Über markscheiderische messverfahren zur hohlraumvermessung im lösungsbergbau der südsalz gmbh,...

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428 Becker © Springer-Verlag Wien BHM, 158. Jg. (2013), Heft 10

BHM (2013) Vol. 158 (10): 428–436DOI 10.1007/s00501-013-0205-1© Springer-Verlag Wien 2013

Über markscheiderische Messverfahren zur Hohlraumvermessung im Lösungsbergbau der Südsalz GmbH, Salzbergwerk Berchtesgaden

Florian Becker

Montanuniversität Leoben, Leoben, Österreich

their top until the final height of 125 m is reached. It is necessary to survey those cavities for the mine plans fol-lowing legal requirements and for quality management in steps of 6 m of height. Until now the survey has been done on boats by a ring polygon, marked with cord on the hanging wall of the cavern. The determination of the direction is given by a digital compass, lengths are given by tape measure. The connection to the coordinate sys-tem is solved by a shaft perpendicular. The sidewall of the caverns can be measured based on this polygon by the orthogonal method.

This process is very personnel and time-consuming, so this paper discusses alternative methods and devices. These methods are examined by a literature review and where possible in-situ trials for their suitability. The focus is on an echometric method and the method of terrestric laser scanning.

Keywords: Survey, Laser scanning, Echometric survey, Cavern

1. Einleitung

Das Aussolen bohr- und spültechnisch erstellter Hohlräume im Lösungsbergbau ist in der Abbausteuerung auf wenige beeinflussbare Parameter beschränkt. Sieht man von der Möglichkeit des Einsatzes von Pressluft- oder Kohlenwas-serstoffblankets ab, bleiben die Parameter des Einlaufvo-lumens des Lösungsmediums pro Zeit, der Verweil- und Wirkdauer des Lösungsmediums im Hohlraum sowie das Abzugsvolumen an möglichst hochgrädiger Wertstofflö-sung pro Zeit als wesentliche Einflussgrößen bestehen. Die in Berchtesgaden zur Anwendung kommende Abbau-methode des Bohrspülwerkes ist eine kammerartige Bau-weise. Die Dimensionierung der Hohlräume ist durch die auf dauerhafte Standfestigkeit ausgelegten Pfeiler und Schweben begrenzt. Das Bestreben der Solung liegt dar-

Zusammenfassung: Im Salzbergwerk Berchtesgaden wird Sole aus bohr- und spültechnisch erstellten Kavernen ge-wonnen. Diese Hohlräume haben eine Fläche von bis zu 4000 m2 im Grundriss und laugen sich im Betrieb ca. 1 cm pro Tag nach oben, bis die Abbauhöhe von 125 m erreicht ist. Zum Führen des Risswerkes nach gesetzlichen Vorgaben und zur Qualitätssteuerung ist es notwendig, jeden Hohlraum nach 6 m Versudhöhe zu vermessen. Durchgeführt werden diese Vermessungen bis jetzt auf Booten mit einem Ringpolygon, das als Schnurpolygon an der Firste des Hohlraumes vermarkt wird. Die Rich-tungsbestimmung erfolgt über eine elektronische Busso-le, die Längen werden mit einem Maßband erfasst. Der Anschluss wird über eine Schachtlotung ermöglicht. Von diesem Polygon aus wird die Werksulme im Orthogonal-verfahren aufgenommen.

Dieser Prozess ist sehr personal- und zeitintensiv, daher werden in dieser Arbeit alternative geeignete Verfahren erörtert. Diese werden mit einer Literaturrecherche auf ihre Eignung überprüft, soweit möglich finden in-situ Versuche Anwendung. Vorgestellt werden ein echometri-sches Verfahren und das terrestrische Laserscanning.

