DE1623111A1 - Measurement of cavities, especially underground caverns - Google Patents

Description

Vermessung von Hohlräumen, insbesondere von unterirdischen Kavernen Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermessung von Hohlräumen, insbesondere von unterirdischen Kavernen, durch eine In den Hohlraum absenkbare Meßsonde, deren Meßkopf in Schritten oder kontinuierlich um Ihre Vertikalachse drehbar und in radlaler Richtung kippbar Ist. Die Sonde enthält eine oder mehrere Sendeeinrichtungen zur Aussendung von zur Vermessung geeigneten Strahlungen sowie eine oder meh-rere Empfangseinrichtungen zum Empfang der ausgesandten Strahlungen. Measurement of cavities, especially underground caverns The invention relates to a method and a device for measuring cavities, especially of underground caverns, through a lowerable into the cavity Measuring probe, the measuring head of which can be rotated in steps or continuously around its vertical axis and is tiltable in the radial direction. The probe contains one or more transmitting devices to emit radiation suitable for measurement as well as one or more Receiving devices for receiving the emitted radiation.

Bei der Gewinnung von Salz und anderen wasserlöslichen Mineralien nach dem Aussolungsverfahren wird Uber ein. doppelt verrohrtes Bohrloch oder über zwei Bohrlöcher ein Spüiungskrelslauf eingerichtet, der an den Bohrlochsohlen ständig wachsende Hohlräume entstehen läßt. Die Einlagerungen von schlechterlöslichen oder wasserunlöslIchen geologischen Schichten bewirken, daß die ausgesolten Hohlräume eine sehr unregelmäßlge Form annehmen. Oft bilden sich hinter der Verrohrung welt nach oben reichende Kamine, die sogar die Gefahr eines Einbruches der Erdoberfläche herbetführen können. Da auch eine zu große horizontale Ausdehnung eines Hohl raumes einen Etnbruch verursachen kann, sind bei der Aussolung bergbauliche Sicherheitsvorschriften zu beachten. Durch das genaue Ausmessen einer Kaverne, insbesondere einschließlich des Kavernen-Himmels, kdnnte eine Elnsturzgefahr frühzeitig erkannt werden. In the extraction of salt and other water-soluble minerals after the solicitation process, Uber becomes a. double cased borehole or above two boreholes a Flüiungskrelslauf set up, which is constantly at the bottom of the borehole allows growing cavities to arise. The inclusions of poorly soluble or water-insoluble geological layers cause the excavated cavities take on a very irregular shape. A world often forms behind the piping upward chimneys that even pose a risk of collapse of the earth's surface can bring about. There is also too great a horizontal expansion of a cavity can cause a breach, mining safety regulations apply to the brining out to be observed. By precisely measuring a cavern, especially including of the cavern sky, a risk of falling could be detected early.

Nachdem sich ergeben hat, daß In salzartigen Gesteinen ausgesollte Kavernen einen sehr wirtschaftlichen Speicher für gasförmig. oder flüssige Stoffe, z. B, leichte Kohlenwasserstoffe, darsteilen, ist die Kenntnis der genauen Raumform unterirdischer Hohlräume noch wichtiger geworden. After it turned out that In salt-like rocks should be Caverns a very economical storage for gaseous. or liquid substances, e.g. B, light hydrocarbons, is knowledge the exact spatial shape of underground cavities has become even more important.

