Präventionsmöglichkeiten mit Hilfe der angewandten ... · Die konstruktiv nicht auszuschließende Drift eines Gravimeters auf Federbasis verringert sich mit zunehmendem Alter. Der

7. ALTBERGBAU - KOLLOQUIUM Freiberg 2007

Präventionsmöglichkeiten mit Hilfe der angewandten Gravimetrie in der Überwachung von alten Grubengebäuden

H. Richard Schulz

Angewandte Gravimetrie Dr. H. Richard Schulz, Rosengarten

ZUSAMMENFASSUNG : Die Überwachung von möglichen Massenverlagerungen, verursacht durch alten Bergbau, wurde durch die jüngste Verbesserung der Gravimeter erweitert. Durch die genaueren Messwerte im Gelände, wird gleichzeitig eine höhere Anforderung an die auszuwertende Software gestellt. Das ZLS-Landgravimeter wird als neueste Entwicklung auf dem Gravimetermarkt kurz vorgestellt. Die Datengenauigkeit von 1 µgal führt zu einem früheren Erkennen von Massenumlagerungen im Untergrund. Zusätzlich ist bei der Korrektur des Geländeeinflusses („Massenumfeld“) die geologische Situation zu berücksichtigen. Die auftretenden Verbesserungen im Erkennen von Nutzsignalen werden kurz erläutert. Neben den üblichen Präventionsuntersuchungen durch Zeitreihen ist so die Möglichkeit der Vorwärtsmodellierung gegeben. So können mit Hilfe einer einmaligen Messreihe bereits Bereiche mit Massenverlagerungen im Untergrund nachgewiesen werden. Anhand von Daten eines stillgelegten Salzbergwerkes werden die einzelnen Schritte und Ergebnisse erläutert. ABSTRACT: The monitoring of possible mass movements, caused by old mining industry, was extended by the recent improvement of the gravity meter. The more exact measured values in the field need improved software for data processing . The ZLS Land gravity meter is introduced briefly as the newest gravity meter on the market. The data resolution is about 1 µgal. So a mass movement in the underground is recognised earlier. Additional the geological situation is to be considered with the correction of the terrain influence ("mass surrounding field"). The arising improvements in recognizing information signals are described briefly. In addition to the usual prevention investigations by time series another possibility is given: the forward modelling. So it is possible to interpret the result with only one gravity survey and the result of the modelling. With data of a shut down salt mine the individual steps and results are described.

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1 Burris Gravimeter der Firma ZLS

Bei dem Burris Gravimeter der Firma ZLS handelt es sich um ein automatisiertes Landgravimeter nach dem bekannten Prinzip der „Zero Length Spring“. Dieses Prinzip ist bereits bei den bekannten LaCoste-Romberg Gravimetern verwirklicht worden.

Durch den Einsatz von elektronischen Libellen, einem großen Feedbackbereich (50 mgal) und einer ausgeklügelten Steuerungssoftware, konnte die interne Genauigkeit auf unter 1µgal gesteigert werden. Die Ausgabe erfolgt jedoch auf 1 µgal genau.

Bei Wiederholungsmessungen konnte die vom Hersteller genannte Genauigkeit von 1 bis 3 µgal bestätigt werden. Die Dauer der reinen Messung liegt zwischen 45 sec und 2 Minuten.

Abb.1 : Gesamtansicht Buris Gravimeter

Die Bodenunruhe die normalerweise durch den Bediener des Gravimeters erzeugt wird bzw. die Unruhe die durch die Betätigung der Bedieneinheiten am Gravimeter auftritt kann durch eine Funkfernsteuerung des Gravimeters komplett ausgeschlossen werden.

Die Steuerung des Messvorganges erfolgt durch einen PDA. Der gespeicherte Datensatz beinhaltet neben der reinen Zahlenfolge, den Gezeiten korrigierten gemessenen Schwerewert. Neben diesem Fortschritt in der Bedienbarkeit des Gravimeters können aber auch, wie bisher, manuelle Messungen und Ablesungen durchgeführt werden.

Die gespeicherten Daten zum Messwert einer Station können vom PDA auf einen Notebook übertragen werden. Die weitere Auswertung kann dann über die Software AGES.migra erfolgen [8].

Der Einsatz dieses Gavimeters ist durch den Messbereich von 7000 mgal, weltweit möglich. Die Genauigkeit bei mikrogravimetrischen Messungen innerhalb des großen Feedback-Bereiches bleibt dabei gewährleistet.

