GLÖTZL Baumeßtechnik

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1 Stand: / RA / P R03.doc GLÖTZL Baumeßtechnik AWID-SPANNUNGSMESSER Typ: Awid Art.-Nr.: Ein absolut messendes Druckkissen nach dem Kompensationsverfahren. Entwickelt im Hause der Gesellschaft für Strahlen- und Umweltforschung mbh Institut für Tieflagerung, Braunschweig. Neues System nach der Methode absolutmessender Widerstandssprung - Druckkissen, abgekürzt AWID genannt. Mit ihm können Spannungsmessungen durchgeführt werden, ohne daß Materialparameter des Kissens oder auch Temperaturänderungen in die Messungen eingehen. Kalibriermessungen sind deshalb nicht erforderlich. Abb.: AWID-Druckkissen Ø50 mm Funktion: P a P I I V = äußerer Druck = innerer Druck = Konstantstromversorgung = Spannung (Volt) Entsprechend dem Anwendungsfall wird der Innendruck hydraulisch oder pneumatisch erzeugt. Die Stromversorgung erfolgt mittels Konstantstrom I. Überschreitet der Innendruck P I geringfügig den äußeren Druck P a ändert sich sprunghaft der Spannungsabfall V. Lieferprogramm - AWID-Druckkissen verschiedener Ausführungen bis max. 600 bar - AWID-Druckkissen als Spannungsmonitorstationen bis max. 600 bar - Manuelle Messanlagen / Umschalteinheiten - Automatische Messanlagen mit Datenaufzeichnung Abb.: Spannungsmonitorstation mit 6 Druckkissen zur Ermittlung des Spannungstensors.

2 Stand: / RA / P R03.doc Allgemeines Seite 2 Die Kenntnis des Spannungszustandes des Gebirges ist für die Beurteilung der Standfestigkeit von untertägigen Hohlräumen von wesentlicher Bedeutung. Besonders kompliziert sind die in situ-gegebenheiten, wenn das Stoffgesetz des Gesteinsverbandes deutlich vom elastischen Verhalten abweicht, wie dies zum Beispiel bei Steinsalz der Fall ist. Hier geht die Spannung größenordnungsmäßig in der 5.Potenz in die Rechnung ein. Generell haben in situ-spannungen Tensoreigenschaften. Der primär im unverritzten Gebirge herrschende Spannungszustand kann sich somit aus den reinen Gewichtskomponenten und daraus resultierenden und aus Querdehnungen herrührenden Spannungen zusammensetzen. Durch die Erosion überlagernder Schichten oder durch tektonische Vorgänge kann ein solches gravitatives Spannungsfeld verändert oder überprägt sein. Mit der Herstellung eines untertägigen Hohlraumes wird der primäre Spannungszustand verändert. Durch die dem Bergbau typischen abbaudynamischen Vorgänge können zeitlich veränderliche Spannungsänderungen auftreten. Diese können z.b. auch durch Wärmeeintrag in das Gebirge induziert werden. Zur messtechnischen Erfassung derartiger Spannungen oder Spannungsänderungen, sind bereits eine Vielzahl von Messmethoden erprobt werden. Voraussetzung für eine exakte Messung ist die sachgerechte Instrumentierung, da es neben dem reinen Formschluß auch ganz wesentlich auf den Kraftschluß ankommt. Der Arbeitskreis Bergmännische Gebirgsmechanik der Deutsche Forschungsgemeinschaft hat 1975 im Kapitel Spannungsmessverfahren in straffer Form einige wesentliche Messverfahren, welche im Rahmen der Forschungsvorhaben des Arbeitskreises entwickelt wurden, vorgestellt. Hier sei besonders auf das praktisch verformungsfrei messende Element von NATAU zur Bestimmung von Spannungen in visko-elastisch-plastischem Gebirge verwiesen. Eine Reihe weiterer Messmethoden sind von verschiedensten Institutionen, so z.b. von der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) vorgestellt worden. Die Auswertung zahlreicher Randbedingungen von Spannungsmessverfahren im Hause der Gesellschaft für Strahlen- und Umweltforschung mbh - Institut für Tieflagerung, Braunschweig - hat zur Entwicklung einer, die bisher üblichen Verfahren weiterführenden bzw. ergänzenden Methode nach dem System Absolutmessender Widerstandssprung-Druckkissen (AWID) geführt. Technische Beschreibung des AWID-Druckkissens Der Geber vom Typ AWID ist ein absolut messendes Druckkissen nach dem Kompensationsverfahren. Mit ihm können Spannungsmessungen durchgeführt werden, ohne dass Materialparameter des Kissens oder auch Temperaturänderungen in die Messungen eingehen. Eichmessungen sind deshalb nicht erforderlich. Mit dem Druckkissen wird die auf die Kissenoberfläche wirkende Normalkomponente des Spannungsvektors S n S n = (σ x n) x n σ = Spannungstensor n = Flächennormalvektor bestimmt (im hydrostatischen Zustand entspricht dies dem Druck). Ziel einer Messung ist es nun, diesen von außen wirkenden Druck zu bestimmen, wobei mit 6 linear unabhängig angeordneten Kissen der Spannungstensor ermittelt werden kann. Abb.: AWID-Druckkissen Abb.: Sonde mit 8 AWID-Druckkissen bestückt

