DE102007021399A1

DE102007021399A1 - Verfahren zur Ermittlung von geoelektrischen Parametern für Untergrundvortriebe-begleitende geologische Voraus- und Umfelderkundungen und Messvorrichtung dazu

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Publication number: DE102007021399A1
Application number: DE102007021399A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-05-18
Filing date: 2007-05-18
Publication date: 2008-11-20

Abstract

Verfahren zur Ermittlung von geoelektrischen Parameter mittels fokussierender und nicht-fokussierender Anordnungen für Untergrundvortriebe-begleitende geologische Vorauserkundungen ausgehend von axialen Zentral-, Quer- und Schwenkvortrieben und mit diesen in Zusammenhang stehenden Hohlräumen und Oberflächen,
gekennzeichnet durch,
– die Verwendung von im Verhältnis zum Erkundungsquerschnitt kleinen isolierten Messelektroden A0() innerhalb einer umgebenden Metallmatrix, z. B. als Vortriebselektroden in einer Bohrkrone oder im Schneidrad einer Tunnelbohrmaschine, oder als temporäre Ortsbrustelektroden z. B. am Ende einer bewehrten Tunnelröhre;
– die Nutzung der bewehrten Tunnelröhre, des Bohrmaschinen- oder -gestängekörpers o. ä. in Verbindung mit Ausbaumitteln, als flächig und niederohmig mit dem Untergrund verbundene Elektrode A1;
– die Einrichtung von mindestens zwei ortsfesten Gegenelektroden B und C, welche durch geeignete Maßnahmen niederohmig mit dem Untergrund entfernt von A1 verbunden werden;
– die fortlaufende messtechnische Überwachung und Quantifizierung der relativen Erdungswiderstände von A1, B, C über sukzessive Widerstandsmessungen zwischen jeweils zwei Elektroden oder Elektrodengruppen;...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung von geoelektrischen Parameter für geologische Voraus- und Umfelderkundungen ausgehend von axialen Zentral-, Quer- und Schwenkvortrieben zur Untergrunderschließung und mit diesen in Zusammenhang stehenden Hohlräumen und Oberflächen. Es ist bekannt, dass z. B. mit Hilfe der Geoelektrik physikalische Eigenschaften aus einem Untergrund endlichen ohmschen Widerstandes von Tunnel- und Hohlraumvortrieben aus zu erkunden sind ( DE 198 42 975 B4 , Kaus & Kopp, 2004). Das bekannte Verfahren verwendet dabei fokussierende Messanordnungen mit mindestens drei beteiligten Elektroden, um z. B. das konzentrische Vortriebsvorfeld einer Tunnelbohrmaschine geoelektrisch voraus zu erkunden. Schirmstromelektroden, z. B. A1, A2, und zentrale Messströme über A0, mit entsprechenden, im Gebirge angeordneten Gegenelektroden B0, B1, bilden die Grundlage für das Materialvorfeld kennzeichnende Parameterermittlungen, insbesondere spezifische Widerstände. Dabei werden u. a. die Vortriebswerkzeuge als isolierte Elektroden, separate Erdungselektroden sowie z. B. den Tunnel insgesamt auskleidende Metallstrukturen, wie Maschinenkörper, zum Eintrag der Mess- und Schirmströme benutzt. Isolierte Spannungselektroden M und N finden teilweise Anwendung zur Kontrolle der geometrischen Lage der Nullpotentiallinie bei der Messstromfokussierung. Eine unabhängige Bestimmung von lokalen scheinbaren spezifischen Widerständen über 4-Punkt-Messungen erfolgt nicht. Weiterhin erfolgt keine konsequente Bestimmung aller Erdungswiderstände für die involvierten Elektroden. Dadurch werden Amplitudenwechsel der Messströme, insbesondere durch ggf. auftretende veränderliche Erdungswiderstände an den Gegenelektroden, nicht als solche registriert noch quantifiziert. Migrierende Gegenelektroden kommen nicht vor. Mittel zur fortlaufenden meßtechnischen Erkennung potentiell auftretender Leckagen an den Isolationen zwischen Schirmstrom- und Messelektroden, bilden keine integralen Bestandteile der Messvorrichtungen.
Richtungsabhängige Setzungen und Nutzungen von Gegenelektroden sind nicht bekannt (Kopp, Th. (2006): BEAM – Bore-Tunnelling Electrical Ahead Monitoring for TBM and Drill & Blast Drivages, Proceedings of 2006 China International Symposium in High Speed Railway Tunnels). Weitere geoelektrische Erkundungsverfahren über Erdelektroden stammen z. B. aus der Öl- und Gasexploration und finden Anwendung über Bohrwerkzeuge oder andere Systeme für die Tiefbohrindustrie und verwandte Bereiche.
Ähnlich wie bei bohrlochgeophysikalischen Tomographien kommen hierbei jeweils im wesentlichen Erkundungsrichtungen in das radiale Umfeld der Bohrachse in Betracht. Geoelektrische Vorauserkundungen in Bohrrichtung, welche unmittelbar von der Bohrkrone ausgehen, um gezielt mit genügender Reichweite Formationswiderstände zu bestimmen, sind nicht bekannt.
Zunehmender Bedarf an der Lösung qualifizierter geoelektrischer Voraus- und Umfelderkundungsaufgaben besteht in den Bereichen Tunnel- und Bergbau, sowie für bohrbegleitende Vorauserkundungen bei Horizontal- und Vertikalbohrungen, insbesondere in der Öl- und Gasexploration. Zu ermittelnde geoelektrische Parameter sind hierbei z. B. elektrodenort- und -artspezifische Erdungswiderstände, Formationswiderstände, scheinbare spezifische Widerstände und zugehörige IP-Effekte, temperaturabhängige Widerstände, sowie Wassergehalte und abgeleitete Wärmeleitfähigkeiten.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Ermittlung von geoelektrischen Parameter mittels fokussierender und nicht-fokussierender Anordnungen für Untergrundvortriebe-begleitende geologische Vorauserkundungen ausgehend von axialen Zentral-, Quer- und Schwenkvortrieben und mit diesen in Zusammenhang stehenden Hohlräumen und Oberflächen sowie Messvorrichtung dazu zu schaffen, sodass eine zuverlässige Prognose insbesondere über Gebirgseigenschaften und Materialarten des Vortriebs- oder Abbauvorfeldes mit genügender Reichweite sowie eine sensorische Erkennung des unmittelbar geförderten Materials bei Kontrolle der vorherrschenden Messbedingungen ohne zusätzlichen Arbeitsaufwand fortlaufend erfolgen kann.