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Abb.2 : Bedienfeld des ZLS-Burris Gravimeters

Die konstruktiv nicht auszuschließende Drift eines Gravimeters auf Federbasis verringert sich mit zunehmendem Alter. Der Prototyp des Geräts weist eine Driftrate von 30µgal pro Monat auf [1]. Diese hohe Genauigkeit des Messwertes [3] [6] muss beim Data Processing Rechnung getragen werden. 2 Prävention mit Hilfe der Gravimetrie Es gibt drei Möglichkeiten der Prävention zum Erkennen von einbruchgefährdeten Bereichen:

• Bougueranomalienberechnung • Monitoring • Gesamtmodellierung

Im Folgenden wird kurz auf die Verbesserung der Bougueranomalienberechnung eingegangen. Der Schwerpunkt liegt dann bei der Darstellung der Ergebnisse der Gesamtmodellierung am Beispiel eines Salzbergwerkes. 2.1 Verbesserung bei der Bougueranomalienberechnung Die gemessene Schwere an einem Messpunkt stellt ein Integral des Schwerepotentiales dar. Diese Ergebnisse sind vielfältig interpretierbar. Jedoch kann diese Vielfalt deutlich eingeschränkt werden, wenn weitere Parameter erfasst werden.

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Hierunter fällt die Berücksichtigung des Massenumfeldes um den Messpunkt. An erster Stelle ist der Einfluss des Geländes zu nennen. Auch der Einfluss der Bebauung ist zu berücksichtigen. Dies erfolgt durch die urbane Korrektur und soll hier nicht weiter erläutert werden (siehe dazu [7]).

Die Korrektur des Geländeeinflusses wurde bisher mit Hilfe einer Einheitsdichte durchgeführt. Dies bedeutet jedoch, dass eine Berücksichtigung der geologischen Einheiten bisher nicht erfolgte. Die Hauptgründe waren, die bisherige Kleinräumigkeit der Untersuchungsgebiete und die fehlende Rechnerleistung. In beiden Fällen haben sich Änderungen vollzogen.

Mit Hilfe der Bougueranomalienberechnung konnten Auflockerungszonen im Deckgebirge infolge nachbrechenden Gebirges detektiert werden. Die Genauigkeit dieser Auswertung war durch begrenzte Rechnerkapazitäten (Speicherplatz und Geschwindigkeit) bisher begrenzt.

Jetzt ist es möglich durch die angepasste Geländekorrektur und der hohen Rechengeschwindigkeit die Genauigkeit der Messwerte durch das Data Processing nicht negativ zu beeinflussen. Dies ist insofern ebenfalls wichtig, da die zu untersuchenden Flächen zum Teil eine große Längserstreckung haben können und dadurch die Topographie sich entsprechend ändert.

Abb.3 : Beispiel einer vielgestaltigen geologischen Kartengrundlage (ohne Legende)

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2.1.1 Geländekorrektur Die Geländekorrektur kann auf zwei Arten verbessert werden. Zum einen kann die durchschnittliche Dichte einer tetragonalen Säule an die geologische Situation angepasst werden [4]. Eine weitere Möglichkeit der Verbesserung ist durch die Vergrößerung der Anzahl der zu berechnenden Säulen gegeben [5]. 2.1.1.1 Prinzip der angepassten Geländekorrektur Das Prinzip der angepassten Geländekorrektur nutzt bekannte lithologische Daten aus geologischen Karten, Grubenplänen und topographischen Karten. Im Folgenden werden kurz die notwendigen Schritte an einem Beispiel erläutert:

• Zuordnung von Dichten zu geologischen Einheiten (Abb. 3) • Festlegung der Auflösung des Ausschnittes (Abb. 4) • 3D Modell (Abb. 5) • Berechnungen

Dies ermöglicht bei notwendigen Reduktionen eine Verbesserung der berechneten Anomalien in der Größenordnungenordnung von bis 30 %.

Abb.4 : Dichten der geologischen Einheiten

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Abb.5 : 3D Geländemodell 2.2 Monitoring Die einfachste Art Massenverlagerungen im Untergrund zu erfassen ist das Monitoring. Hierbei wird das lokale Schwerefeld an fixen Punkten wiederholt gemessen. Im Idealfall ist bei derartigen Untersuchungen nur der Gezeiteneinfluss zu berücksichtigen. Dieser Gezeiteneinfluss kann durch Berechnungen aus der Lage der Station und der Uhrzeit berechnet werden. Weitere Berechnungen sind in einem solchen Fall nicht erforderlich.

Abweichungen vom Idealfall sind oberflächliche Massenbewegungen wie Bautätigkeit, Grundwasserbewegungen und atmosphärische Schwankungen. Alle Einflüsse müssen rechnerisch berücksichtigt werden.

Die notwendigen Korrekturen bei Bautätigkeiten sind mit Hilfe von 3D Modellrechnungen anzubringen. Hierzu werden die Abmessungen der Massen und deren Dichte benötigt. Für die Berücksichtigung der Grundwasserschwankungen sind Pegelablesungen notwendig. Die Schwankung des atmosphärischen Druckes zu berücksichtigen, ist von trivialer Art.

