing tolerances in thickness. Since this measuring body consists in mass production, for example, from rolled Profiliels, thickness deviations of several ⁇ -meters are available. These cause different transit times without external stress. Since the material-specific characteristics of the measuring body 11, so that the acousto-elastic parameters are known, it is right if these initial values are known with the associated temperature. These are stored device-specific in the microprocessor. Advantageously, all influences of the adhesive and the adhesive layer between the PVDF film 9 measuring body 11 are detected.
  • the running times and the associated temperatures are determined. From this, the acting rock tension can be determined.
  • the field of application of the invention is not limited to mining.
  • the probes can be advantageously used in pillars of reinforced concrete structures.

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Abstract

Mit dem Verfahren und der Vorrichtung zur Gebirgsspannungsermittlung können Spannungsumlagerungen in-situ ständig erfasst werden. Nach der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass ein oder mehrere Ultraschallsensoren aus einer PVDF-Folie auf einem Messkörper befestigt sind und in einer Bohrlochsonde die Laufzeit der Ultraschallsignale innerhalb des Messkörpers mit einem TDC-Schaltkreis hochauflösend bestimmt wird. Erfindungsgemäß werden die Laufzeit und die Temperatur im Messkörper in-situ gemessen und mit Anfangswerten verglichen. Aus der Änderung der gemessenen Laufzeiten, die proportional zu den einwirkenden mechanischen Spannungen ist, werden die Gebirgsspannungen und deren Veränderungen online ermittelt. Derartige Vorrichtungen werden zur Überwachung unterirdischer Grubenbaue und Tunnel und in der Geotechnik allgemein benötigt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung und Bestimmung der Gebirgsspannung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung und Bestimmung der Gebirgsspannung im Gebirge, vorzugsweise in untertägigen Grubenbauen im Gebirge.
Bekannte mechanische Verfahren werten Längenänderungen von Schwingseiten aus oder messen hydraulische Drücke von Kissen oder Kolbensystemen. Auch die bei den Überbohrverfahren eingesetzten Dehnmessstreifen messen nur Verformungen beziehungsweise Längenänderungen. Das Überbohrverfahren ist zur permanenten in-situ- Messung nicht geeignet.
Andere Verfahren zur Gebirgsspannungsmessung erfassen die Durchmesserveränderung von Bohrlöchern beim Überbohren. Für die Gebirgsspannungsmessung im elasto-plastischen Gebirge ist diese Methode weniger gut geeignet, da diese Methode nur über Modellrechnungen aus der Konvergenz der Bohrlöcher auf die zur Zeit der Überbohrung herrschende Gebirgsspannung schließt. Eine Langzeitmessung zur Erfassung von Spannungsumlagerungen, wie sie beim fortschreitenden Abbau oder Versatz der Grubenbaue auftreten, ist damit nicht möglich.
Es gibt Messverfahren, die zur Spannungsbestimmung mit hydraulischen Druckaufnehmern arbeiten. Stellvertretend seien hier die aus der DE 34 03 521 genannten Druckkissen oder die in der DD 299 677 aufgeführten Hydraulikkolben genannt.
Diese Methoden besitzen mehrere wesentliche Nachteile. So muss die absolute Dichtheit zur Aufrechterhaltung des Druckes in dem System gewährleistet sein. Zur Druckbeaufschlagung mit Hydrauliköl sind aber Absperreinrichtungen notwendig, die potentielle Stellen für Undichtheiten sind.
Werden die druckführenden Hydraulikleitungen zu Druckmesseinrichtungen oder zu Ventilen außerhalb des Bohrloches zur Pfeilerwand geführt, besteht die Gefahr der Beschädigung der Messeinrichtung bei Verformungen und Abschalungen an den Pfeilerwänden oder Firsten.