Dabei kommen ruhende und/oder migrierende Elektroden und Elektrodenzonen unterschiedlicher Geometrien und Anzahlen für Stromeinträge und Spannungsmessungen in Mehrpunktanordnungen zum Einsatz, welche freistehend, metallmatrix-umschlossen oder einander nachbarlich beeinflussend und z. B. gekühlt oder geheizt sein können, um temperaturabhängige Widerstände und Wärmeleitfähigkeiten im Kontaktbereich des Abbaus zu ermitteln. Betriebsbegleitende Kontaktvariabilitäten der Gegenelektroden sollen erkannt und quantifiziert, sowie deren bestimmte radiale Orientierung zur gezielten Lenkung von Erkundungsströmen 10 genutzt werden. Ebenso betriebsbegleitend soll fortlaufend Leckageerkennung zwischen Schirm- und Messelektroden betrieben werden. Durch Nutzung jeweils dreier niederohmig angekoppelter Erdungselektroden, z. B. A1, B und C, sollen sowohl bei räumlich konstanten, als auch bei im einzelnen wechselnden Elektrodenpositionen und -erdungszuständen, insbesondere für im Verhältnis zum Tunneldurchmesser kleine integrierte Messelektroden A0() indikative Messströme und IP-Effekte mit erhöhter Genauigkeit ermittelt werden.
Die Aufgabe wird nach der Erfindung verfahrensgemäß nach den Ansprüchen 1 bis 14 und vorrichtungsgemäß nach den Ansprüchen 15 bis 20 gelöst. Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen verfahrens- und vorrichtungsgemäßer Lösungen dar.
Die technische Durchführung der Erfindung nach Anspruch 1 erfolgt mittels Geoelektrikapparaturen für fokussierte und unfokussierte Zwei- und Mehrpunkt-Messungen mit Schnittstellen zu Vermessungsvorrichtungen für axiale Zentral-, Quer- und Schwenkvortrieben, sodass über stehende und migrierende Elektroden lokal einzelne Erdungs- und Formationswiderstände und scheinbare spezifsche Widerstände frequenzabhängig und stationsbezogen für das Vortriebsvorfeld ermittelt werden können. Im Vortriebsbereich befindet sich mindestens eine, relativ zum Erkundungsquerschnitt kleine, isolierte Erkundungselektrode A0(), welche z. B. die Form einer Quasi-Punktelektrode für hochauflösende Abtastungen einnehmen kann und dabei z. B. als Vortriebselektrode auf einer Kreisbahn mit dem Schneidrad rotiert. Ausgehend von A0() werden fokussierte Messströme appliziert, um z. B. Formationswiderstände des kontaktierten Gebirges aus dem Materialvorfeld zu erhalten. Maschinenkörper oder Teile derselben, Baustahlmattenbewehrungen etc. dienen als große flächenhafte, gut geerdete Schirmelektroden A1. Als ortsfeste Gegenelektroden dienen z. B. zwei gut geerdete Stabelektroden B und C, welche dauerhaft elektrisch wirksam mit dem aufzufahrenden Gebirge in Bereichen vergleichbarer Geologie verbunden werden. Alle Elektroden werden mit entsprechenden, teilweise flexiblen Kabelzuläufen bekannter technischer Spezifikationen mit dem geoelektrischen Messsystem verbunden. Danach erfolgt z. B. in gegenseitiger Abhängigkeit mit insgesamt mindestens drei Elektroden oder Elektrodengruppen und unter Einbeziehung jeweils zweier der gut geerdeten Nicht-A0-Elektroden fortlaufend die Bestimmung der einzelnen Erdungswiderstände, z. B. Re(A0()), Re(A1), Re(A0() + A1), Re(B), Re(C), Re(B + C), und Re(B + A1) mittels hinreichender Anzahlen Gleichungen und entsprechenden Gleichsetzungen und ggf. Mittelwertbildungen nach dem Ohmschen Gesetz. Leckagekontrollen erfolgen zwischen zwischen Schirm- und Messelektroden mittels 3-Punkt-Messtechnik unter Nutzung von Gegen-, Schirm- und Messelektroden, z. B. B oder C, A1 und der jeweiligen A0(), wobei der Stromeintrag bei bekannter Spannung z. B. über B und A1, und entsprechend vergleichende Spannungsmessungen zwischen B und A1 und B und A0() erfolgen, sodass ein anfänglich unabhängig vom gemeinsamen Gebirgskontakt festgestellter Isolationszustand bei einer Initialmessung am Gebirge Eichwerte liefert, welche zur fortlaufenden qualitativen Beurteilung der Beibehaltung des gegebenen Isolationszustandes durch Vergleichsmessungen der genannten Art herangezogen werden können.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann z. B. während und ohne Unterbrechung eines laufenden Bohrbetriebes, Exkavationsprozesses oder Gewinnungsbetriebes, sukzessive die sensorische Erkennunng des räumlichen Vorkommens und der Verbreitung von Untergrundmaterialien im geologischen Vorfeld fortlaufend mit angemessenen Reichweiten erfolgen, um z. B. Steuerungsparameter für Abbau- und Vortriebsvorrichtungen, bereitzustellen. Die geoelektrischen Messungen erfolgen unter teilweiser und/oder gesamtheitlicher Nutzung bestehender tunnelbau-, bohr- oder bergbautechnischer Vorrichtungen aus dem konventionellen oder maschinellen Untergrundbau mit elektrisch wirksamen Gebirgskontakten, z. B. von bergmännischen Stollen mit bewehrtem Ausbau, Strebbau, über Sicherungs- und Ausbaumittel, Ausbaubögen