Entwicklung eines Messsystems zur hochauflösenden...
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Okt. 2008 Fraunhofer IZFP-D Horst Kühnicke Entwicklung eines Messsystems zur hochauflösenden zerstörungsfreien Erkundung von Gesteinsnahbereichen mittels Sonar Förderkennzeichen: 02C1184 Fraunhofer-Institut für zerstörungsfreie Prüfverfahren
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Entwicklung eines Messsystems zur hochauflösenden
zerstörungsfreien Erkundungvon Gesteinsnahbereichen
mittels Sonar
Förderkennzeichen: 02C1184
Fraunhofer-Institut fürzerstörungsfreie Prüfverfahren
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Ziel ist die zerstörungsfreie, integraleCharakterisierung der Auflockerungszone,
d.h. dreidimensional, ohne Bohrungen
-3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3N
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Verfahren zur zerstörungsfreien und integralenCharakterisierung der Auflockerungszone
Akustische Emission 02C0537
Okt. 1997 bis Jan. 2003, IZFP Dresden
Zeitliche und räumliche Entwicklung
Mikroseismik 50 kHz
Geosonar 02C1184
Aug. 2004 bis Mai. 2008, IZFP Dresden
Momentaner Auflockerungszustand
Ultraschall 200 kHz
Georadar 02C1185
Aug. 2004 bis Mai. 2008, TH Ilmenau
Momentaner Auflockerungszustand
Elektromagnetische Wellen 4 GHz
Akustische Emission 02C0537
Okt. 1997 bis Jan. 2003, IZFP Dresden
Zeitliche und räumliche Entwicklung
Mikroseismik 50 kHz
Geosonar 02C1184
Aug. 2004 bis Mai. 2008, IZFP Dresden
Momentaner Auflockerungszustand
Ultraschall 200 kHz
Georadar 02C1185
Aug. 2004 bis Mai. 2008, TH Ilmenau
Momentaner Auflockerungszustand
Elektromagnetische Wellen 4 GHz
Akustische Emission 02C0537
Okt. 1997 bis Jan. 2003, IZFP Dresden
Zeitliche und räumliche Entwicklung
Mikroseismik 50 kHz
Geosonar 02C1184
Aug. 2004 bis Mai. 2008, IZFP Dresden
Momentaner Auflockerungszustand
Ultraschall 200 kHz
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Arbeitsprogramm
• Kombination von aktiven und passiven akustischen Verfahren mit elektromagnetischen Untersuchungen zur zerstörungsfreien Charakterisierung des Auflockerungs-zustands in der Saumzone.
• Entwicklung und Bau eines bergbautauglichen Messsystems (IP67).
• In-situ Messungen in Sondershausen und anderen Gruben.
• Schaffung komplexer verfahrensübergreifender Interpretationstechniken.
• Kalibrierung an Permeabilitätsmessungen mit dem Injektionsverfahren.
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Modellierung mit EFIT
0 0.1 0.2[m]
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Ent
fern
ung
vom
Sto
ß [m
]
2000 2500 3000 3500 4000 4500v [m/s]
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Ent
fern
ung
vom
Sto
ß [m
]
geringer vs-Gradient
starker vs-Gradient
vp-Gradient
spannungsfreier horizontaler Rissvon 10 cm Länge
spannungsfreier horizontaler Rissvon 1 cm Länge
Aktor
Sensor
1950 2400
2460 4540
4450
Modellparameter für die Auflockerungszone
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Modellierung mit EFIT
Risslänge 1 cm starker Gradient vs
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Modellierung mit EFIT
0 100 200 300Zeit [µs]
-1E-005
0
1E-005
2E-005
v [ -
]
Amplituden des Geschwindigkeitsfeldesgeringer vs-Gradient mit 10 cm Streuer, In-plane velocitygeringer vs-Gradient mit 10 cm Streuer, Out-of-plane velocitystarker vs-Gradient mit 10 cm Streuer, In-plane velocitystarker vs-Gradient mit 10 cm Streuer, Out-of-plane velocitystarker vs-Gradient mit 1 cm Streuer, In-plane velocitystarker vs-Gradient mit 1 cm Streuer, Out-of-plane velocity
P geführtRayleigh geführt
PP
PS
PPP
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Modellierung mit EFIT
0 0.2 0.4 0.6 0.8Tiefe [m]
0
4E-006
8E-006
1.2E-005
v [ -
]
Amplituden des Geschwindigkeitsfeldesnach Faltung mit Sendesignal,Berechnung der Hilbert-Einhüllenden,Timeshift - Signallänge/2 (Reflexionsmaximum),und NMO-Korrektur
geringer vs-Gradient mit 10 cm Streuer, In-plane velocitygeringer vs-Gradient mit 10 cm Streuer Out-of-plane velocitystarker vs-Gradient mit 10 cm Streuer In-plane velocitystarker vs-Gradient mit 10 cm Streuer Out-of-plane velocitystarker vs-Gradient mit 1 cm Streuer In-plane velocitystarker vs-Gradient mit 1 cm Streuer Out-of-plane velocityBereich am Stoß geführter Rayleigh-Wellen bei vr=2460 m/sBereich am Stoß geführter P-Wellen bei vp=4540 m/s
P geführtRayleigh geführt
PP
PS
PPP
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Verfahren
Sensoren:
Sendesignal:
Signalaufbereitung:
Beseitigung des GleichspannungsoffsetsFaltung mit SendesignalBandfilter 100...300 kHzAmplitudenkorrektur für sphärische Divergenz und StreuungAmplitudennormierung der SpurMuting von Kopf- und Rayleigh-WelleNMO-Korrektur Stapelung und Tiefenwandlung
Rickert-Wavelet
Mittenfrequenz: 200 kHzApertur: 60 mm
0 4E-006 8E-006 1.2E-005 1.6E-005t [s]
-1
-0.5
0
0.5
1
U
SendesignalRicker-Wavelet f = 197,368 kHz
ZeitsignalStützstellen bei 2 MHz AbtastrateFrequenzinhalt
0 100000 200000 300000 400000 500000f [Hz]
0
0.02
0.04
0.06
0.08
Freq
uenz
ante
il [%
]
für t<3/fU(t)=EXP(-2[t f-1,5]²) COS(2Pi[t f-1,5])und COS-Taper
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Verfahren
Signalbearbeitungs-Software CSVnorm mit Beispieldatensatz aus der Grube Bernburg
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Messsystem AE.net
bergbautauglich (Schutzgrad IP67)
modularer Aufbau (z.Z. bis 16 Messkanäle)
gute Parameter (Abtastrate 2 MHz, Dynamik 90 dB)
einfache Kabel (S&PoE)
umfangreicher Einsatz von Standardbaugruppen (PC104+)
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Messsystem AE.net
AE.switchLAN / WAN Console
AE.engine2 MHz
AE.engine2 MHz
AE.engine1 MHz
AE.switch AE.switch AE.switch
S&PoE
AE-Sensoren
modularer Aufbau
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Messorte
Grube Sondershausen, Maschinenstrecke ED, Alter: 35 Jahre, Lage: im Abbaufeld, Querschnitt: 4,7 m², Teufe: 450 m
Grube Bernburg, Maschinenstrecke L0, Alter: 35 Jahre, Lage: im Gebirge, Querschnitt: 4,7 m², Teufe: 505 m
Grube Borth, Teilschnittstrecke, Neuauffahrung, Lage: im Abbaufeld, Querschnitt: 19 m², Teufe: 920 m
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Versuchsort Sondershausen
2.30
3.00
1.00
1.50
2.75
1.37
1.90
0.40
0.13
0.40
0.40
• Auf einem Hunt befestigte Andruckvorrichtung zum Andrücken der Prüfköpfe an den Stoß der im Steinsalz aufgefahrenen Maschinenstrecke Auffahrt ED (Bahnhof)
• Sensorkopplung über die Ultraschall-Vorlaufstrecke „GEOPAD“ der Firma SONOTEC Ultraschallsensorik Halle GmbH
• keine Verbesserung der Sensorankopplung an das Gebirge durch Anschleifen der Koppelfläche
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-3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
S_BC_B100-300_NR18A004S4-8_Hmxt
0.000.050.100.150.200.250.300.350.400.450.500.550.600.650.700.750.800.850.90
Reflektivität [mV]
S N
Akustische Detektion von Rissgeflechten im Steinsalz
Sonar 200 kHz Messort: Sondershausen
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• mehr als 35 Jahre alte Maschinen-strecke (Liegendstrecke 0) im Staßfurtsteinsalz der Grube Bernburg in 505 m Teufe
• Entfernung zu Strecken des umliegenden Grubenfeldes größer 60 m
• Messprofil im Bereich der Zentral-bohrung B2
Versuchsort Bernburg
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Akustische Detektion von Rissgeflechten im Steinsalz
Sonar 200 kHz Messort: Bernburg
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Messort Borth
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Akustische Detektion von Rissgeflechten im Steinsalz
Sonar 200 kHz Messort: Borth
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Vergleich mit direkten Permeabilitätsmessungen (Injektionsverfahren)
TU BAF, Abschlussbericht 02 C 0527 6
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Vergleich mit Georadar (Komplexe Auswertung)
Messort: Bernburg
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Zusammenfassung
Georadar
Akustische Emission
Geosonar
integral, feste Sensorpositionen => Aufwand geringhohe 3D-Empfindlichkeitnur Veränderungen des Auflockerungszustandes detektierbargeeignet für die Verfolgung der zeitlichen und räumlichen Entwicklung der Auflockerungszone
scannend mit direkter Ankopplung => Aufwand sehr hochhohe 3D-Empfindlichkeitmomentaner Auflockerungszustand detektierbar
scannend ohne direkte Ankopplung => Aufwand hochweniger empfindlich als die akustischen Methoden, wegen der geringeren Wechselwirkung mit dem Rissgeflechtmomentaner Auflockerungszustand detektierbar
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Schlussfolgerungdie Verfahren sind für die zerstörungsfreie 3D-Charakterisierung der Auflockerungszone geeignetes werden keine Bohrungen benötigt
AusblickVerbreiterung des Erfahrungsschatzes unter unterschiedlichen endlager-relevanten BedingungenAbschluss der Entwicklung von bergbautauglichen MesssystemenVerbesserung komplexer Interpretationstechnikenandere Wirtsgesteine