Für die Berechnung der Speicherkapazität sowie zur Kontrolle von Verlusten muß der Rauminhalt bekannt sein. Es gibt Verfahren, bei denen die Hohlräume mittels Ultraschallimpulsen echometrisch vermessen werden. Die hierzu in den Hohiraum abgesenkten Meßsonden besitzen vorzugsweise Schal Iwandler zum Senden und Empfangen mit horizontaler Richtcharakteristik. Zur Aufnahme eines Rundsicht-Echogramms wird der Hohlraum in bestimmten Winkelschritten abgetastet. Die verwendeten Sondenmeßköpfe haben eine größere Anzahl gleichmäßig auf dem Umfang verteilte Schallwandler, die nacheinander durch einen fernbetätigten Umschalter zum Einsatz gebracht werden; die weitere Entwicklung führte zu einem um die Vertikalachse der Sonde drehbaren Sondenmeßkopf mit nur einer Sonde und Empfangseinrichtung. For the calculation of the storage capacity as well as for the control of The volume of the volume must be known to losses. There are procedures in which the cavities can be measured echometrically by means of ultrasonic pulses. For this in the hollow space Lowered measuring probes preferably have sound converters for sending and receiving with horizontal directional characteristic. To record a panoramic echogram the cavity is scanned in certain angular steps. The probe heads used have a larger number of transducers evenly distributed around the circumference, the sequentially operated by a remote switch; the further development led to a rotatable around the vertical axis of the probe Probe measuring head with only one probe and receiving device.

Bei diesen bekannten Sondenausführungen liefert die horizontale Echomessung gute Ergebnisse, wenn die reflektierende Fläche nicht zu stark von der Senkrechten abwelcht. Ist die Fläche dagegen stark genelgt oder 1 legt sle sogar parallel zur Horizontalen, wle es beispielsweise bei der Decke oder dem Boden einer Salzkaverne der Fall seln kann, so entstehen entweder Echos mit unterschiedi Icher Größe, Form und Laufzelt oder lange zusammenhängende Schwlngungsiüge. Die Auswertung solcher Echos ist sehr schwierig, und oft kann dadurch über die Begrenzung solcher Hohlräume keine sichere Angabe gemacht werden. Eine weitere Schwierigkeit beim horizontalen Messen tritt auf, wenn von der Decke herabhängende oder auf dem Boden liegende größere Gesteinsteile den Schalldurchgang zu der im Schatischatten 1 legenden Hohlraumwand verhindern. With these known probe designs, the horizontal echo measurement delivers good results if the reflective surface is not too far from the vertical deviates. If, on the other hand, the surface is very inadequate or 1 even lays it parallel to the Horizontal ones, such as the ceiling or floor of a salt cavern If this can happen, either echoes of different sizes and shapes arise and running tent or long contiguous swings. The evaluation of such Echoes is very difficult, and this can often result in the limitation of such cavities no reliable information can be given. Another difficulty with the horizontal Measuring occurs when larger ones are hanging from the ceiling or lying on the floor Rock parts allow the sound passage to the cavity wall in the shadow shadow 1 impede.

Um die genannten Nachteile zu vermeiden, ist etne Sonde mit drehbarem Meßkopf eingesetzt worden, der außer einem Horizontalstrahler zwel zusätzliche Strahler enthält, die Jeweils unter 450 auf- bzw. abwärts gerichtet sind. Mlt dleser Anordnung ist es ebenfalls nur teilweise möglich, die Mängel der horizontalen Messung im Bereich von Decke und Boden des Hohl raumes auszugleichen. Insbesondere für etne Kontrolle, ob und wieweit hinter der zu der Kaverne führenden Verrohrung eine z. B. kaminartige Fortsetzung des Hohl raumes besteht, Ist diese Sondenkonstruktion nicht geeignet. In order to avoid the disadvantages mentioned, etne probe is equipped with a rotatable Measuring head has been used, the two additional radiators in addition to a horizontal radiator which are directed upwards and downwards respectively under 450. Mlt the reader arrangement it is also only partially possible to remedy the shortcomings of the horizontal Measurement equalize in the area of the ceiling and floor of the cavity. Especially for etne Check whether and to what extent behind the piping leading to the cavern a z. B. there is a chimney-like continuation of the hollow space, is this probe construction not suitable.