bzw. die gesamte Sicherungsschale von Zugangsstollen, Bohrgestänge, Tunnelbohrmaschinen (TBM), rotierende Schneidräder von TBMs, Continious Miner, Bohr-Jumbos, Bohrwerkzeuge usw. Diese dienen sowohl als Elektroden als auch als Träger integrierter Elektrodenzonen, welche in Einzelfällen isolierte Löse- und Abbauwerkzeuge selbst sein können. integrierte Elektrodenzonen innerhalb einer Metallmatrix werden verfahrensspezifisch elektrisch vom umgebenden Werkstoff z. B. über Beschichtungen mit mechanisch widerstandsfähigen, elektrisch isolierend wirkenden Materialien wie Teflon auf den Montageflächen oder z. B. durch Einbringung von Isolationskörpern zwischen Elektrodenträger und Implantatelektrode oder Elektrodenpad aus geeigneten Kunst- und Keramikstoffen getrennt. Alle im Einsatz befindlichen Elektrodenkontakte werden elektrisch über getrennte, isolierte Kabel, Schleifringverbindungen o. ä. mit den beteiligten geoelektrischen Einheiten verbunden. Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass insbesondere unabhängig von zeitlich veränderlichen Übergangswiderständen an den Gegenelektroden durch Korrosion oder dgl. fortlaufend vortriebs- oder ortsstationsbezogen geoelektrisch erkundet werden kann, bei gezielter qualitativer Kontrolle der Konstanz von Isolationszuständen zwischen einzelnen A0() und A1, sodass die prognostisch verwerteten Messstromniveaus über A0() von Variabilitäten an den Gegenelektroden und Leckagen unbeeinflußt bleiben und mit erhöhter Genauigkeit erfasst werden. Die fortlaufende Ermittlung indikativer scheinbarer spezifischer Vorauserkundungs-Formationswiderstände ρ_SA0() erfolgt mit: ρSA0()= Kfokus·Re(A0()) [Ωm], mit Re(A0()) = U/I0 – Re(B, C) – RTAK [Ω]

ρ_SA0(): – scheinb. spez. Formationswiderstand im Bereich einer Messelektrode A0() in [Ωm]
K_fokus: – zugehöriger Geometriefaktor in [m]
Re(A0()): – Formationswiderstand im Bereich einer Messelektrode A0() in [Ω]
U: – Messspannung in [V]
I0: – Messstrom in [A]
Re(B, C): – Erdungswiderstand der eingesetzten Gegenelektrode B oder C in [Ω]
R_TAK: – Widerstand des technischen Anschlußkreises in [Ω]

Hierdurch können z. B. bei Produktionsbetrieben insgesamt verbesserte geotechnischabbautechnische Bewertungen erfolgen, um diese Betriebe z. B. rechtzeitig an neue Bedingungen anzupassen und potentielle Ausbauschwierigkeiten und Schäden zu vermeiden, wodurch z. B. neben der potentiellen Verbesserung der Sicherheit für Bergleute, Maschinen und Bohrung auch ein Zeitgewinn und eine Reduzierung der Betriebskosten insgesamt bewirkt werden kann. Die fortlaufende rechnerische Umwandlung von von der Ortslage innerhalb des Gebirges oder einer Lagerstätte abhängigen Messwerten führt z. B. zu gesicherten realzeitlichen Erfassung von abbau- und/oder vortriebsrelevanten Untergrundinformationen. Durch die Verbindung von geoelektrischen Vorfeldinformationen mit Vermessungsdaten in computergestützten Abbauleitsystemen ermöglicht es die Erfindung, eine wesentlich verbesserte Datengrundlage für eine geologische Interpretation und Prognose der potentiellen Änderungen der Gebirgseigenschaften bereitzustellen. insbesondere können hierdurch z. B. Vorkommen von Wasser und leitfähigen Störungen innerhalb des aufgefahrenen Gebirges sukzessive und voraus erkannt und geortet werden. Eine lückenlose geoelektrische Dokumentation im Verlauf eines Untergrundvortriebes kann darüber hinaus als Basis für die Erstellung zukünftiger Gebirgsmodelle herangezogen werden, indem ein anwachsendes Datennetz auf elektronischer Basis generiert wird, welches durch dreidimensionale geometrische Verknüpfungen z. B. einen Gebirgsbereich charakterisiert.
Mit einer weiteren Messmethode lassen sich für relativ zum Erkundungsquerschnitt kleine Messelektroden gemäß Anspruch 1 z. B. über Tunnelbohrmaschinen oder die Tiefbohrtechnik und verwandte Bohrverfahren mittels mindestens zweier vortriebsbegleitender migrierender und niederohmig angekoppelter Gegenelektroden B und C über sukzessive Erdungswiderstandsmessungen und messtechnische Leckagekontrollen ebenfalls frequenzabhängig indikative Messströme über A0()-Elektroden und abgeleitete Größen ermitteln.
Mit einer weiteren Messmethode lassen sich für relativ zum Erkundungsquerschnitt große, flächenhafte und niederohmig angekoppelte Messelektroden, z. B. bei Sprengvortrieben durch zusammengeschlossene temporäre Erdsonden in der Ortsbrust zu A0() und der niederohmig angekoppelten Bewehrung zu A1, und entsprechend z. B. bei axialen Bohr- und Sprengvortrieben mittels nur einer ortsfesten oder vortriebsbegleitenden migrierenden und niederohmig angekoppelten Gegenelektrode B, über sukzessive Erdungswiderstandsmessungen und messtechnische Leckagekontrollen frequenzabhängig indikative Messströme über A0() und abgeleitete Größen ermitteln.