Schlüsselworter: Vermessung, Laserscanning, Echometrie, Kaverne

About Survey Methods for Cavern Survey in Solution Mining of Südsalz GmbH, Salt Mine Berchtesgaden

Abstract: In the Berchtesgaden salt mine brine is gained in caverns built by a combined drill and rinse operation. These cavities have an area up to 4000 m2 in horizon-tal section and leach about 1 cm rock mass per day on

F. Becker ()Koch-Sternfeldstraße 22,83471 Berchtesgaden, DeutschlandE-Mail: [email protected]

Eingegangen am 19. September 2013; angenommen am 20. September 2013; online publiziert am 8. Oktober 2013

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auf, das durch die maximal zulässige Hohlraumdimension vorgegebene Optimum im Solprozess zu erreichen. Die hierzu erforderlichen Informationen liefern markscheide-rische und geologische Messungen und Aufnahmen, auf deren Erkenntnisse hin die Prognosen und Anpassungen der Kennwerte erfolgen. Kernstück dieser Messarbeiten sind mehrtägige Bohrspülwerksvermessungen, floß-gestützte Bussolenvermessungen mit anschließenden Orthogonalaufnahmen. Der Arbeitsablauf der Bohrspül-werksvermessung wurde im Rahmen einer Bachelorarbeit [1] auf Verbesserungspotentiale hin untersucht, wobei das Augenmerk auf einem systemischen Vergleich von auf dem Markt befindlichen geeigneten markscheiderischen Verfahren durch Literaturrecherche und soweit möglich, praktische Messungen in-situ lag.

2. Gewinnung durch Bohrspülwerksverfahren

Als Teil des Alpinen Salinars liegt die Lagerstätte in Berch-tesgaden in der Hallein-Berchtesgadener Salinarmulde und wird tektonisch durch die oberjurassisch-unterkreta-zische Roßfeldmulde beeinflusst, die die Lagerstätte durch eine mit 70° einfallende Störung im Südosten begrenzt. Die Lagerstätte selbst besteht aus Haselgebirge, einem Gemenge von Steinsalz, Nebensalzen, Ton, Mergel, Anhy-drit, Polyhalit und anderen Komponenten. Die Strukturen dieses Haselgebirges werden durch die Störung in der tek-tonischen Hauptspannungsrichtung überprägt [2].

„Die gesamten jetzt sichtbaren Strukturen der Lager-stätte sind durch die Aktivität der Störung am Kon-takt zur Roßfeldmulde entstanden. Strukturen der triadischen Salztektonik, die aufgrund der vorange-gangenen Ereignisse zu erwarten sind, sind derart

überprägt, dass sie nicht mehr erkannt werden. Das mobile Kernsalz hat sich in Form von Kernsalzzügen teilweise angereichert, ursprünglich zusammenhän-gende Anhydritbänke wurden in ihrer Struktur auf-gelöst und sind als Brockenzüge innerhalb dieser Struktur erhalten. […] Der Mechanismus der Salz-anreicherung in der Nähe von harten, mechanisch steiferen Nebengesteinseinlagerungen ist sehr ver-breitet. Durch die entstehenden Spannungsspitzen an den Gesteinsgrenzen wurde das Steinsalz mobil und wanderte aus diesem Bereich aus. Zurück blieb die […]Störungsbrekzie aus Salzglanzschiefern und Tonsteinen („tektonisch ausgequetschtes Haselge-birge“). Das Steinsalz wanderte in die benachbarten, weniger belasteten Bereiche aus und bildete dort lokale Anreicherungen.“ [3]

Diese Parallelschichtung von Zonen unterschiedlicher Salzgehalte schlägt sich im Laugverhalten der einzelnen Partien nieder, durch die unterschiedlichen Löslichkeiten in Wasser von Wert-, Begleit- und Taubmineralien zeigt sich ein unmittelbarer Einfluss auf die Hohlraumform (Abb. 1).