3 Stand: / RA / P R03.doc Seite 3 Abb.1 Darstellung des AWID-Druckkissens in seiner Funktion beim Kompensationsvorgang

4 Stand: / RA / P R03.doc Folgendes Messprinzip ist für AWID-Messungen charakteristisch: Seite 4 a) Zu Beginn der Messung (Abb.1) ist das in das Gebirge eingebaute Druckkissen durch den außen anliegenden Druck zusammengedrückt. Durch die Kontakte 1a und 1b wird ein Gleichstrom geschickt. Dieser erzeugt zwischen den Kontakten 1a und 1b einen Spannungsabfall, der über den Spannungsabgriff 2a und 2b gemessen wird. Der zwischen 2a und 2b vorhandene elektrische Widerstand wird im wesentlichen durch die Chromnickelbleche A und B bestimmt. Der Widerstand der Lötstelle ist zu vernachlässigen. Der Strom fließt, wie dargestellt, entsprechend dem kürzesten Weg von 1a und 1b und nicht über die Lötstelle L, an denen die beiden Bleche A und b am Rand miteinander verlötet sind. b) Der Innendruck im Druckkissen kann sowohl mittels Öl als auch Gas erzeugt werden. Anfangs wird der Öl- bzw. Gasdruck im Druckrohr R erhöht. Solange dieser Druck kleiner als der außen anliegende Druck ist, bleibt der Übergangswiderstand im Idealfall konstant. Bei einem Überschreiten des außen anliegenden Druckes wird sich dann der Übergangswiderstand sprunghaft erhöhen, da dann der Strom einen großen Weg im relativ schlecht leitfähigen Chromnickelstahl über die Lötstelle zurückzulegen hat. Der gemessene Druck Pi zum Zeitpunkt des Sprunges im Widerstand entspricht dem am Druckkissen anliegende Druck Pa (Abb.2). Da nur der Widerstandssprung ausgewertet wird und die Materialparameter sowohl des Druckkissens als auch des umgebenden Materials nur einen Einfluß auf die Höhe des Sprunges haben, ist eine auswertbare Messung als Absolutmessung zu betrachten. Abb.: 2 Messung mit dem AWID in einer Manteldruckanlage bei langsamer Pumpgeschwindigkeit und unterdrücktem Spannungsnullpunkt zu Beginn der Messung Pa = eingestellter Druck im Autoklaven Pi = mit dem Kissen bestimmter Druck Messung an einem definiert belasteten Gebirgspfeiler An einem mit einem Hydraulikkissen definiert belasteten Gebirgspfeiler im jüngern Steinsalz auf der Schachtanlage Asse (Abb. 3) wurden 3 AWID-Geber (Abb 4) eingebaut. Abb. 5 gibt die in Abhängigkeit von der Belastung ermittelten Messwerte an den AWID-Gebern wieder. Bereits kurze Zeit nach dem Einbau der AWID-Kissens konnten die im Pfeiler herrschende Last gut gemessen werden. Abb.: 3 Gebirgspfeiler Abb.: 4 AWID-Druckkissen