Mit einer weiteren Messmethode lassen sich für Untergrundvortriebe-begleitende geologische Erkundungen ausgehend von axialen Zentral-, Quer- und Schwenkvortrieben nach den Ansprüchen 1 bis 3 durch den Einsatz einer oder mehrerer zusätzlicher Schirmelektroden A2, A3 usw. neben einer z. B. längenbegrenzten isolierten A1-Elektrode stufenweise Fokussierungen der Messströme über A0() aufgrund entsprechender zusätzlicher Aufaddition in der Länge gradweise variieren und/oder insbesondere durch deren entsprechende segmenthafte Ausbildungen gezielt Richtungsauslenkungen der Messströme über A0() bewirken.
Mit einer weiteren Messmethode lassen sich für Untergrundvortriebe-begleitende geologische Erkundungen nach den Ansprüchen 1 bis 4 von Messelektroden A0() ausgehende Messströme gezielt unter Verwendung einer oder mehrerer gut geerdeter Gegenelektroden, welche z. B. im Rückraum des Untergrundvortriebes radial bestimmt zur Vortriebsrichtung angeordnet werden, auslenken, sodass für die über A1 usw. geschirmten Messströme ausgehend von A0() bei Verwendung einzelner Gegenelektroden oder Gegenelektrodengruppen richtungsabhängige Messwertbildungen im Sinne eine Abtastvorganges selektiv erfolgen können.
Mit einer weiteren Messmethode lassen sich für Untergrundvortriebe-begleitende geologische Erkundungen nach den Ansprüchen 1 bis 5 unter Nutzung der Möglichkeit der messtechnischen Überprüfung von Isolationszuständen gemäß Anspruch 1 Materialkennwerte ermitteln, indem im Falle intakter Isolationen zwischen Schirm- und Messelektrode frequenzabhängig jeweils ein materialspezifischer Spannungswert für A0() gemessen wird, der durch Vergleich mit bekannten geologischen Messsituationen eine entsprechende fortlaufende Materialzuordnung des kontaktierten Untergrundes erlaubt.
Mit einer weiteren Messmethode lassen sich für Untergrundvortriebe-begleitende geologische Erkundungen ausgehend von axialen Zentral-, Quer- und Schwenkvortrieben mit betriebskonstanten oder von der Drehzahl abhängigen periodischen Abbaukontakten durch die Einrichtung und Nutzung von mindestens einer elektrisch isolierten Elektrode oder Elektrodenzone A() für fokussierte 2-Punkt-Widerstandsmessungen, z. B. gegenüber dem Schneidrad einer Tunnelbohrmaschine oder dem rotierenden Schaufelrad eines Schaufelradbaggers oder der Walze eines Walzenladers oder einer Untergrundfräse oder einem Kohlehobel, fortlaufende Messungen zur Materialerkennung durchführen.
Mit einer weiteren Messmethode lassen sich für Untergrundvortriebe-begleitende geologische Erkundungen ausgehend von axialen Schwenkvortrieben durch Einrichtung und Nutzung von mindestens vier elektrisch isolierten Elektroden oder Elektrodenzonen A, B, M und N dem bergmännischen Abtrag des Schaufelrades folgend, spiralisch-lateral migrierend, an jeweils neu entstehenden Oberflächensegmenten des Untergrundes in Verbindung mit exakten Positionsbestimmungen und angepassten Geometriefaktoren, zwei- oder dreidimensionale räumliche Verteilungen von scheinbaren spezifischen Widerstandswerten und abgeleiteten Größen ermitteln, ohne den Abbaubetrieb zu unterbrechen oder zu beeinträchtigen.
Mit einer weiteren Messmethode lassen sich für Untergrundvortriebe-begleitende geologische Erkundungen ausgehend von axialen Schwenkvortrieben durch Einrichtung und Nutzung von mehr als vier elektrisch isolierten Elektroden oder Elektrodenzonen A, B, M(), und N() bei genügender Anzahl tomographische Momentaufnahmen des Untergrundes aufgrund zeitgleicher geoelektrischer Messungen mit Mehrkanalmesstechnik ermöglichen und durch die Sukzession der Messungen und Auswertungen ein räumliches Datenabbild des aufgefahrenen Untergrundes erzeugen.
Mit einer weiteren Messmethode lassen sich für Untergrundvortriebe-begleitende geologische Erkundungen nach den Ansprüchen 1 bis 7 über temperierbare Messelektroden A0() oder A() vorhandene Wasseranteile und Wärmeleitfähigkeiten von Abbaumaterialien identifizieren. Insbesondere im Braunkohletagebau ist die Kenntnis von Wassergehalten von Nebengesteinssedimenten von besonderer Bedeutung, da wasserhaltige Mischmaterialien erst nach der Produktion über die Bandförderung zunehmend von der Konsistenz her breiig werden können, und damit die Geräteführer von Schaufelradbaggern das gebaggerte Material beim Angraben optisch nicht gleich richtig hinsichtlich der Eigenschaften beim nachfolgenden Verstürzen einschätzen können.
Mit einer weiteren Messmethode nach den Ansprüchen 1 bis 10 lässt sich bei Vortriebsstillständen Wertemonitoring in der Zeit durchführen.
Mit einer weiteren Messmethode läßt sich für Untergrundvortriebe-begleitende sensorische Erkundungen von Materialarten ausgehend von axialen Schwenkvortrieben zur Untergrunderschließung das Füllungsverhalten von Schaufeln beim Graben ermitteln und z. B. zur Führung eines energiesparenden Schaufelradbaggerbetriebes nutzen.