In der Patentschrift US 20060005965 Al wird eine Sonde mit einem Drucksensor beschrieben. Dieser dient zur Messung des Drucks in einem Fluid. Da sich der Druck in einer Flüssigkeit gleichmäßig ausbreitet ist damit keine Richtungsabhängigkeit der Gebirgsspannung messbar. Diese Vorrichtung gestattet weder die Ermittlung der Hauptspannung noch die getrennte Ermittlung der vertikalen und horizontalen Gebirgsspannung.
Modernere elektronische Verfahren messen zum Beispiel mit Ultraschall.
Jedes Gestein hat eine spezifische Schallgeschwindigkeit, die abhängig ist von der Dichte und
Elastizität des Gesteins ist. Mit dem bekannten Sonic-Log wird die Laufzeit des von einem Sender am unteren Ende einer Sonde erzeugten Schallimpulses durch das das senkrechte Bohrloch umgebende Gestein zu einem oder mehreren Empfängern am oberen
Ende der Sonde gemessen.
Zur Ankopplung der Ultraschallsender und Ultraschallempfänger wird dabei ein
Koppelmedium verwendet.
Diese Methode benötigt ein Koppelmedium, welches das umgebende Gestein nicht auflöst.
Wasserhaltige Medien sind im Salinargestein ungeeignet. Die mögliche Klüftigkeit der
Gesteine ist ein weiterer Grund für die nicht praktikable Anwendbarkeit dieser Methode.
Andere Verfahren zur Messung der Schallgeschwindigkeit mittels Durchschallung des
Gebirges benötigen zwei Bohrlöcher zur Durchführung des Verfahrens.
Auch hier bestehen die oben genannten Nachteile der direkten Messung im Gebirge.
In der Patenschrift DE 198 30 196 wird ein Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Gesteins- und Gebirgsanisotropie sowie des Gebirgsspannungszustandes an Probenkörpern beschrieben. Die darin beschriebene Methode zur Ermittlung des Gebirgsspannungszustandes erfordert Probenkörper der Gesteine mit gegenüberliegenden Endflächen zur Anbringung der Ultraschallwandler.
Die vorgenannte Methode ist nicht zur in-situ Messung von Spannungszuständen und Spannungsumlagerungen im Gebirge geeignet. Weiterhin ist im Stand der Technik die Druckabhängigkeit der Eigenschaften der Wellenausbreitung bekannt. Mit der Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Kompressions- und/oder Scherwellen können richtungsabhängige Drücke und Spannungen gemessen werden. Gesteinsanisotropien, Risse etc. beeinflussen markant diese Messungen. In der Druckschrift „In-situ stress dependence of wave velocities in servoir and overburden rocks"(The Leading Edge, December 2005, S.1268-1274) beschreiben R.M. Holt u. a. die Abhängigkeit der Wellengeschwindigkeit von Ultraschall vom axial stress. Durch unterschiedliche Porositäten und Klüfte sowie durch die Druckabhängigkeit der Ultraschallgeschwindigkeit im Porenwasser selbst ist eine aussagefähige und vergleichbare in-situ Messung der Gebirgsspannung im umgebenden Gebirge nicht möglich.
Der messtechnische Einfluss von wechselnden Porositäten oder Feuchtegehalten kann weit über dem spannungsabhängigen Anteil des Messeffektes liegen.
In der Patentschrift DE 102005047659 B4 wird eine Vorrichtung zur Ermittlung der Gebirgsspannung in einem Bohrloch beschrieben, welche den Einfluss wechselnder Gesteinsparameter auf die Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Ultraschallwellen eliminiert.
Einfache und kostengünstige Bohrlochmesseinrichtungen erfordern eine Weiterentwicklung der dort aufgezeigten Wege.