Die vorliegende Erfindung gibt nun ein Verfahren und eine Vorrichtung zur weitgehend exakten Bestimmung der Hohlraumgrenzen unter Ausschluß der angeführten Nachteile an. Der Meßkopf ist erfindungsgemäß so ausgeführt, daß der Winkel der Strahl richtung der eingebauten Sende- und Empfangseinrichtung von der Horizontalen ausgehend, kontinuierlich oder in Schritten auf- oder abwärts verändert werden kann. Er besteht vorzugsweise aus einem horizontäl- und eInemvertikalgerIchteten Schallwandler und führt außer einer Drehbewegung um die vertikale Sondenachse mittels einer zusatzl icben Antriebseinrichtung eine Kippbewegung bis zu 900 gegen die Sondenachse durch. Mlt dem Vertikalstrahler wird dabei der Winkelbereich von der Vertikalen bis zur Horizontalen und mit dem Horizontaistrahler der Winkelbereich oberhalb der Horizontalen erfaßt. Durch ein impulsgesteuertes Schrittschaltwerk im Steuerteil der Sonde kann wahlweise die Dreh- oder Kippbewegung des Meßkopfes bewirkt werden. The present invention now provides a method and an apparatus for the largely exact determination of the cavity boundaries, excluding those listed Disadvantages. The measuring head is designed according to the invention so that the angle of Beam direction of the built-in transmitter and receiver from the horizontal starting, continuously or in steps up or down can be changed. It preferably consists of a horizontally and vertically directed sound transducer and performs a rotary movement around the vertical probe axis by means of an additional The drive device performs a tilting movement of up to 900 against the probe axis. With the vertical radiator, the angular range is from the vertical to the Horizontal and with the horizontal emitter the angular range above the horizontal recorded. A pulse-controlled step switch in the control part of the probe can optionally the rotating or tilting movement of the measuring head can be effected.

Durch die Verbindung von Drehbewegung und Kippbewegung des Meßkopfes ergeben sich zwei Durchführungsarten des erfindungsgemäßen Meßverfahrens. Nach Absenken der Meßsonde in dem zu vermessenden Hohlraum wird der Meßkopf in eine bestimmte azlmutale Winkelstellung gedreht, beispielsweise in Nordrichtung, und anschließend schrittweise von der Vertikalen bis zu der Horizontaten gekippt. Das mittels Ultraschallimpulsen registrierte Echogramm entspricht einer Hälfte eines Vertlkalschnittes durch den Hohlraum. Danach wird der Meßkopf In horizontaler Stellung in die folgende azimutale Winkelstellung geschwenkt und dann bis zur Vertikalen zurückgekippt. Bel Anwendung dleser Verfahrensart erhält man eine der Zahl der azimutalen Wlnkelstellung entsprechende Anzahl von Vertikaf--Echogrammen, die als Grundlage zur Herstellung von Vertikaischnitten durch de Hohlraum dlenen. By combining the rotary movement and the tilting movement of the measuring head there are two types of implementation of the measuring method according to the invention. After lowering the measuring probe in the cavity to be measured is the measuring head in a certain azlmutale angular position rotated, for example in north direction, and then gradually tilted from the vertical to the horizon. That by means of ultrasonic pulses registered echogram corresponds to half of a vertical section through the Cavity. Then the measuring head is in the horizontal position in the following azimuthal Pivoted angular position and then tilted back to the vertical. Bel application With this type of procedure, one obtains a number corresponding to the azimuthal angular position Number of Vertikaf echograms, which are used as the basis for the production of Vertikaisch sections through the cavity.

Bei einer anderen Durchführung des Verfahrens wird der Meßkopf in eine bestimmte Winkelstellung zwischen der Vertikalen und der Horizontalen gekippt und anschließend schrittweise um 3600 um dle vertIkale Sondenachse gedreht. Aus den mittels Ultraschall Impulsen registrierten Echogrammen werden die einzelnen Entfernungswerte der glelchen Drehwinkelstellung entnommen und in den dazugehörigen Vertikalschnitt übertragen. In another implementation of the method, the measuring head is in tilted a certain angular position between the vertical and the horizontal and then rotated step by step by 3600 around the vertical probe axis. the end the echograms registered by means of ultrasonic impulses are the individual Distance values taken from the same angle of rotation position and in the associated Transfer vertical section.