Mit einer weiteren Messmethode lassen sich die Erdungswiderstände Re() [Ω] von einzelnen Elektroden bei definierten Geometrien nach unabhängigen geoelektrischen 4-Punkt-Messungen zur ρ_s-Bestimmung an den entsprechenden Erdungsbereichen vornehmen, z. B. für Stabelektroden nach: Re() = ρs/2πL·LN((r + L)/r) [Ω], undz. B. für Halbkugelelektroden nach: Re() = ρs/2πr [Ω], mit

ρ_s: – scheinbarer spezifischer Widerstand des Erdungsuntergrundes in [Ωm]
L: – Länge der Elektrode in [m]
r: – Radius der Elektrode in [m]

Mit einer weiteren Messmethode lassen sich für Untergrundvortriebe-begleitende geologische Erkundungen durch messtechnische Bestimmungen und/oder Berechnungen prozentuale Frequenzeffekte, sowie Phasenwinkel zwischen den Strom- und Spannungsverläufen und spektrale IP-Effekte als Materialkennwerte für die erfassten Messbereiche ermitteln.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels mit Bezug auf beiliegende Figuren näher erläutert. Es zeigt
1a–1c: Fokussierende Anordnungen für Untergrundvortriebe-begleitende geologische Vorauserkundungen ausgehend vom axialen Bohrvortrieb einer Tunnelbohrmaschine mit zwei ortsfesten Gegenelektroden nach Anspruch 1 und möglichen Betriebsmodi.
1d–1e: Fokussierende Anordnungen für Untergrundvortriebe-begleitende geologische Vorauserkundungen ausgehend vom axialen Bohrvortrieb einer Tunnelbohrmaschine mit zwei migrierenden Gegenelektroden nach Anspruch 2 und möglichen Betriebsmodi.
2a: Fokussierende Anordnung für Untergrundvortriebe-begleitende geologische Vorauserkundungen ausgehend vom axialen Bohrvortrieb einer Tiefbohrung mit drei migrierenden, radial ausgerichteten Gegenelektroden nach den Ansprüchen 2 und 5 und im Verhältnis zum Erkundungsquerschnitt großen Messelektroden A0(a–c) nach Anspruch 3.
2b: Fokussierende Anordnungen für Untergrundvortriebe-begleitende geologische Vorauserkundungen ausgehend vom axialen Bohrvortrieb einer Tiefbohrung mit drei migrierenden, radial ausgerichteten Gegenelektroden nach den Ansprüchen 2 und 5, einer zusätzlichen Schirmelektrode A2 nach Anspruch 4 und einer im Verhältnis zum Erkundungsquerschnitt großen Messelektrode A0 nach Anspruch 3.
3a: Parallel zu einer Abbaukante eines Zwischenschneiders oder einer Schaufel eines Schaufelradbaggers ausgerichtete schleifende 4-Punkt-Anordnung für geologische Vorauserkundungen, zur Aufösung von dünnen Materialstreifen einer söhlig aufgebauten Lagerstätte nach Anspruch 8.
3b: Parallel zu einer Abbaukante eines Zwischenschneiders oder einer Schaufel eines Schaufelradbaggers ausgerichtete schleifende 4-Punkt-Anordnung für geologische Vorauserkundungen, zur Aufösung von dünnen Materialstreifen einer söhlig aufgebauten Lagerstätte nach Anspruch 9.
3c: Fokussierende 2-Punkt-Anordnungen zur Untergrundvortriebe-begleitenden geologischen Materialerkennung eines Abbauvorfeldes ausgehend vom axialen Schwenkvortrieb eines Schaufelradbaggers mit einer lauffähigen unbeheizten Messelektrode A(1) und einer lauffähigen beheizten Elektrode A(2) montiert an einem Schaufrad, welches insgesamt als Gegenelektrode B dient, z. B. zum Nachweis von Wassergehalten nach Anspruch 10.
3d: Eine zwei Schaufeln und/oder Zwischenschneider eines Schaufelradbaggers übergreifende Dipol-Dipol-Anordnung, wobei jeweils eine Elektrodenreihe an einer Abbaukante eines Zwischenschneiders oder einer Schaufel ausgerichtet ist, und drei Spannungsabgriffe/Erkundungstiefen für mehrkanalige Messtechnik nach Anspruch 9 vorgesehen sind.
Zur Durchführung einer geoelektrischen Parameterermittlung für eine betriebsbegleitende Vorauserkundung der Geologie während eines Bohrvortriebes mittels einer Tunnelbohrmaschine nach Anspruch 1, wird ein PC-gesteuertes geoelektrisches Messsystem mit Grafikbildschirm für fokussierende und nicht-fokussierende Anordnungen im Steuerstand untergebracht und über isolierte elektrische Leitungen bekannter technischer Spezifikationen mit insgesamt mindestens vier Elektroden verbunden, wovon zwei ortsfeste Gegenelektroden B und C z. B. im Rückraum des Tunnels sind. Die geometrischen Stationsdaten des Vortriebes werden z. B. fortlaufend über einen CAN-Bus vom Leitsystem der TBM übernommen und den jeweiligen Messdaten zugeordnet. Im Schneidrad der TBM befindet sich z. B. eine eigens gegenüber dem Werkzeugträger isolierte Schneidrolle als A0 mit einer Kabelverbindung über Elektrorotor. Der gesamte Bohrkopf dient z. B. als A1. Zuerst werden einzelne Elektrodenzonen außer A0 gegeneinander hinsichtlich der jeweiligen Stromkreiswiderstände bemessen. Dazu werden mit dem ggf. eigensicheren geoelektrischen Messsystem Sendeströme 1 unter limitierten Spannungen erzeugt, die über je mindestens zwei angeschlossene Elektrodenzonen, z. B. A1 und B usw., sukzessive in den Untergrund eingeleitet werden, und den Zustand vortriebsbegleitend hinsichtlich potentieller Widerstandsänderungen überwachen. Während der Bohrphasen wird weiterhin der Isolationszustand zwischen A1 und A0 durch 3-Punktmessungen dargestellt, wobei der Stromeintrag bei bekannter Spannung z. B. über B und A1 erfolgt und entsprechend vergleichende Spannungsmessungen zwischen B und A1 und B und A0() vorgenommen werden, sodass der anfänglich unabhängig vom Untergrundkontakt festgestellte Isolationszustand durch eine Initialmessung am Untergrund die Eichwerte liefert, welche fortlaufend vergleichend zur Beurteilung der Beibehaltung dieses Isolationszustandes herangezogen werden, und bei dessen Konstanz zeitgleich zur vergleichenden Materialidentifikation gemäß Anspruch 6 dienen. Weiterhin erfolgt die Nutzung von A1 als Schirmstrom- und A0 als Messelektrode zur frequenzabhängigen Bestimmung indikativer Formationswiderstände für die Bereiche, welche von der A0-Elektrode ausgehen, aufgrund der Analyse aller jeweils beteiligten Messkreiswiderstände, insbesondere der Erdwiderstände an den beteiligten Gegenelektroden. Die gewonnenen Daten werden zusammen mit den Positionsdaten in Echtzeit visualisiert und zu Dokumentationszwecken digital archiviert.