Das aktuelle Gewinnungsverfahren, welches auf der 1. Tiefbausohle des Salzbergwerkes Berchtesgaden ange-wendet wird, wurde in seiner grundlegenden Form 1975 eingeführt. Es nutzt die kontrollierte Bohrlochsolung zur Herstellung eines trichterförmigen Initialhohlraumes ausgehend von einer Großlochbohrung [4]. Die vier bis dahin vorhandenen Stollensohlen dienen heute noch der Wasserhaltung, der Bewetterung, dem Versatz und tou-ristischen Zwecken. Der momentane Abbauhorizont ist durch zwei Blindschächte, drei Wetterbohrlöcher und ein Versorgungsbohrloch vertikal erschlossen. Eine zentrale Druckluftspeicherkaverne dient der Versorgung des Druck-luftnetzes der Tiefbausohle mit einem Betriebsdruck von bis zu 18 × 105 Pa.

Abb. 1: Werkshohlräume im Grundriss, lagerstättenbedingte Grundrissformen [1]

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Bestandteile des Haselgebirges kann bei einem hohen Anteil dieser Feststoffe den Einbau eines gezimmerten Filterkastens, des „Einseihkastens“ notwendig machen, in dem die Förderpumpe platziert wird. Dieser Kasten wird mit dem Ansteigen der Versudhöhe des Werkes mit nach oben gezogen, bis er durch Rückgang der Feststoffanteile überflüssig wird (Abb. 2).

Im Betrieb laugt sich der Hohlraum mit ca. 10 mm pro Tag, abhängig von der Vorgabe des Wässerungsprogram-mes nach oben, wobei er sich durch den anfallenden auf-quellenden Laist zu großen Teilen selbst versetzt. Dies ergibt bei einer nutzbaren Höhe von 90 m eine Lebens-dauer von rund 30 Jahren, so dass im Jahr 2014 die ersten Bohrspülwerke ihre volle Abbauhöhe erlangen werden. Die Sicherheitsschwebe zur darüberliegenden König-Lud-wig-Stollensohle beträgt 30 m, wobei zur Verbesserung des geomechanischen Verhaltens eine Kuppel mit einem Stich von 15 m ausgebildet wird [5].

3. Aktuelles Verfahren der Bohrspülwerksvermessung

Die rechtliche Veranlassung einer periodischen Bohrspül-werksvermessung zum Führen des Grubenbildes liegt in § 63 des Bundesberggesetzes der Bundesrepublik Deutschland begründet. Eine detailliertere Aufstellung und das Festlegen des Vermessungszyklus auf 6 m Abbauhöhe erfolgte durch einen Bergamtsbescheid des Bergamtes Süd der Regierung von Oberbayern.

Die verfahrenstechnische Veranlassung liegt in der optimalen Lagerstättenausnutzung. Wie Abb. 1 zu ent-nehmen ist, zeigen die Grundrisse der Werkshohlräume durch die lagerstättenabhängigen Differenzen in der Laug-barkeit Nebenarme und teils konkave Grundrissformen mit einspringenden Ecken, was bis zur Ausformung von schmetterlingsförmigen Werksformen reichen kann. Diese Ausprägung weitestgehend zu vermeiden und eine kon-vexe Grundrissform zu erreichen, ist Ziel der aus den erho-benen Daten gewonnenen Informationen.

Das Verfahren stützt sich bisher auf eine Bussolenver-messung. Bis 2008 wurde diese mit analogem Hänge-zeug bewerkstelligt, welches durch die Notwendigkeit der magnetfeldfreien Ablesung, also der Verwendung einer Karbidlampe aus Messing und der parallaxenfreien Ablesung vertikal auf die Teilkreisscheibe vom Boot aus

Ein Bohrspülwerk wird im Grundriss einem Abbaublock von 160 × 120 m zugeteilt, wobei je acht dieser Abbaublö-cke zu einem Abbaufeld zusammengefasst werden. Die Ausrichtung mittels Richt-,Wetter- und Querstrecken ver-läuft außerhalb dieser Abbaufelder. Die Vorrichtung erfolgt von diesen Strecken aus mit Ankehrschachtrichten zu je 60 m bzw. 80 m Länge. Die Auffahrungen erfolgen in der Regel mittels Teilschnittmaschine. Zur Vorrichtung gehö-ren abschließend das Auffahren der Bohrkammer in einer Breitauffahrung sowie das sprengtechnische Herstellen von Bohrturm und -keller.

