FG4 070308 Nahbereichsgeosonar - Universität...
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März 2007 Fraunhofer IZFP-D Horst Kühnicke Entwicklung eines Messsystems zur hochauflösenden zerstörungsfreien Erkundung von Gesteinsnahbereichen mittels Sonar Förderkennzeichen: 02C1184
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Entwicklung eines Messsystems zur hochauflösenden
zerstörungsfreien Erkundungvon Gesteinsnahbereichen
mittels Sonar
Förderkennzeichen: 02C1184
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Stand von Wissenschaft und Technik
Direkte Permeabilitätsmessung (Injektionsverfahren)
z.B. TU Freiberg (02C527), GRS (02E9188)
nur punktuelle Messwerte, Bohrloch erforderlich
Akustische Emission
z.B. IZFP-D (02C537)
Verfahren zum zeitlichen und räumlichen Verfolgen der Ausbildung von Auflockerungen,
für Ermittlung des momentanen Auflockerungszustands nur bedingt geeignet
Akustische Laufzeitmessungen
z.B. BGR (029098)
für einsetzbare Verfahren Bohrloch erforderlich
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Akustische Emission gut geeignet für das Studium der zeitlichen und räumlichen Veränderungen der Rissgeflechte
Neuauffahrung SondershausenFilm
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Ziele des Projekts:
Zerstörungsfreies Prüfverfahren für die Bestimmung des momentanen Auflockerungszustands
• Nahbereichsgeosonar (Rückstreuung von nieder-frequenten Ultraschallwellen (ca. 200 kHz)
• Nahbereichsgeoradar (Rückstreuung von hoch-frequenten elektromagnetischen Wellen ( > 1 GHz)
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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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Sonar 200 kHz
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
Sonar 200 kHz
Versuchsort Bernburg
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Akustische Detektion von Rissgeflechten im Steinsalz
Sonar 200 kHz Messort: Bernburg
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• Rückstreumessungen am Steinsalzblock im Labor des IZFP mit verschiedenen Aktor-und Sensorkombinationen
• Wahl der stark bedämpften Prüfköpfe Krautkrämer G 0,2 R1 B (Mittenfrequenz 200 kHz) als Sender und Empfänger für die In-situ-Messungen
Methodenentwicklung: Versucheim Labor und im Bergwerk zurAuswahl von Messkonfigurationund Signalverarbeitung
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Methodenentwicklung: Versuche im Labor und im Bergwerk zur Auswahl von Messkonfiguration und Signalverarbeitung
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
„Ricker-Wavelet“ als Sendesignal mit einem an die Sensitivität der Prüfköpfe ange-passten Frequenzinhalt zur Erfassung stoßnaher Inhomogenitäten
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Methodenentwicklung: Versuche im Labor und im Bergwerk zur Auswahl von Messkonfiguration und Signalverarbeitung
Signalbearbeitung der Rohdaten zum Hervorheben rückgestreuter Signalanteile
Messung Station 2,35 m (Firste 90°), Aktor/Sensor: Krautkrämer G 0,2 R1 BSensoroffset: 0,15 m, Sendesignal Ricker-Wavelet 197,368 kHz
Bearbeitung: - Faltung mit Sendesignal zum Hervorheben gestreuter Signalanteile- Bandfilter 100...300 kHz zur Beseitigung von Resten niederfrequenter Signalanteile- Amplitudenkorrektur sphärische Divergenz mit einem Divergenzwinkel von 5°- Amplitudenkorrektur Streuung mit einem Absorptionskoeffizenten von 0,04 m-1- Amplitudennormierung der Spur auf die Streuung im Zeitbereich 4...8 ms - NMO-Korrektur und Tiefenwandlung für v=4540 m/s
korrigiertes MesssignalHilbert Enveloppe
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1s [m]
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
U [m
V]
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Methodenentwicklung: Versuche im Labor und im Bergwerk zur Auswahl von Messkonfiguration und Signalverarbeitung
Tiefenschnitte der Reflektivitäten (Hilbert-transformierte Amplitude) bis 1 m Streckenentfernung
Auffahrt ED der Grube Sondershausen bis 1 m Stoßentfernung (links)Liegendstrecke 0 der Grube Bernburg (rechts)
-5 -4.5 -4 -3.5 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5Umfang [m]
Winkel [°]
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Teuf
e [m
]
-20-100102030405060708090100110120130140150160170180190200
S_BC_B100-300_NR18A004S4-8_Hmk-x
NS
0.000.050.100.150.200.250.300.350.400.450.500.550.600.650.700.750.800.850.90
Reflektivität [mV]
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3Umfang [m]
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Tief
e [m
]
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
BERZ-30g_OCB99975-300048HNA1.00E-01DV4540
Reflektivität [mV]
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Vergleich mit direkten Permeabilitätsmessungen
• Durchlässigkeitsversuche mit Gas und Fracversuche mit Öl und Gas in drei Horizontalbohrungen (Ø 42 mm, Abstände 12 m untereinander) in Bernburg
• Durchlässigkeitsversuche mit Gas in Sondershausen (EU1) TU BAF, Abschlussbericht 02 C 0527 6
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AE.engine AE.engine AE.engine AE.engineAE.engine AE.engine AE.engine AE.engine AE.engine AE.engine AE.engine AE.engineAE.engine AE.engine AE.engine AE.engine
AE.switch AE.switch
Weitere AE.switch | Konsole | Ethernet-LAN | Internet
…
S&PoE
DC 48 V
Schallemissionssystem AE.net
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Schlussfolgerung
• Akustische Emission (Mikroseismik 50 kHz)besonders geeignet für die Verfolgung der räumlichen und zeitlichen Entwicklung von Auflockerungszonen
• Sonar (Niederfrequenter Ultraschall 200 kHz)besonders geeignet für die absolute Bestimmung des momentanen Auflockungszustands
Weitere Aktivitäten
Kombination von aktiven und passiven akustischen Verfahren mit elektromagnetischen Untersuchungen zur zerstörungsfreien Charakterisierung des Auflockerungszustands in der Saumzone
Entwicklung und Bau eines bergbautauglichen Messsystems (IP67)
Schaffung komplexer Interpretationstechniken
Kalibrierung an Permeabilitätsmessungen mit dem Injektionsverfahren