Die eigentlichen Messungen können durch das Vorhandensein der gesicherten Messpunkte im Gelände schnell durchgeführt werden. Insgesamt kann der Einsatz der Mikrogravimetrie langwierig sein, da in größeren Zeitabständen die Messungen durchgeführt werden müssen.

Sinnvoll ist der Einsatz der Mikrogravimetrie bei der Stilllegung von untertägigem Abbau. Hier kann die Situation zum Zeitpunkt der Stilllegung dokumentiert werden. Sollten später Schadens-bilder an bestehenden Gebäuden auftreten, so können zu einem beliebigen Zeitpunkt Nach-

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messungen erfolgen. Es kann dann häufig eine Entscheidung getroffen werden, ob diese Schadens-bilder durch unterirdische Massenumlagerungen, verbunden mit Auflockerungen im Deckgebirge

erursacht wurden, oder es sich um „normale“ bautechnische Erscheinungen handelt.

orteile des Monitorings:

Einmessung keine zusätzlichen Geländearbeiten

der Messwerte durch unexakte Berechnungen mit Hilfe von

• Kann über Jahre oder Jahrzehnte erfolgen

achteile des Monitorings:

tänden langwierig bis die Daten vorliegen (mehrere Messreihen

• Zusätzliche notwendige Parameter (Wasserstand, Luftdruck)

.3 Prinzip des Gesamtmodells

e kann dann das ge

chwerefeldern ergeben. Unter Punkt 2.3.1 sind die inzelnen Schritte an einem Beispiel aufgezeigt.

.3.1 Gesamtmodell

den oder aus ohnehin vorhandenen nterlagen, die in eine digitalisierte Form umgesetzt werden.

.3.2 Beispielbergwerk

September 2007 nicht durchgeführt w

ur besseren Visualisierung der Gesamtsituation im Raster von 10 m zusammengefasst dargestellt.

v V

• Nach Festlegung der Punkte und der außer den Wiederholungsmessungen

• Keine VerfälschungBlackbox-Software

N

• Unter Umsnotwendig)

2 Bei dieser Berechnungsart wird ein gesamtes Modell aus Elementarkörpern auf der Grundlage der Geologie und der Topographie erstellt. Den einzelnen geologischen Einheiten werden Dichtewerte zugeordnet. Die Berechnung erfolgt als echtes 3D Modell. Es wird somit das zu erwartende Schweremodell vorwärts modelliert. Nach erfolgten Messungen im Geländ

messene Schwerefeld mit dem theoretischen Schwerefeld verglichen werden. Erste Aussagen über mögliche Gefährdungsbereiche können getroffen werden, die sich auf

Grund signifikanter Unterschiede in den beiden Se 2 Für die Erstellung eines Gesamtmodells sind weitere Geländedaten notwendig. Diese können zum Teil aus den gravimetrischen Messungen übernommen werU 2 Am Beispiel des Salzbergwerkes „Wilhelmsglück“ in Rosengarten wurde ein solches Gesamtmodell erstellt und eine Vorwärtsmodellierung durchgeführt. Die Messreihen im Gelände konnten infolge der landwirtschaftlichen Nutzung bis Mitte

erden. Die Messungen sollen nun im Oktober 2007 erfolgen. Der Grubeplans (freundliche Überlassung durch das LGRB Baden-Württemberg, Bergamt)

wurde digitalisiert und in die Topographische Karte eingepasst. Die jetzt vorliegenden Daten konnten zu einem Gesamtmodell zusammengefasst werden. Die rechnerische Auflösung des Gesamtmodells betrug 2 m. Die dargestellten 3D Modelle sind z

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Abb.6 : Grubenplan Steinsalzbergwerk „Wilhelmsglück“ Der Grubenplan zeigt deutlich die verschiedenen Abbauvarianten. Der Bereich mit größeren Pfeilerabmessungen und die Rechteckpfeiler ab 1895 wurden zur Visualisierung mit herangezogen. Der übrige Bereich (Pfeilergröße 4 m x 4m) wurde wegen der Übersichtlichkeit in den Darstellungen weggelassen, wohl aber so gerechnet, wie im Plan vorhanden.

Abb.7 : geologisch vereinfachtes Blockbild zur Visualisierung der Situation

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Abb.8 : Eingabemaske zur Dichteveränderung

Nach diesen umfangreichen Datenermittlungen und der Modellanpassung wurde das Schwerefeld auf zwei Arten modelliert (Standardmodell und Gesamtmodell).

Das Standardmodell geht von einer ebenen Topographie aus. Die Lage der erwarteten größten Schwereanomalie liegt in etwa beim Abbaufeldmittelpunkt mit -150 µgal (-0,15 mg, oder -1,5 µm/s²).