So können herkömmliche PTZ-Keramiken nicht mit mechanischen Spannungen belastet werden. Damit diese nicht zu Bruch gehen sind besondere Maßnahmen erforderlich. So sind diese Keramiken zum Beispiel in Kerben oder Schlitzen vor der direkten Krafteinwirkung geschützt einzubauen. Der Schallweg erfolgt über Mehrfachreflexionen im Sondenkörper. Die Impulslänge des Ultraschallsignals wird dabei verlängert und die Ultraschallamplitude verringert sich bei jeder Reflexion, welches die erforderliche Zeitauflösung erschwert.
Ein weiter zu verbesserndes Teil ist die Elektronikeinheit.
Die dort vorgeschlagene PLL-Regelschleife ist für unterschiedliche Messkörper nicht universell einsetzbar und erfordert umfangreiche Abgleicharbeiten. Erfolgt die Laufzeitmessung der Ultraschallwellen in den Messkörpern ohne Mehrfachreflexion und mit Ultraschallquellen hoher Frequenz, können Laufzeiten mit geringer Streuung gewonnen werden. Vorteilhaft werden dazu PVDF-Folien verwendet.
Die breitbandigen PVDF-Folien sind für Laufzeitmessungen besonders gut geeignet.
Als Messkörper werden zum Beispiel metallische Werkstoffe verwendet. Bei Dicken von wenigen Zentimetern werden Laufzeiten kleiner 10 μs erreicht.
Diese können mit TDC-Schaltkreisen besser 100 ps bei einer Messung aufgelöst werden. Durch die kurze Messtrecke im Messkörper können problemlos über 1000 Messungen pro Sekunde erfolgen. In einer Sekunde ist durch Mittelwertbildung so eine Zeitauflösung besser 10 ps leicht möglich.
Im Algemeinen ist die Gebirgsspannungsmessung keine zeitkritische Aufgabe. Die Auflösung der Laufzeit unter 1 ps erfordert daher nur genügend Messwerte.
Auflösungsbegrenzend wirkt der Temperatureinfluss auf die Laufzeit. Moderne TDC- Schaltkreise erlauben eine Temperaturmessung besser 0,01 ° C.
Unter der Vorraussetzung eines quasistationären Temperaturfeldes im Umkreis der Bohrlochsonde ist auch der Einfluss des thermischen Rauschens beherrschbar.
Die Lösung der gestellten Aufgabe ist in den gekennzeichneten Merkmalen des Anspruchs 1 beschrieben. Die weiteren Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wider.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Spannungsmessung mittels Ultraschall beruht auf dem akusto-elastischen Effekt. Die Laufzeit eines Ultraschallimpulses innerhalb des Messmediums wird gemessen. Die Schallgeschwindigkeit der Ultraschallwellen ist abhängig von den elastischen Spannungen innerhalb des Messmediums.
Weiterhin wird die Messtrecke für die Ultraschallwellen durch die Einwirkung der Kräfte elastisch verändert. Diese Messstreckenveränderung im μ-Meterbereich wird messtechnisch mit erfasst.
Verwendet man als Messmedium ein elastisches nicht komprimierbares Medium, zum Beispiel einen Festkörper bekannter Zusammensetzung und ohne Anisotropien im Schallweg, kann man durch die Ermittlung der Laufzeitänderung, die Spannungen im umgebenden Gebirge ermitteln. Voraussetzung für diese Messung ist der form- und kraftschlüssige Schluss der Sonde mit dem Gebirge.
Die Verbindung der Bohrlochsonde kann durch einen speziellen Bohrlochzement, zum Beispiel Salzbeton, durch natürliche Konvergenz des Bohrloches oder durch Beides erfolgen.
Erfolgt die Krafteinleitung entsprechend den Spannungsrichtungen des Gebirges in die Bohrlochsonde, können bei entsprechender Anordnung der Ultraschallsensoren innerhalb der Bohrlochsonden auch entsprechend unterschiedliche Spannungen durch unterschiedliche Laufzeiten gemessen werden.
Das Medium zur Aufnahme der Gebirgsspannung soll inkompressibel und homogen sein. Das kann zum Beispiel ein Kunststoff mit geeigneter Festigkeit, ein Metall oder auch ein Kunststein (Beton) sein.