Eine erste Erkundung des Abbaublockes erfolgt durch eine 125 m tiefe Kernbohrung (Kronendurchmesser 76 mm, Kerndurchmesser 48 mm), welche auf eine Teufe von –90 m verrohrt wird und sich 2,5 m exzentrisch zum Ansatzpunkt der Großlochbohrung befindet. Die mineralogische und petrografische Beurteilung des Mineralbestandes dient der Vorbeugung von Komplikationen bei der Großloch-bohrung. Diese Untersuchungsbohrungen weisen Bohr-lochabweichungen von 10–20 m auf.

Die anschließende Großlochbohrung (Durchmesser des Rollenmeißels 670 mm) wird im Lufthebebohrverfahren auf –125 m abgeteuft. Der Bohrlochansatz wird mit einem Erweiterungsmeißel auf 850 mm erweitert, ein Standrohr eingebracht und mit Gebirgsankern gesichert. In der ers-ten Entwicklungsstufe wird das Bohrloch bis auf eine Teufe von –110 m mit Wasser gefüllt, was einem Volumen von ca. 4,5 m3 entspricht. Durch abwechselndes Leerpressen und Füllen wird dieser Hohlraum auf 700 m3 vergrößert. Die zweite Entwicklungsstufe erfolgt in sieben intermit-tierenden Wässerungen. Da Solevolumina größer 700 m3 nicht mehr in anderen Werken nachvergütet werden kön-nen, verbleibt die Sole bis zur Saturation im Hohlraum, der sich auf 3000–5000 m3 vergrößert. Mit einer Alimak-Abteufbühne wird das Großbohrloch auf einen Schacht mit Durchmesser 2,20 m erweitert, das Hauwerk fällt im Initialhohlraum der Wertmineralgewinnung zu.

Dieser Schacht wird durch einen Bretterverschlag in ein Fahrten- und ein Fördertrum geteilt. Das ebenfalls hölzern ausgeführte Fahrtentrum besitzt Zwischenböden alle 6 m. Das Fördertrum wird nur zu Servicezwecken mit einer Elektrowinde mit redundantem Handantrieb (Verwendung als Rettungseinrichtung) ausgestattet. Im Fördertrum fest installiert werden Wassereinlauf- und Soleabzugsschläu-che sowie die Stromversorgung für die Soleförderpumpe und ein Füllstandsmesssystem auf Ultraschallbasis. Die Bohrkammer wird mit Durchlaufmesseinrichtungen, soge-nannten Röhrlkästen und einem Rechner ausgestattet und an das Glasfasernetzwerk des Betriebes angebunden.

Das Bohrspülwerk ist auf einen kontinuierlichen Betrieb ausgelegt. In dieser Auslegung ist es eine Weiterent-wicklung der Sinkwerke, deren Name aus dem Absinken unlöslicher Mineralbestandteile herrührt. Kontinuierlich bedeutet, dass durch die höhere Dichte der Sole auch diese gegenüber dem frisch zugeführten Wasser absinkt und so an einem tieferen Punkt abgezogen werden kann, während gleichzeitig Frischwasser ins Werk eingebracht wird. Durch diese Konfiguration findet der Laugangriff des Frisch-wassers überwiegend an der als „Himmel“ bezeichneten Firstfläche des Werkes statt. Das Absinken der unlöslichen

Abb. 2: Initialhohlraum des Bohrspülwerkes 22 mit Abteufbühne und Hauwerk [1]

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welches bereits im Werk das Bestimmen und Ausgleichen des Koordinatenabschlussfehlers erlaubt. Die Grenze des Koordinatenabschlussfehlers liegt bei 2 ‰ der Gesamt-zuglänge des Ringpolygons. Bei 400 m und 32 Zügen liegt diese Grenze also bei 0,80 m, was einer Verbesserung pro Punkt von 2,5 cm entspricht (Abb. 3).