Das Gesamtmodell wurde zunächst ohne einen erfolgten Abbau im Untergrund berechnet. Das Ergebnis wurde als Ausgangsschwerefeld aufgefasst. Im nächsten Berechnungsschritt wurde die Situation unter Tage nach Abbauplan berücksichtigt. Das Grubengebäude selbst ist wassererfüllt (Wasserstand im Schrägschacht). Dieses Ergebnis wurde um den Ursprungswert reduziert. Es zeigte sich wie erwartet, dass die Topographie Einfluss auf die Lage der Schwerefeldanomalie hat.

Der größte Anomalienwert betrug 120 µgal. Dies bedeutet der erwartete Schwerewertunterschied liegt 20 % niedriger als der nach einem einfachen Modell berechnete Wert.

Das so erhaltene Schwerefeld kann mit dem gemessenen Schwerefeld verglichen werden. Eine Verfälschung durch Reduktionsfehler ist so nicht mehr möglich, bzw. kann durch die angepasste Geländekorrektur auch am Modellschwerefeld überprüft werden.

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Abb.9 : Morphologie mit dargestelltem Schwerepotential. Weiß die Umrahmung des

Abbaufeldes (Bereich der Rechteckpfeiler mit dargestellt). Leider konnten bis zur Abgabe des Textteiles die Messungen nicht durchgeführt werden, um die Messwerte mit den Modellwerten zu vergleichen. Ein einfacher Fall (aufsuchen eines Kellers) zeigt jedoch eine sehr gute Übereinstimmung mit dem zuvor erstellten Modell. Dabei wurde eine Übereinstimmung der Schwerewerte von 92 % bis 100 % aller angemessenen Stationen erreicht. 3 Verbesserungen Die Verbesserungen des Prinzips der Zero-Length-Spring erlaubt es zuverlässig auf 1 µgal das Schwerefeld zu messen. Dies bedeutet gegenüber älteren Zero-Length-Spring Gravimetern eine Verbesserung um eine 10 er Potenz. Die Driftrate ist bei Zero-Length-Spring Gravimetern geringer als bei Quarzfedergravimetern. Die Zeitreihenuntersuchungen profitieren von dieser Geräteverbesserung deutlich an Aussagekraft. Durch angepasste Geländekorrektur (Dichte der Gesteine) werden Verbesserungen bei der Berechnung der Schwere durch das Gelände in einem Radius bis 100 m um bis zu 30 % erreicht. Damit können die Bougueranomalien der Stationen zuverlässiger interpretiert werden. Durch das Vorwärtsmodellieren eines 3D Gesamtmodells sind Verbesserungen von ca. 20 % zu erwarten.

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Mit diesen Gesamtverbesserungen in der Gerätetechnik und der Software zur Auswertung von Schweremessungen kann die Gravimetrie sicher eingesetzt werden, um Massenumlagerungen im Untergrund frühzeitig zu erkennen. Hierdurch können frühzeitig entsprechende Maßnahmen zur Abwehr von Gefahren ergriffen werden.

Literatur:

[1] Adams, J. et al.: The automated Burris gravity meter – a new instrument for surveying and continuous operation. 15th international meeting on earth tides. 2 – 6 August 2004, Ottawa [2] BLECHA, V.: Gravity effects of deformation Zones induced by tunnelling in soft and stiff clays. 13th Near Surface Istanbul 2007 [3] JENTZSCH, G. M.: The automated Burris gravity meter – a new gravimeter using old principle. International Symposium on terrestrial gravimetry: Static and mobile measurements, St. Petersburg 2007 [4] KESSLER-SCHULZ, K. U.; SCHULZ, H. R.: Verbesserung der Geländekorrektur beim Einsatz der Mikrogravimetrie, Teil 1; Geodätische Woche 2006 München [5] KESSLER-SCHULZ, K. U.; SCHULZ, H. R.: Verbesserung der Geländekorrektur beim Einsatz der Mikrogravimetrie, Teil 2; 67. Jahrestagung Deutsche geophysikalische Gesellschaft, Aachen 2007 [6] KOPAEV, A. V.: Laboratory and field experiences with Sodin, ZLS Burris and Scintrex CG 5 gravimeters. International Symposium on terrestrial gravimetry: Static and mobile measurements, St. Petersburg 2007 [7] SCHULZ, H. R.: Anwendung der Gravimetrie bei Auflockerungen und einsturzgefährdeten Bereichen. 4. Altbergbau-Kolloquium, Leoben 2004 [8] SCHULZ, H. R.: Improvement of the evaluation of micro-gravity data with the help of an integrated software solution with the focus on the improved terrain correction. International Symposium on terrestrial gravimetry: Static and mobile measurements, St. Petersburg 2007 [9] SIMON, T.: Salz und Salzgewinnung im nördlichen Baden-Württemberg. Thorbecke Verlag Sigmaringen 1995

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