Die Änderung der Schallgeschwindigkeit ist neben der einwirkenden mechanischen Spannung auch von der Temperatur abhängig.
In der Praxis stellt sich der Temperaturausgleich zwischen Sonde und umgebendem Gebirge ausreichend schnell ein. Größere Temperaturschwankungen sind im Gebirge bei stationärem Einbau nicht zu erwarten.
Für kleine Spannungen im Bereich des Hookschen Gesetzes
σ (Spannung) = E (E-Modul) * ε (Dehnung) ( E = E-Modul )
gilt ein linearer Zusammenhang zwischen der Spannung σ und der Dehnung
ε = Δ L / L
wenn L die Dehnlänge ( auch Stauchung als Spezialfall der Dehnung ) des ultraschallführenden Körpers in der Sonde ist und Δ L dessen Längenänderung. Oberhalb der Dehngrenze σ D ( analog dazu " Fließgrenze „ ) nimmt die Spannung nur noch wenig zu, und die elastische Verformung geht in eine plastische über, die bei der Entlastung der Sonde eine bleibende Längenänderung hinterlassen würde. Für die Anwendung zur mechanischen Spannungsmessung unterstellt man nur die elastische Verformung ohne Kriechen und Relaxation.
Verwendet man für den Schallweg in der Sonde Materialien, die unter den vorhandenen Gebirgsspannungen im elastischen Bereich bleiben, können somit die Gebirgsspannung und die Änderung dieser, wie sie bei Spannungsumlagerungen auftreten, in-situ gemessen werden.
Die Laufzeit nimmt im elastischen Bereich linear mit der Stauchung ab. Wobei zwei Anteile hierzu beitragen:
1. die direkte Verkürzung des Schallweges Δ L und
2. der akusto-elastische Effekt, d.h. die Erhöhung Δ v der
Schallgeschwindigkeit v aufgrund der elastischen Druckspannung in dem Schallweg der Sonde. Als Proportionalitätsfaktor wird die
Spannungskonstante K definiert mittels
Δ v / v = K * σ Damit lassen sich aus der gemessenen Zunahme Δ t der Laufzeit sowohl die Spannung σ = ( v / ( K * L ) ) . Δ t als auch die Längenänderung
Δ L = ( v / ( K * E ) ) * Δ t messen.
Durch das elastische Verhalten der Messstrecke zwischen den Ultraschallsensoren wird auch die Länge der Messtrecke verändert.
Da bekannt ist, dass zum Beispiel die Änderung der Schallgeschwindigkeit durch die Einwirkung einer mechanischen Spannung ( Stauchung der Messtrecke ) dreimal so groß ist, wie der Einfluss der reinen Längenänderung ( die durch die Spannung oder Krafteinwirkung auf die Messtrecke entsteht ) auf die Schallgeschwindigkeit, kann eine ausreichend genaue Ermittlung der Gebirgsspannung erfolgen.
Die Kalibrierung der Bohrlochsonden erfolgt an ein-oder triachsialen Versuchständen.
Eine vorteilhafte Weitergestaltung der Erfindung ist die Anordnung mehrerer um 90° versetzt angeordneter PVDF-Sensoren auf Messkörper. Damit können mit einer Bohrlochsonde Spannungen in mehreren Richtungen gemessen werden.