In der anschliessenden Orthogonalaufnahme wird die Längenmessung als Grundlage des Abszissenmaßes kon-trolliert. Die Ordinaten der Ulmenpunkte werden mit Ein-stechlatten (2/4 m) in Dezimeterteilung, beziehungsweise mit einem Handlaserdistanzmesser erfasst. Aufgenom-men wird jede wesentliche Änderung des Ulmenverlau-fes (Knick/Sprung). Die Höhenübertragung erfolgt über das Teufenmaß des Wasserspiegels per Meterstab an den entsprechenden Punkt. Ebenfalls grob erfasst werden sogenannte „Unterhimmel“, Firstteile, die dem Wässe-rungsfortschritt hinterherhinken und somit drohen, der weiteren Gewinnung verloren zu gehen.

Abschließend erfolgt eine geologische Aufnahme des Werkshimmels. Hier werden der Mineralbestand doku-mentiert und Problemzonen identifiziert, um das Wässe-rungsprogramm für den nächsten Abbauzyklus anpassen zu können. Außerdem erfolgt der Rückbau der Schnur.

Die Auswertung findet CAD-basiert in den Programmen rmGEO 4 und der AutoCAD-Adaption rmMAP 2012 der Firma rmDATA statt. Die Datenbanken sind in GIS-ähn-licher Form gehalten, um eine redundante Datenhaltung zu vermeiden und möglichst alle erforderlichen Pläne und Risse aus einem Datensatz erzeugen zu können. Sämtli-che Informationen sind dreidimensional vorhanden. Eine Modellierung der Werkshohlräume in einer Dreiecksver-maschung ist in der Umsetzung begriffen.

Der Zeitaufwand ergibt sich aus Erfahrungswerten für ein regelmäßiges Werk wie in Tab. 1 dargestellt. Die tat-sächlichen Zeiten können bei unregelmäßigen Werken bis zu einer Schicht länger gehen. Pausen werden untertage laut. Tarifvertrag vergolten [7].

und das handschriftliche Notieren einer Automation im Wege stand.

Zwei eigens angefertigte digitale Bussolen der Fa. Sin-ning lösten die analoge daher ab. Sie basieren auf dem Fluxgate-, auch Saturationskernmagnetometerprinzip. Ein weichmagnetischer Kern wird durch eine innere Treib-spule periodisch in die maximale magnetische Flußdichte geführt. Zwei äußere Messspulen sind gegenläufig orien-tiert, wodurch die induzierten Spannungen sich bei Absenz externer Magnetfelder aufheben. Ein periodischer Peak der Differenz beider Spannungen gibt so Aufschluss über Polarität und Flussdichte eines anwesenden Magnetfeldes. Es ist nur die Vektorkomponente in Spulenrichtung mess-bar, daher muss für jede gewünschte Koordinatenachse ein Sensor montiert werden. Da nur eine Erfassung der horizontalen Komponenten des Erdmagnetfeldes erfolgt, werden zwei Spulen verwendet. Die Inklination des Erd-magnetfeldes kommt allerdings bei einer Neigung der Bussole zum Tragen. Durch ein Gutachten der Universität der Bundeswehr in München konnte für Bussole A eine erweiterte Messungenauigkeit von ± 0,32 bei ± 5° Neigung festgestellt werden [6]. Per Bluethooth ist die Bussole an den Feldrechner gekoppelt. Die Verbindung bleibt bei Sichtkontakt auf bis zu 20 m stabil. Magnetischen Einfluss haben vor allem Pumpen und sonstige Installationen im Schachtbereich. Aus der mineralischen Zusammensetzung des Haselgebirges sind keine Einflüsse zu erwarten.

Die Vorarbeiten zur Vermessung umfassen das Leeren des Werkes, so dass der Solestand auf ca. 1,40 m unter den Werkshimmel sinkt. Bei einem Grundriss von 4000 m2 Fläche sind so 5500–6000 m3 Sole zu fördern. Das Förder-volumen wird durch die Röhrlkästen mit einer Messun-genauigkeit von bis zu 5 % der Fördermenge erfasst. Die Freigabe des Werkshohlraumes erfolgt durch den Wetter-steiger. Bei Verzögerungen kann es zum Oxidieren der Laistböschungen kommen, was eine erneute Wettermes-sung und Freigabe nötig macht. Die Winde wird als För-der- und Rettungsmittel installiert und ein Boot sowie ein Pontonfloß eingebaut.