Bei einer Meßkopfdrehung in 24 Winkelschritten können also bis zu 12 Vertikalschnitte dargestellt werden.When the measuring head is rotated in 24 angular steps, up to 12 vertical sections are shown.

Etne weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Meßkopfes stellt der Einbau eines optischen Senders und einer fotografischen Kamera anstatt der akustischen Wandler dar. Wird bei Jeder möglochen Dreh- und Kippwinkelstellung des Meßkopfes eine fotografische Aufnahme gemacht, so ergibt sich eine lückenlose Abbildung der Hohlraumbegrenzung. Another embodiment of the measuring head according to the invention provides the installation of an optical transmitter and a photographic camera instead of the acoustic one Converter. Is used for every possible rotation and tilt angle position of the measuring head If a photographic recording is made, the result is a complete picture of the Cavity limitation.

Elne andere Ausführung kann vorteilhaft zum Nachweis einer kaminartigen Hohlraumfortsetzung hinter einer Verrohrung oberhalb des Rohrschuhes verwendet werden. In dem erflndungsgemäßen kippbaren Me#kopf ist statt einer akustischen oder optischen SendeeInrIchtung eine radioaktive Strahlenquelle in Form kleiner radioaktiver Schwimmkörper vorgesehen. Ist der Meßkopf der In den Hohlraum abgesenkten Meßsonde aus der Verrohrung ausgetreten, so wird er In die horizontale Lage gekippt. Durch eine geeignete fernbetätig-te Einrichtung wird nun eine kleine Anzahl der radioaktiven Schwimmkörper freigegeben, dle In der Im Hohlraum befindllchen Flüssigkeit aufsteigen und sich am höchsten Punkt der Hohlbegrenzung an der äußeren Verrohrung festsetzen. Durch zusätzliches gleichzeitiges Drehen des Meßkopfes können die Schwlmmkörper allseitig im Ringraum um die Verrohrung herum verteilt werden. Durch einen in der Meßsonde befindlichen Detektor kann anschließend beim Auffahren der Meßsonde mit zurückgekipptem Meßkopf die Teufenlage der radloaktiven Schwimmkörper festgesie lot werden. Another embodiment may be advantageous for detecting a chimney-like condition Cavity continuation can be used behind a casing above the pipe shoe. In the tiltable measuring head according to the invention, instead of an acoustic or optical SendeeeinrIchtung a radioactive radiation source in the form of small radioactive floating bodies intended. Is the measuring head of the measuring probe lowered into the cavity out of the piping stepped out, it is tilted into the horizontal position. By means of a suitable remote-controlled Facility will now release a small number of the radioactive floats, The liquid in the cavity rises and is highest Fix the point of the hollow limitation on the outer piping. By additional rotating the measuring head at the same time, the flood bodies can be on all sides in the annulus distributed around the piping. By one located in the measuring probe The detector can then be opened when the measuring probe is opened with the measuring head tilted back the depth of the radloactive floats must be fixed.

Mehrere Ausführungsbeispiele nach der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Fig. I eine vollständige Meßsonde während eines Meßvorganges, Fig. 2 einen ausgekippten Sondenmeßkopf mit zwei Schallwandlern, Fig. 3 einen ausgekippten Meßkopf mit einer optischen Sende-und Empfangseinrichtung und Fig. 4 eine Meßsonde mit einem ausgekippten an eine radioaktive Sendeelnrtchtung enthaltenden Meßkopf. Several embodiments according to the invention are shown in the drawing and are described in more detail below. It shows Fig. I a complete Measuring probe during a measuring process, FIG. 2 with a tilted probe measuring head two sound transducers, FIG. 3 a tilted measuring head with an optical transmitter and Receiving device and FIG. 4 shows a measuring probe with a tipped to a radioactive one Transmitting device containing measuring head.