Durch die in-situ-Messung soll damit eine permanente Gebirgsspannungsmessung ermöglicht werden. Diese Messung kann vorteilhaft beim Abbau von Rohstoffen, bei der Endlagerung von toxischen und radioaktiven Stoffen oder auch beim Tunnelbau angewendet werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen des
Unteranspruchs. Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung mit PVDF-Folie zur Erfassung der Gebirgsspannung mit einer Bohrlochsonde
Fig. 2 eine Vorrichtung zur Ermittlung der Gebirgsspannung mit TDC-Schaltkreis
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur Erfassung der Gebirgsspannung im Gebirge 4 mit einem Piezoelement aus PVDF-Folie 5 auf einem Messkörper 1 dargestellt. Die Gebirgsspannung wirkt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel (Schnittbild mit Blick von der Seite auf die Sonde) auf die elastische nicht komprimierbare Vergussmasse 3 ein. Das Piezoelement aus PVDF.Folie 5 sendet Ultraschallwellen durch den Messkörper 1. In der Elektronikeinheit 2 wird die Laufzeit bzw. die Schallgeschwindigkeit der Ultraschallwellen bestimmt. Die Elektronikeinheit 2 ist in durch ein druckdichtes Gehäuse, zum Beispiel einem Rohr, geschützt. Die Anordnung hinter dem Messkörper 1 verhindert eine Störung der Spannungslinien.
Sollen Gebirgsspannungen in mehreren Richtungen bestimmt werden, sind mehrere Messkörper hintereinander anzuordnen. Entsprechend ihrer Ausrichtung kann dann zum Beispiel die horizontale und die vertikale Gebirgsspannung ermittelt werden.
hi einer hier nicht gezeigten Weiterentwicklung der Vorrichtung kann natürlich ein Messkörper 1 auch mit mehreren PVDF-Folien 5 in unterschiedlicher Raumorientierung bestückt werden.
Zur Auswertung können TDC-Schaltkreise mit mehreren Messkanälen verwendet werden. Eine andere bekannte Art der Messsignalverarbeitung ist das Multiplexen.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung der Vorrichtung einer Bohrlochsonde. Der Messkörper 11 ist mit einer PVDF-Folie 9 bestückt. Der Temperatursensor 8 ermittelt die Temperatur des Messkörpers 11. Die Temperaturmessung kann in hier nicht dargestellter Weise auch innerhalb des Messköpers 11, zum Beispiel in einer Bohrung, erfolgen. Die Ansteuerung der PVDF-Folie 9 erfolgt mit einer bekannten Funktionseinheit 10. In dieser Funktionseinheit 10 wird auch das Echo zur Laufzeitmessung so verstärkt. Die zur Ansteuerung des TDC-Schaltkreises 6 notwendigen Stop-Impulse werden in bekannter Weise aus dem Echo gewonnen.
Die Steuerung des TDC-Schaltkreises 6 und die Übergabe der Daten, wie Beispielsweise Temperatur und Laufzeit, werden in bekannter Weise mit einem Mikroprozessor 7 durchgeführt.
Der Mikroprozessor 7 enthält ein oder mehrere Werte der Laufzeit ohne äußere Einwirkung der Gebirgsspannung auf den Messkörper 11 bei bekannten Temperaturen.
Der Messkörper 11 besitzt fertigungstechnische Toleranzen in der Dicke. Da dieser Messkörper bei einer Massenproduktion zum Beispiel aus gewalzten Profielen besteht, sind Dickenabweichungen von mehreren μ-Metern vorhanden. Diese bewirken unterschiedliche Laufzeiten ohne äußere Spannungseinwirkung. Da die materialspezifischen Kennwerte des Messkörpers 11, damit auch die akusto- elastischen Parameter bekannt sind, recht es, wenn diese Anfangswerte mit der dazugehörigen Temperatur bekannt sind. Diese werden vorrichtungsspezifisch im Mikroprozessor abgespeichert. In vorteilhafter Weise werden dabei alle Einflüsse des Klebers und der Klebstoffschicht zwischen PVDF-Folie 9 Messkörper 11 mit erfasst.
Im laufendem Betrieb werden die Laufzeiten und die dazugehörigen Temperaturen ermittelt. Daraus ist die einwirkende Gebirgsspannung ermittelbar.
Das Anwendungsgebiet der Erfindung beschränkt sich nicht nur auf den Bergbau. Die Sonden können vorteilhaft in Pfeiler von Stahlbetonbauten eingesetzt werden.