Um den Richtungsanschluss referenzieren zu kön-nen, wird die Nadelabweichung für die Bussolenmes-sung tagesaktuell in einer Referenzstrecke bestimmt. Der Anschluss der Messung erfolgt über eine Schachtlotung von einem Polygonpunkt im Schachtturm aus. Dieser Schachtlotpunkt ist koordinaten- und höhenmässig an das Landeskoordinatennetz angeschlossen. Mittels Maßbän-dern erfolgt die Teufenmessung, in deren Verlauf auch Fix-punkte für das Füllstandsmesssystem geschaffen werden.

Im Hohlraum selbst wird ein Schnurpolygon als geschlossenes Ringpolygon mit möglichst gleich lan-gen Zugseiten per Bolzensetzgerät am Himmel befestigt. Nebenarme werden als einseitig angehängte Polygonzüge aufgenommen. Die Anzahl der gesetzten Polygonpunkt-bolzen beträgt in der Regel ca. 30. Der Koordinatenan-schluss erfolgt ebenfalls mit einem kurzen, in zwei Lagen gemessenen Schnurzug an das Schachtlot. Von Bolzen zu Bolzen wird die Länge mit einem Maßband abgegriffen und die Richtungen werden mit der in die Schnur einge-hängten Bussole in zwei 200 gon verschiedenen Gerätela-gen bestimmt. Die Erfassung erfolgt im Programm „DiBu“,

A bb. 3: Punktvermarkung auf Laistböschung mit geringer Arbeitshöhe [1]

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■ Eine standardisierte dreidimensionale Erfassung in mindestens Dezimetergenauigkeit von flachen, teil-weise mit Sole gefüllten, im Grundriss meist konkaven (mit Einsprüngen und Abschattungen ausgeformten) Werkshohlräumen mit einer Grundfläche von etwa 4000 m2 über die vorhandenen Zugänge (Schacht, Untersuchungsbohrung).

■ Die Möglichkeit, alle benötigten Geräte durch das Stre-ckennetz und die Schachtanlagen zu fördern.

■ Die Möglichkeit, Hintersolungen und Seitenarme des Werkes vollständig zu erfassen.

■ Die Möglichkeit, aus den gewonnenen Daten horizon-tale Schnitte zu erhalten, die den rechtlichen und tech-nischen Anforderungen an das vorhandene Grubenriss-werk entsprechen.

■ Ein koordinaten- und höhenmässiger Anschluss der gewonnenen Daten an das Landeskoordinatensystem über das betriebseigene Polygonzugsnetz [8].

Kostenintensive Änderungen an der Infrastruktur des Salz-bergwerkes scheiden aufgrund der Anzahl von bereits 32 Bohrspülwerken im Betrieb mit einer Laufzeit von 30 Jah-ren kategorisch aus und waren nicht Bestandteil der Arbeit. Dies schränkte die Auswahl auf nachfolgend betrachtete Verfahren ein.

Eine weitere Überlegung galt der Photogrammetrie. Die Arbeitshöhe beträgt nur 1,40 m und die Struktur des gelaugten Haselgebirges ist sehr unregelmässig. Ein Großteil des Bildausschnittes wäre daher referenzloser Himmel/Solespiegel. Das lange Ruhighalten der Kamera während der Aufnahme auf einem Boot hinsichtlich einer der schlechten Ausleuchtung geschuldeten langen Belich-tungszeit sowie das Problem einer leistungsstarken akti-ven Ausleuchtung, die aufgrund der Soleärosolbildung im Werk von einem anderen Standpunkt als dem Aufnahme-standpunkt aus erfolgen müsste, lassen die Photogram-metrie aber ausscheiden.