Aufgrund der Entwicklung der Messdaten und deren Visualisierung auf dem Steuerstand können Widerstandsänderungen des Gebirges und damit Änderungen der Geologie im Vorfeld der TBM frühzeitig vor Erreichen derselben erkannt werden. Es können ggf. die sachdienlichen Maßnahmen, z. B. eine Verringerung der Vortriebsgeschwindigkeit, eingeleitet, und/oder z. B. verstärkte Ausbaumittel bevorratet werden etc., bevor z. B. eine als niederohmig anomal hervortretende Störzone angefahren wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19842975 B4 [0001]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Kopp, Th. (2006): BEAM – Bore-Tunnelling Electrical Ahead Monitoring for TBM and Drill & Blast Drivages, Proceedings of 2006 China International Symposium in High Speed Railway Tunnels [0002]

Claims

Verfahren zur Ermittlung von geoelektrischen Parameter mittels fokussierender und nicht-fokussierender Anordnungen für Untergrundvortriebe-begleitende geologische Vorauserkundungen ausgehend von axialen Zentral-, Quer- und Schwenkvortrieben und mit diesen in Zusammenhang stehenden Hohlräumen und Oberflächen, gekennzeichnet durch, – die Verwendung von im Verhältnis zum Erkundungsquerschnitt kleinen isolierten Messelektroden A0() innerhalb einer umgebenden Metallmatrix, z. B. als Vortriebselektroden in einer Bohrkrone oder im Schneidrad einer Tunnelbohrmaschine, oder als temporäre Ortsbrustelektroden z. B. am Ende einer bewehrten Tunnelröhre; – die Nutzung der bewehrten Tunnelröhre, des Bohrmaschinen- oder -gestängekörpers o. ä. in Verbindung mit Ausbaumitteln, als flächig und niederohmig mit dem Untergrund verbundene Elektrode A1; – die Einrichtung von mindestens zwei ortsfesten Gegenelektroden B und C, welche durch geeignete Maßnahmen niederohmig mit dem Untergrund entfernt von A1 verbunden werden; – die fortlaufende messtechnische Überwachung und Quantifizierung der relativen Erdungswiderstände von A1, B, C über sukzessive Widerstandsmessungen zwischen jeweils zwei Elektroden oder Elektrodengruppen; – die fortlaufende messtechnische Überprüfung der Isolationszustände zwischen zwischen A1- und A0()-Messelektroden mittels 3-Punkt-Messungen unter Nutzung z. B. von B oder C, A1 und der jeweiligen A0(), wobei der Stromeintrag bei bekannter Spannung z. B. über B und A1 erfolgt und entsprechend vergleichende Spannungsmessungen zwischen B und A1 und B und A0() vorgenommen werden, sodass ein anfänglich unabhängig vom Untergrundkontakt festgestellter Isolationszustand durch eine Initialmessung am Untergrund Eichwerte liefert, welche vergleichend zur Beurteilung der Beibehaltung dieses Isolationszustandes herangezogen werden; – die Nutzung von A1 als Schirm- und A0() als Messelektroden für frequenzabhängige Bestimmungen indikativer Formationswiderstände für die Bereiche der A0()-Elektroden oder -elektrodengruppen aufgrund der Analyse aller jeweils beteiligten Messkreiswiderstände, insbesondere derjenigen an den Gegenelektroden.
Verfahren zur Ermittlung von geoelektrischen Parameter wie in Anspruch 1 beschrieben, jedoch für migrierende Gegenelektroden, gekennzeichnet durch, – mindestens zwei den Vortrieb begleitende, migrierfähige Gegenelektroden oder -gruppen, welche gegeneinander isoliert und jeweils niederohmig, z. B. über Schleif- und/oder radähnliche Kontakte, an den Untergrund angekoppelt sind.
Verfahren zur Ermittlung von geoelektrischen Parameter wie in den Ansprüchen 1 und 2 beschrieben, jedoch für grolle Messelektroden und Reduktionsmöglichkeit bei der Anzahl der Gegenelektroden, gekennzeichnet durch, – den Einsatz einer oder mehrerer im Verhältnis zum Erkundungsquerschnitt großer Messelektroden oder entsprechender -gruppen A0(), sodass deren niederohmige Ankopplung an den Untergrund gegeben ist; – die Einrichtung mindestens einer Gegenelektrode B; – die fortlaufende messtechnische Überwachung und Quantifizierung der relativen Erdungswiderstände von A0(), A1 und B über sukzessive Widerstandsmessungen zwischen jeweils zwei der Elektroden oder Elektrodengruppen.
