Entwicklung eines Messsystems zur hochauflösenden zerstörungsfreien Erkundung von Gesteinsnahbereichen mittels Sonar. Förderkennzeichen: 02C1184

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1 Entwicklung eines Messsystems zur hochauflösenden zerstörungsfreien Erkundung von Gesteinsnahbereichen mittels Sonar Förderkennzeichen: 02C1184 Fraunhofer-Institut für zerstörungsfreie Prüfverfahren

2 Ziel ist die zerstörungsfreie, integrale Charakterisierung der Auflockerungszone, d.h. dreidimensional, ohne Bohrungen N

3 Verfahren zur zerstörungsfreien und integralen Charakterisierung der Auflockerungszone Akustische Emission 02C0537 Okt bis Jan. 2003, IZFP Dresden Zeitliche und räumliche Entwicklung Mikroseismik 50 khz Geosonar 02C1184 Aug bis Mai. 2008, IZFP Dresden Momentaner Auflockerungszustand Ultraschall 200 khz Georadar 02C1185 Aug bis Mai. 2008, TH Ilmenau Momentaner Auflockerungszustand Elektromagnetische Wellen 4 GHz

4 Arbeitsprogramm 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). In-situ Messungen in Sondershausen und anderen Gruben. Schaffung komplexer verfahrensübergreifender Interpretationstechniken. Kalibrierung an Permeabilitätsmessungen mit dem Injektionsverfahren.

5 Entfernung vom Stoß [m] v [m/s] Modellierung mit EFIT Entfernung vom Stoß [m] [m] Aktor Sensor geringer v s -Gradient starker v s -Gradient v p -Gradient Modellparameter für die Auflockerungszone spannungsfreier horizontaler Riss von 10 cm Länge spannungsfreier horizontaler Riss von 1 cm Länge

6 Okt Fraunhofer IZFP-D Horst Kühnicke Modellierung mit EFIT Risslänge 1 cm starker Gradient vs

7 v [ - ] 2E-005 1E E-005 P geführt Modellierung mit EFIT Rayleigh geführt PP Amplituden des Geschwindigkeitsfeldes geringer v s -Gradient mit 10 cm Streuer, In-plane velocity geringer v s -Gradient mit 10 cm Streuer, Out-of-plane velocity starker v s -Gradient mit 10 cm Streuer, In-plane velocity starker v s -Gradient mit 10 cm Streuer, Out-of-plane velocity starker v s -Gradient mit 1 cm Streuer, In-plane velocity starker v s -Gradient mit 1 cm Streuer, Out-of-plane velocity Zeit [µs] PS PPP

8 v [ - ] 1.2E-005 8E-006 4E P geführt Rayleigh geführt Modellierung mit EFIT PP Amplituden des Geschwindigkeitsfeldes nach Faltung mit Sendesignal, Berechnung der Hilbert-Einhüllenden, Timeshift - Signallänge/2 (Reflexionsmaximum), und NMO-Korrektur geringer v s -Gradient mit 10 cm Streuer, In-plane velocity geringer v s -Gradient mit 10 cm Streuer Out-of-plane velocity starker v s -Gradient mit 10 cm Streuer In-plane velocity starker v s -Gradient mit 10 cm Streuer Out-of-plane velocity starker v s -Gradient mit 1 cm Streuer In-plane velocity starker v s -Gradient mit 1 cm Streuer Out-of-plane velocity Bereich am Stoß geführter Rayleigh-Wellen bei v r =2460 m/s Bereich am Stoß geführter P-Wellen bei v p =4540 m/s Tiefe [m] PS PPP

9 Sensoren: Mittenfrequenz: 200 khz Apertur: 60 mm Sendesignal: Rickert-Wavelet Signalaufbereitung: Verfahren U Frequenzanteil [%] E-006 8E E E-005 t [s] f [Hz] Beseitigung des Gleichspannungsoffsets Faltung mit Sendesignal Bandfilter khz Amplitudenkorrektur für sphärische Divergenz und Streuung Amplitudennormierung der Spur Muting von Kopf- und Rayleigh-Welle NMO-Korrektur Stapelung und Tiefenwandlung für t<3/f U(t)=EXP(-2[t f-1,5]²) COS(2Pi[t f-1,5]) und COS-Taper Sendesignal Ricker-Wavelet f = 197,368 khz Zeitsignal Stützstellen bei 2 MHz Abtastrate Frequenzinhalt

10 Okt Fraunhofer IZFP-D Horst Kühnicke Verfahren Signalbearbeitungs-Software CSVnorm mit Beispieldatensatz aus der Grube Bernburg

11 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+)

12 LAN / WAN AE.engine 2 MHz Messsystem AE.net AE.switch AE.engine 2 MHz Console AE.switch AE.switch AE.switch S&PoE AE.engine 1 MHz modularer Aufbau AE-Sensoren

13 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 Messorte

14 Versuchsort Sondershausen 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

15 Akustische Detektion von Rissgeflechten im Steinsalz Sonar 200 khz S Messort: Sondershausen S_BC_B _NR18A004S4-8_Hmxt N Reflektivität [mv]

16 Versuchsort Bernburg mehr als 35 Jahre alte Maschinenstrecke (Liegendstrecke 0) im Staßfurtsteinsalz der Grube Bernburg in 505 m Teufe Entfernung zu Strecken des umliegenden Grubenfeldes größer 60 m Messprofil im Bereich der Zentralbohrung B2

17 Akustische Detektion von Rissgeflechten im Steinsalz Sonar 200 khz Messort: Bernburg Dez. Okt Fraunhofer IZFP-D Horst Kühnicke

18 Okt Fraunhofer IZFP-D Horst Kühnicke Messort Borth

19 Akustische Detektion von Rissgeflechten im Steinsalz Sonar 200 khz Messort: Borth Dez. Okt Fraunhofer IZFP-D Horst Kühnicke

20 Vergleich mit direkten Permeabilitätsmessungen (Injektionsverfahren) TU BAF, Abschlussbericht 02 C Dez. Okt Fraunhofer IZFP-D Horst Kühnicke

21 Vergleich mit Georadar (Komplexe Auswertung) Messort: Bernburg Dez. Okt Fraunhofer IZFP-D Horst Kühnicke

22 Akustische Emission Geosonar Georadar Zusammenfassung integral, feste Sensorpositionen => Aufwand gering hohe 3D-Empfindlichkeit nur Veränderungen des Auflockerungszustandes detektierbar geeignet für die Verfolgung der zeitlichen und räumlichen Entwicklung der Auflockerungszone scannend mit direkter Ankopplung => Aufwand sehr hoch hohe 3D-Empfindlichkeit momentaner Auflockerungszustand detektierbar scannend ohne direkte Ankopplung => Aufwand hoch weniger empfindlich als die akustischen Methoden, wegen der geringeren Wechselwirkung mit dem Rissgeflecht momentaner Auflockerungszustand detektierbar

23 Schlussfolgerung die Verfahren sind für die zerstörungsfreie 3D- Charakterisierung der Auflockerungszone geeignet es werden keine Bohrungen benötigt Ausblick Verbreiterung des Erfahrungsschatzes unter unterschiedlichen endlagerrelevanten Bedingungen Abschluss der Entwicklung von bergbautauglichen Messsystemen Verbesserung komplexer Interpretationstechniken andere Wirtsgesteine