Die eingehende Recherche lässt zwei Verfahren als im Grunde geeignet erscheinen. Anhand einer Literaturre-cherche werden sie auf die oben genannten Anforderun-gen hin geprüft. In-situ Versuche wurden soweit möglich durchgeführt.

5. Echometrie

Die Echometrie wird am Beispiel des Messverfahrens der Firma Socon Sonar Control GmbH erläutert, da diese nach intensiver Recherche die Einzige im europäischen Raum ist, die eine Vermessung von Kavernen in einer für die vorliegende Fragestellung anwendbaren Art und Weise anbietet. Dem polaren Messverfahren liegt die Messung zweier Raumwinkel und einer Schrägstrecke zu Grunde. Die Streckenmessung erfolgt durch eine Laufzeitmessung eines ausgesendeten Schallimpulses. Da die Schallge-schwindigkeit vom durchlaufenen Medium abhängt, wird die Schallgeschwindigkeit im Medium mit einer Referenz-strecke bestimmt [9].

Die Raumwinkel werden über das Erdmagnetfeld mit-tels zweier Fluxgatesensoren bestimmt, die den räumli-

4. Überlegungen zu Alternativen Verfahren

Kritikpunkte für das bestehende Verfahren liegen aus wirt-schaftlicher Sicht vor allem in der niedrigen Informations-ausbeute im Vergleich zum hohen Arbeitsaufwand der Vermessung. Aus der Bussolenvermessung geht nur eine grundrissliche Darstellung des Ulmenpolygons hervor, dem eine Höhe zugewiesen wird. Informationen über die Form und Neigung der Laistböschungen und der Ulmen, welche ein wichtiges Indiz für die Nutzung des Hohlrau-mes als Rückförderwerk zur Solenachvergütung oder als Versatzort für einen Hydroversatz des Teilschnittmaschi-nenausbruchs darstellen, werden nicht erfasst. Brocken-züge und Anhydritpartien werden nur geologisch kartiert. Eine Aufnahme der gebirgsmechanisch geforderten Kup-pel bei Ausserbetriebnahme des Werkshohlraumes ist mit dem derzeitigen Verfahren nicht möglich.

Aus Sicherheits- und Gesundheitsschutzaspekten ist kritisch anzumerken, dass im Orthogonalverfahren Berei-che mit Steinfallgefahr nicht gemieden werden können. Besonders beim Kriechen auf Laistböschungen wird eine unergonomische Arbeitshaltung eingenommen. Im Falle von Nebenarmen müssen Mitarbeiter mehrmals (Vermar-kung, Bussolenmessung, Längenmessung, Orthogonal-aufmaß) einen beengten Raum mit geringer Arbeitshöhe in meist liegender Haltung befahren.

Aus diesem Grunde wurden folgende Überlegungen für die Anforderungen an ein geeignetes Verfahren geführt:

Tabelle 1:

Personalstunden bei einer Bohrspülwerksvermes-sung mit Bussole und Orthogonalaufnahme [1]

Tag Tätigkeit Zeit [h] VT H Personal-stunden [h]

1 Einfahrt, Ausfahrt, Pause 1,5 1 1 3

Einbau Lot/Teufenmes-sung

1 1 1 2

Punktvermarkung 3 1 1 6

Schnurspannen 2,5 1 1 5

Nachbereitung 0,5 1 0 0,5


Bussolenmessung 3,5 1 1 7

Längenmessung 3 1 1 6


3 Einfahrt, Ausfahrt, Pause 1,5 1 2 4,5

Orthogonalaufnahme 6,5 1 2 19,5


4 Auswertung 8,5 1 0 8,5


Geol. Aufnahme unter-stützen

4,5 1 0 4,5

Schnur abbauen 2 1 0 2


Gesamtzeitaufwand [h] 74,5

VT Vermessungstechniker, H Hauer

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der Messstrahlen führen würde [18]. Dieser Vorteil wird aber durch die Notwendigkeit der geologischen Aufnahme kompensiert.