5 Stand: / RA / P R02.doc Seite 5 Bestimmung thermomechanischer Spannungen beim Wärmeeintrag in das Gebirge. Bei der Endlagerung hochradioaktiver Abfälle in Salzgestein wird Wärme in das Gebirge eingetragen. Dadurch ändern sich nicht nur die mechanischen Eigenschaften des Gesteinsverbandes, sondern auch die in diesem herrschenden Spannungen. Im Zuge eines speziellen Temperaturversuches wurde erstmals der auf ein Stahlrohr auflaufende Gebirgsdruck mittels AWID-Gebern ermittelt. Abb. 6 zeigt deutlich die Spannungserhöhung infolge des Temperatureintrages während der Heizperiode. Abb.: 6 Druckmessung an einem Stahlrohr mit einem AWID-Druckkissen bei Aufheizung des Salzgebirges

6 Stand: / RA / P R02.doc Seite 6 In einem auf der Schachtanlage Asse von der 750 m-sohle aus gebohrten 650 m tiefen Bohrloch wurde eine AWID-Messsonde mit 6 Gebern richtungsorientiert installiert, um den primären Spannungszustand des Gebirges und den Spannungstensor zu ermitteln. Abb. 7 zeigt die Messergebnisse vom Beginn der Messungen bis zum 360. Tag nach dem Einbau der Geber. Als Druck erzeugendes Medium wurde ein Gas verwendet. Abb.: AWID-Messsonde vergossen Abb.: AWID-Messsonde unvergossen Weitere Anwendungsmöglichkeiten Sowohl im Steinkohlebergbau als auch gelegentlich im Salzbergbau ist beim untertägigen Abbau der Bodenschätze mit erheblichen Gebirgsschlägen zu rechnen. Durch eine Früherkennung von sich aufbauenden Gebirgsspannungen können vorbeugende Massnahmen ergriffen werden, die den Eintritt von Gebirgsschlägen verhindern oder deren schädliche Auswirkung mindern. Wegen der geringen Abmessungen der AWID-Druckkissen ist ein problemloser Einbau auch von bereits vorgefertigten Sondenelementen in dem Abbau vorgeführter Bohrungen möglich. Aufgrund ihrer Unabhängigkeit von äußeren Einflüssen wie Temperatur und Materialeigenschaften sind Gebirgsdrücke mit AWID- Druckkissen sofort und direkt messbar.

7 Stand: / RA / P R02.doc Spannungsmesssonde zum Einbau in Bohrlöcher bestehend aus: 1 Druckkissen System GSF AWID, Ø 60 mm, belastbar 0 bis 400 bar 1 Druckkissen System Glötzl, 100/200 mm, Belastungsbereiche 20/50/200/400 bar mit perforierter Ringinjektionsleitung und Gestängeanschluss Seite 7 Sondenaufbau Anschlüsse Injektionsleitung elektr. Anschluss AWID Gestängeanschluss 20/20 mm Rückleitung Ventilgeber Druckleitung Ventilgeber Druckleitung AWID Aufnehmer Nr.:... Vorspannwert Ventilgeber bar:... Anschlüsse AWID: Kabel Nr: Farbe: Signal: 1 rot I+ 2 weiß I- 3 gelb A+ 4 blau A-

8 Stand: / RA / P R02.doc Seite 8 Anschlusskabel: 7 x 0,75 mm Aufbau: Abschirmung aus verzinktem Stahlgeflecht, darunter Silikonmantel. Feindrähtige Litze mit Nr.-Code Temperaturbereich: - 60 C bis C Kurzzeitig: +220 C Mindestbiegeradius: 20 x Kabeldurchmesser Nennspannung: 500 V Gestängeanschluss 4-kt 20x20 mm Verschraubung 2xG4LL VA-Rohr Verguss mit Isoliermasse Anschlussgehäuse AWID Kissen Nr. 1 AWID Kissen Nr. 2 5 Gestängeanschluss 4-kt 20x20 mm 90 Nr. 1 Nr. 2 Kissenanordnung Anschlüsse VA - Leitung Kissen 1 elektrisch Kissen 2 elektrisch Kissen 1 Kissen 2 I+ I- A+ A- I+ I- A+ A- GLÖTZL Gesellschaft für Baumeßtechnik mbh Forlenweg Rheinstetten Germany +49 (0) (0) info@gloetzl.com Glötzl Gesellschaft für Baumeßtechnik mbh