Verfahren zur Ermittlung von geoelektrischen Parameter wie in den Ansprüchen 1 bis 3 beschrieben, jedoch mit mehr als einer Schirmelektrode, gekennzeichnet durch, – den Einsatz einer oder mehrerer zusätzlicher Schirmelektroden A2, A3 usw. neben einer längenbegrenzten isolierten A1-Elektrode, sodass eine stufenweise Fokussierung der Messströme über A0() aufgrund entsprechender zusätzlicher Aufaddition in der Länge gradweise variiert werden kann, und/oder durch entsprechende segmenthafte Ausbildungen derselben gezielt Richtungsauslenkungen der Messströme über A0() bewirken werden können; – die fortlaufende messtechnische Überprüfung der Isolationszustände zwischen zwischen A2, A3 und A1 usw. mittels entsprechender 3-Punkt-Messungen wie in Anspruch 1 beschrieben.
Verfahren zur Ermittlung von geoelektrischen Parameter wie in den Ansprüchen 1 bis 4 beschrieben, jedoch mit gezielt radial positionierten Gegenelektroden, gekennzeichnet durch, – die Verwendung von einer oder mehreren gut geerdeten Gegenelektroden, welche in Bezug auf die Vortriebsachse radial bestimmt angeordnet sind, sodass geschirmte Messströme ausgehend von A0() bei Verwendung einzelner Gegenelektroden oder -gruppen aus der Vortriebsrichtung gezielt ausgelenkt werden und dafür richtungsabhängige Messwertbildungen erfolgen können, welche z. B. bei Verwendung mehrerer radial verteilter Gegenelektroden selektiv und schrittweise die azimuthale Abtastung des Formationswiderstandes im Vortriebsvorfeld erlauben.
Verfahren zur Ermittlung von geoelektrischen Parameter wie in den Ansprüchen 1 bis 5 beschrieben, jedoch mittels nichtfokussierter 3-Punkt-Widerstandsmessungen, gekennzeichnet durch, – die Nutzung der Möglichkeit der messtechnischen Überprüfung von Isolationszuständen gemäß Anspruch 1 zur Ermittlung von Materialkennwerten, indem im Falle intakter Isolationen zwischen Schirm- und Messelektrode frequenzabhängig jeweils ein materialspezifischer Spannungswert für A0() erhalten wird, der durch Vergleich mit bekannten geologischen Messsituationen eine entsprechende fortlaufende Materialzuordnung des kontaktierten Untergrundes erlaubt.
Verfahren zur Ermittlung von geoelektrischen Parameter mittels fokussierter Anordnung für Untergrundvortriebe-begleitende geologische Vorauserkundungen ausgehend von axialen Zentral-, Quer- und Schwenkvortrieben mit betriebskonstanten oder von der Drehzahl abhängigen periodischen Abbaukontakten, gekennzeichnet durch, – die Einrichtung und Nutzung von mindestens einer elektrisch isolierten Elektrode oder Elektrodenzone A() – z. B. in Form von isolierten Meißeln, Fräszähnen, Schleif-, Abroll- oder Laufkettenelektroden – für fokussierte 2-Punkt-Widerstandsmessungen zur Materialerkennung ausgehend z. B. vom Schneidrad einer Tunnelbohrmaschine oder dem rotierenden Schaufelrad eines Schaufelradbaggers oder der Walze eines Walzenladers oder einer Untergrundfräse oder einem Kohlehobel, welche ansonsten in Form einer umschließenden Metallmatrix den Untergrund flächig kontaktieren und als niederohmig mit dem Untergrund verbundene, allseits umschließende Gegenelektrode B dienen, wobei das zugehörige, über geschützte Kabelanschlüsse verbundene geoelektrische Messsystem sich selbst auf dem Rotor oder Hobelschlitten befindet, und drahtlos mit dem Stator für Befehls- und Datenaustausch verbunden ist; – die Triggerung der Messungen bei periodischen Abbaukontakten durch dieselben.
Verfahren zur Ermittlung von geoelektrischen Parameter mittels nicht-fokussierender 4-Punkt-Anordnungen für Untergrundvortriebe-begleitende geologische Vorauserkundungen ausgehend von axialen Schwenkvortrieben, gekennzeichnet durch, – Einrichtung und Nutzung von mindestens vier elektrisch isolierten Elektroden oder Elektrodenzonen A, B, M und N, mit deren Hilfe auslagen- und damit tiefenabhängige Messwerte gewonnen werden können; – dem bergmännischen Abtrag des Schaufelrades folgenden Werteermittlungen – spiralisch-lateral migrierend und ohne den Abbaubetrieb zu unterbrechen oder zu beeinträchtigen –, an jeweils neu entstehenden Oberflächensegmenten des Untergrundes in Verbindung mit exakten Positionsbestimmungen und aufgrund angepasster Geometriefaktoren bezüglich der parallelen Metallmatrix, sodass zwei- oder dreidimensionalen räumlichen Verteilungen von scheinbaren spezifischen Widerstandswerten und abgeleiteten Größen erhalten werden.
Verfahren zur Ermittlung von geoelektrischen Parameter nach Anspruch 8, jedoch mit mehrkanaligen Messwertaufnahmen, gekennzeichnet durch, – tomographische Momentaufnahmen des Untergrundes aufgrund zeitgleicher geoelektrischer Messungen mit Mehrkanalmesstechnik über A, B, M() und N(), und die Erstellung eines räumlichen Datenabbildes des gesamten aufgefahrenen Untergrundes durch Zusammensetzung der einzelnen tomographischen Messergebnisse.