Die Kombination mehrerer Sonden, mit der hier nicht weiter erläuterten Datenübertragung, gestattet auch den kostengünstigen Einsatz im Tunnelbau zur Dauerüberwachung solcher Bauwerke.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Überwachung und Bestimmung der Gebirgsspannung in einem Bohrloch, bei dem unter dem Einsatz der Impuls-Echo-Technik mit Ultraschall, die Laufzeiten der
Ultraschallimpulse in mindestens einem Messkörper gemessen werden; dadurch gekennzeichnet, dass das ein oder mehrere Werte für die Änderung der Laufzeit als Funktion der
Vorspannung aus den materialspezifischen Kennwerten des Messkörpers und der ein oder mehrmals gemessenen Laufzeit berechnet werden; während der Dauer der Beobachtung oder Bestimmung der Gebirgsspannung ein oder mehrfach ein Wert für das Verhältnis einer Laufzeitänderung zu einer
Änderung eines die Vorspannung des Messkörpers beeinflussenden
Messkörperparameters ermittelt wird; und der oder die aus den Laufzeit-Messungen während der Dauer der Beobachtung oder Bestimmung der Gebirgsspannung ermittelten Werte mit aus den gespeicherten Werten ermittelten Werten für das Verhältnis einer
Laufzeitänderung zu einer Änderung der Gebirgsspannung verglichen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der Laufzeitmessung mindestens zeitnah auch die Temperatur des Messkörpers gemessen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit den gemessenen Temperaturen der Messkörper, die temperaturabhängigen Messkörperparameter berechnet werden und aus den gemessenen Laufzeiten, Werte der Gebirgsspannung ermittelt werden.
4. Verfahren zur Überwachung und Bestimmung der Gebirgsspannung in einem Bohrloch, bei dem unter dem Einsatz der Impuls-Echo-Technik mit Ultraschall die Laufzeiten der Ultraschallimpulse in mindestens einem Messkörper gemessen werden; dadurch gekennzeichnet, dass das ein oder mehrere Werte der Laufzeit ohne äußere Einwirkung der
Gebirgsspannung auf den Messkörper, mit den in Vorversuchen ermittelten materialspezifischen Kennwerten des Messkörpers, zur Ermittlung eines
Anfangswertes genutzt werden; während der Dauer der Beobachtung oder Bestimmung der Gebirgsspannung laufend Laufzeiten ermittelt werden; und der oder die aus den Laufzeit-Messungen während der Dauer der Beobachtung oder Bestimmung der Gebirgsspannung ermittelten Werte mit den aus den gespeicherten Werten ermittelten Werten für das Verhältnis einer
Laufzeitänderung zu einer Änderung der Gebirgsspannung verglichen werden.
5. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4: wobei wenigstens ein Messkörper (1) außerhalb des die Elektronik beinhaltenden Sondenkörpers (2) direkt mittels einer Vergussmasse (3) mit dem umgebenden Gebirge (4) in Kontakt steht, wobei der Messkörper (1) auf wenigstens einer Außenfläche ein Piezoelement (5) zur Messung der Ultraschalllaufzeit enthält,
6. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein TDC-Baustein (6) vorgesehen ist, der die Laufzeiten zwischen dem gesendeten Ultraschallsignal und des empfangenen Ultraschallsignals ermittelt.
7. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass ein Mikroprozessor (7) vorgehen ist, der anhand der von dem Temperatursensor (8 ) und/oder vom TDC-Baustein (6) gelieferten Messdaten die Schallgeschwindigkeit im Messkörper (11) und/oder die Gebirgsspannung im Bohrloch bestimmt.
8. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass ein Mikroprozessor (7) die Laufzeit- und/oder die Temperaturdaten und/oder Gebirgsspannungsdaten mittels Datenübertragung zur Auswertung und/oder Feldbeobachtung nach Obertage überträgt.
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