In Fig. 1 ist eine Meßsonde 1 durch eine Verrohrung 2 in elnen mit Flüssigkeit gefüllten Hohlraum 3, der durch Auslaugung des Salzgesteins 5 entstanden ist, abgesenkt dargestellt. Die Sonde 1 besteht aus dem Kabelkopf 6, einem' elektronischen Teil 7, und einer Kippeinrichtung 10, die schrittweise oder kontinuierlich bewegt werden kann. In dem Meßkopf 8 befinden sich ein in axialer Rlchtung abstrahlender und empfangender Schal Iwandler 11 und ein In radialer Rlchtung strahlender und empfangender Schallwandler 12. In Fig. 1, a measuring probe 1 is through a piping 2 in elnen with Liquid-filled cavity 3, which was created by leaching the salt rock 5 is shown lowered. The probe 1 consists of the cable head 6, an 'electronic one Part 7, and a tilting device 10, which moves stepwise or continuously can be. In the measuring head 8 there is a radiating in the axial direction and receiving sound converter 11 and one radiating in the radial direction and receiving transducer 12.

Die ausgesandten Ultraschallimpulse 13 werden an dem den Hohlraum begrenzenden Salzgestein 5 reflektiert und von den entsprechenden Schallwandlern wieder empfangen. Durch schrittweises Kippen des Meßkopfes 8 in Fig. 2 taste der Schallwandler 11 die Hohlraumbegrenzung im Wlnkelbereich von der Vertikalen bis zu der Horizontalen, der Schal Iwandler 12 die Hohlraumbegrenzung Im Winklbereich oberhalb der Horizontalen ab.The emitted ultrasonic pulses 13 are applied to the cavity delimiting salt rock 5 and reflected by the corresponding sound transducers received again. By gradually tilting the measuring head 8 in Fig. 2 button the Sound transducer 11 delimits the cavity in the angle area from the vertical to to the horizontal, the sound converter 12, the cavity delimitation in the angular area above the horizontal.

Fig. 3 zeigt einen Meßkopf mit einer optischen Sende- und Empfangseinrichtung. In dem Meßkopf 8 befinden sich eine Blitzlampe 14 und eine fotograflsche Kamera 15, Mit dieser Einrichtung kann vorzugsweise die Wand und der Deckenbereich der Hohlraumbegrenzung abgebildet werden. Fig. 3 shows a measuring head with an optical transmitting and receiving device. In the measuring head 8 there is a flash lamp 14 and a photographic camera 15, with this facility can preferably be the wall and the ceiling area the cavity delimitation can be mapped.

In Fig. 4 wird der erfindungsgemäße Meßkopf 8 zum Aussenden radioaktiver Schwimmkörper zum Nachweis einer Hohlraumfortsetzung 16 hinter einer Verrohrung 2 oberhalb des Rohrschuhes 17 elngesetzt. Bei dlesem Meßvorgang wird die Sonde 1 durch die innere Rohrtour 1 in den Hohlraum abgesenkt. Befindet sich der Meßkopf 8 unterhalb des Rohrschuhes 17, so wird der Meßkopf 8 In die horizontale Lage gekippt. Durch eine fernbetätigte Sperre 18 werden klelne Schwimmkörper 19, die ein geeignetes radioaktives Materlal enthalten, freigegeben. Gleichzeitig wird die Sonde um ihre Vertikalachse gedreht, und die aufsteigenden Schwimmkörper sammeln sich In der ringförmigen Hohlraumfortsetzung 21 hinter der Verrohrung. Der Meßkopf 8 wird nun wieder in die vertikale Lage zurückgekippt und anschließend die Sonde aufgefahren. Mit einem In der Sonde eingebauten Detektor 22, beispielsweise einem Szlnti 1 lometer, kann nun die Teufenlage der radioaktiven Schwimmkörper bestimmt werden. In FIG. 4, the measuring head 8 according to the invention becomes more radioactive for emitting Floating body for the detection of a cavity continuation 16 behind a casing 2 above the tubular shoe 17 inserted. During this measuring process, the probe 1 lowered through the inner pipe tour 1 into the cavity. Is the measuring head 8 below the tubular shoe 17, the measuring head 8 is tilted into the horizontal position. By means of a remotely operated lock 18, small floating bodies 19, which are suitable contain radioactive material, released. At the same time the probe is around her Rotated vertical axis, and the rising floats collect in the ring-shaped Cavity continuation 21 behind the casing. The measuring head 8 is now back in the tilted back in the vertical position and then opened the probe. With an In Detector 22 built into the probe, for example a Szlnti 1 lometer, can now the depth of the radioactive floating bodies can be determined.

Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung zeichnen sich somit durch eine sehr vielseitige Anwendungsmögl ichkeit aus. The method and the device according to the invention are distinguished thus characterized by a very diverse range of possible applications.

Bereits durch eine Sondlerung kann weitgehendst die Form der liohiraumbegrenzung, Insbesondere im Berelch des Bodens und der Decke, ermittelt werden. Auch oft Schwierigkeiten hervorrufende Hohlraumfortsetzungen hinter einer in den tlohiraum führenden Verrohrung können mit hoher Genauigkeit festgestellt werden.Already by exploring the form of the liohi space delimitation, In particular in the area of the floor and the ceiling. Also often difficulties Causing cavity continuations behind a piping leading into the tlohi space can be determined with high accuracy.

Claims (4)

PATENTANSPRUCHE 1.) Verfahren und Vorrichtung zur Vermessung von Hohlräumen, insbesondere unterfrdischer Kavernen, durch eine in den Hohlraum absenkbare Meßsonde, deren Meßkopf In Schritten oder kontinuierlich um ihre Vertikalachse drehbar ist und mit einer oder mehreren Sendeelnrlchtungen zur Aussendung von zur Vermessung geeigneten Strahlungen sowie einer oder mehreren Empfangseinrichtungeh zum Empfang der ausgesandten Strahlungen versehen ist, dadurch gekennzetchnet, daß der die Empfangs-und/oder Sendeeinrichtungen enthaltende Teil des drenbaren Me#-kopfes während des Me#organges kontinuierlich oder in Schritten eine Kippbewegung In radialer Richtung bis zur Erreichung der horizontalen Lage durchführt. PATENT CLAIMS 1.) Method and device for measuring Cavities, in particular underground caverns, by a lowerable into the cavity Measuring probe, the measuring head of which can be rotated in steps or continuously around its vertical axis is and with one or more sending devices for sending out for measurement suitable radiation and one or more receiving devices for reception the emitted radiation is provided, characterized in that the receiving and / or Part of the drivable measuring head containing the transmitting devices during the measuring process continuously or in steps a tilting movement in the radial direction up to Achievement of the horizontal position. 2.) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß In dem klppbaren Tell des Meßkopfes als Sende- und Empfangseinrichtung ein oder-mehrere akustische Schal Iwandler eingebaut sind. 2.) Device according to claim 1, characterized in that In the hinged part of the measuring head as a transmitting and receiving device one or more acoustic sound converters are built in. 3.) Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß In dem kippbaren Tell des Meßkopfes ein akustischer Schallwandler mit axial orlentlerter Rlchtcharakteristik und ein akustischer Schallwandler mit radlal orientierter Rlchtcharakteristik eingebaut sind. 3.) Device according to claims 1 and 2, characterized in that that in the tiltable part of the measuring head an acoustic transducer with axial Orlentlerter directional characteristic and an acoustic transducer with radially oriented Right characteristics are built in. 4.) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem l<ippbaren Teil des Meßkopfes ein optischer Sender und als Empfänger eine fotografische Kamera eingebaut sinde 5.) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem kippbaren Me#kopfteil als Sendeeinrlchtung ausstoßbare radioaktive Schwimmkörper angeordnet sind und als Empfangseinrichtung ein Strahlungsmeßgerät In der Sonde eingebaut ist. 4.) Device according to claim 1, characterized in that in the The flippable part of the measuring head is an optical transmitter and a photographic one as a receiver Built-in camera 5.) Device according to claim 1, characterized characterized that in the tiltable measuring head part ejectable as a Sendeeinrlchtung radioactive floating bodies are arranged and a radiation measuring device as a receiving device Is built into the probe.