Verfahren zur Ermittlung von geoelektrischen Parameter mittels fokussierter Anordnungen für Untergrundvortriebe-begleitende geologische Voraus- und Umfelderkundungen nach den Ansprüchen 1 bis 7, jedoch mit temperierbaren Messelektroden, gekennzeichnet durch, – eine oder mehrere temperierbare Messelektroden A0() oder A(), sodass z. B. im Kontakt mit wasserhaltigem Material an den Messelektroden Verdampfungen vorhandener Wasseranteile bewirkt werden können und die z. B. unter Beheizung gewonnenen Messwerte und -kurven dann im Vergleich mit solchen von unbeheizten Messelektroden das Vorhandensein von Wasser aufgrund eines entsprechenden Widerstandsanstieges und/oder zeitabhängigen Signalrauschens durch die bewirkte verschlechterte Ankopplung aufgrund von Dampfbildungen anzeigen; – die Messung der Heiz- oder Kühlleistung zur Konstanthaltung einer künstlichen Temperaturstufe während des Abbaukontaktes zur Abschätzung des Materialkennwertes der Wärmeleitfähigkeit des kontaktierten Materials; – die Erzeugung unterschiedlicher Temperaturstufen und Heiz-/Kühlleistungen, sodass graduelle Unterschiede bei den Wassergehalten und/oder z. B. die Erforschung des Vorkommens anderer Flüssigkeiten in Lockergesteinsmaterialien oder der Gesteinsmatrix aufgrund von frequenzabhängigen Widerstandsmesskurven ermöglicht wird.
Verfahren zur Ermittlung von geoelektrischen Parametern nach den Ansprüchen 1 bis 10, jedoch mittels ortskonstanter Wiederholungsmessungen, gekennzeichnet durch, – ein Wertemonitoring in der Zeit z. B. bei Vortriebsstillständen, welches in Echtzeit mögliche Zustandsänderungen im Bereich des kontaktierten Untergrundes anzuzeigen vermag.
Verfahren zur Ermittlung von geoelektrischen Parameter für Untergrundvortriebebegleitende geologische Erkundungen ausgehend von axialen Schwenkvortrieben zur Untergrunderschließung zur Ermittlung des Füllungsverhaltens von Schaufeln beim Graben zur Führung eines energiesparenden Schaufelradbaggerbetriebes, gekennzeichnet durch, – elektrisch isolierte Zonen auf den Schaufelinnenseiten mit für Füllstandsmessungen typischen oder erweiterten räumlichen Anordnungen hergestellt werden und ein elektrisches Messsystem, welches darüber hinaus über entsprechende Kabelverbindungen alle zur Verfügung stehenden Einzelelektroden im Schaufelinnenbereich in beliebiger Weise als Strom- oder Spannungselektroden nutzen kann; – die sensorischen Beobachtung der Schaufelfüllungsvorgänge über unterschiedliche Schaufelradpositionen im Zusammenhang mit den maschinellen Leistungsaufnahmen des Baggerbetriebes; – die Ermittlung spezifischer Leistungskennzahlen, welche zur werkzeugtechnischen Optimierung und zur energiesparenden Betriebsführung laufender und künftiger Abbauvorhaben genutzt werden können.
Verfahren zur Ermittlung von geoelektrischen Parameter mittels fokussierender und nicht-fokussierender Anordnungen für Untergrundvortriebe-begleitende geologische Vorauserkundungen ausgehend von axialen Zentralvortrieben wie in den Ansprüchen 1, 3, 4 und 5 beschrieben, jedoch gekennzeichnet durch, – die Ermittlung der Erdungswiderstände mittels entsprechender Geometriedaten der eingesetzten Metallelektroden im Zusammenhang mit 4-Punkt-Messungen zur ρ_s-Wertbestimmung der jeweiligen Erdungsstellen.
Verfahren zur Ermittlung von geoelektrischen Parameter wie in den Ansprüchen 1 bis 12 beschrieben, jedoch gekennzeichnet durch, – zusätzliche messtechnische Bestimmungen und/oder Berechnungen von prozentualen Frequenzeffekten, sowie Phasenwinkeln zwischen den Strom- und Spannungsverläufen und spektraler IP-Effekte als Materialkennwerte für die erfassten Messbereiche.
Messvorrichtung für Untergrundvortriebe-begleitende geologische Vorauserkundungen ausgehend von axialen Zentral-, Quer- und Schwenkvortrieben, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens zur Ermittlung von geoelektrischen Parameter mittels fokussierender und nicht-fokussierender Anordnungen nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch, – eine geeignete multifunktionale Geoelektrikapparatur mit Grafikbildschirm und Schnittstellen z. B. zu Vermessungsvorrichtungen.
Messvorrichtung für Untergrundvortriebe-begleitende geologische Vorauserkundungen nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch, – ein geeignetes mitrotierendes geoelektrisches Messsystem für 2-Punkt-Messungen mit Funkschnittstelle; – Funkschnittstellen zum Geräteführerstand, sodass Messdaten oder Steuersignale übertragen und z. B. als Geräteführerhilfen angezeigt werden, und/oder abgeleitete Erkundungsgrößen als Steuerungsbefehle direkt zur automatisierten Geräteführung eingesetzt werden können.
Messvorrichtung für Untergrundvortriebe-begleitende geologische Vorauserkundungen nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch, – ein geeignetes mitrotierendes geoelektrisches Messsystem für 4-Punkt-Messungen; – Funkschnittstellen zum Geräteführerstand, sodass Messdaten oder Steuersignale übertragen und z. B. als Geräteführerhilfen angezeigt werden, und/oder abgeleitete Erkundungsgrößen als Steuerungsbefehle direkt zur automatisierten Geräteführung eingesetzt werden können.
Messvorrichtung für Untergrundvortriebe-begleitende geologische Vorauserkundungen wie in Anspruch 17 beschrieben, jedoch für tomografische Momentaufnahmen nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch, – ein mehrkanaliges Messsystem, welches mehrere Spannungsabgriffe und ggf. Stromeinträge gleichzeitig bewältigen kann.
Messvorrichtung für Untergrundvortriebe-begleitende geologische Vorauserkundungen nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch, – temperierbare Elektroden z. B. über Widerstandsheizungen, Laser- oder Wärmeelementebestrahlungen oder mittels Wärmepumpen und Zirkulation von Kühl-/Wärmemitteln; – stufenlos regelbare Heiz-/Kühlleistungen mit integrierter Energieverbrauchsmessung.
Messvorrichtung für Untergrundvortriebe-begleitende geologische Erkundungen nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch, – ein geeignetes Messsystem für Füllstandsmessungen und zur Materialerkennung.