Obwohl das System geeignet ist, Hintersolungen hin-sichtlich der Teufe durch Teufenänderung der Sonde und Kippen des Messkopfes auszugleichen [19], kann es die durch den Verzicht auf Pressluft- oder Kohlenwasserstoff-blankets und den Auswirkungen der Lagerstättenstruktur resultierenden konkaven Grundrissformen nicht ausglei-chen, da die Messachse in allen drei Einbringungsmög-lichkeiten in der Nähe der Schachtachse liegt. Weitere Sichthindernisse bestehen im Vorhandensein des Einseih-kastens oder von Schachtinstallationen (Abb. 4).

Dies bedeutet, dass der Anforderung 1 eines standar-disierten, durchgehend anwendbaren Verfahrens mit der Technik der Echometrie im Fall der Bohrspülwerksvermes-sung nicht genüge getan werden kann, da große Abschat-tungen zu erwarten sind. Da ein fallweiser Einsatz bei gleichzeitiger Vorhaltung des bestehenden Systemes auf-grund der unwirtschaftlichen Notwendigkeit einer Vorer-kundung entfällt, scheidet dieses Messverfahren aufgrund der horizontalen Ortsgebundenheit aus.

6. Terrestrisches Laserscanning

Auch das terrestrische Laserscanning ist ein polares Mess-prinzip. Die Streckenmessung erfolgt entweder über ein Laufzeit- oder über ein Impuslverfahren [20] von Laserlicht. Für die Messung der Raumwinkel stehen drei unterschied-liche Messmethoden zur Verfügung. Das tachymetrische Messprinzip, das Messprinzip mit oszillierenden Spiegeln und das weiter untersuchte Messprinzip mit einem rotie-renden Spiegelprisma [21].

Der jüngste Versuch wurde mit einem Scanner Trimble TX5 durchgeführt, die folgenden technischen Angaben beziehen sich auf dieses Modell. Hinsichtlich der Dimen-sionen von 240 × 200 × 100 mm und einer Masse von 5,0 kg besteht in der Förderung kein Problem. Das Gerät ist für die athmosphärischen Bedingungen im Bohrspülwerk geeignet. Ein geräteinterner Kompensator gleicht Steh- achsabweichungen von bis zu 5° mit einer Genauigkeit von 0,015° aus [22].

Der Einsatz terrestrischen Laserscannings am aktuel-len Stand der Technik fällt nicht unter die Sonderverfahren nach § 7 Abs. 2 der Markscheiderbergverordnung. Eine Nachvollziehbarkeit der Messungen im Sinne der Mark-scheiderbergverordnung wird bei einer Durchführung der Messungen nach den Grundsätzen des Deutschen Mark-scheider-Vereines angenommen. Das Verfahren ist also dazu geeignet, für markscheiderische und sonstige ver-messungstechnische Arbeiten im Zusammenhang mit Tätigkeiten und Einrichtungen gemäß § 2 Bundesbergge-setz eingesetzt zu werden [23].

Zwei Vorversuche fanden in einem noch offen stehenden Sinkwerkshohlraum auf der König-Ludwig-Stollensohle statt. Das Augenmerk lag auf dem Reflexionsverhalten des Haselgebirges und einer Zusammenführung der einzel-nen Aufnahmen über standardisierte Kunststoffzielkugeln, sogenannte „Targets“. Eine Vergleichbarkeit wurde durch

chen Erdmagnetfeldvektor aufzeichnen. Der Vertikalwinkel des dreh- und neigbaren Sondenkopfes wird redundant durch einen Neigungsmesser auf das Gravitationsfeld der Erde referenziert. Der Horizontalwinkel der Messung wird durch einen faseroptischen Kreisel bestimmt, der den Sagnac-Effekt ausnutzt. Ein monochromatisch kohärenter Lichtstrahl durchläuft dabei einen Strahlteiler und jeder Teilstrahl anschliessend zwei gegenläufige Spulen. Durch einen Phasenvergleich kann der Drehwinkel des Systemes errechnet werden [10]. Da die Sonde an einem Kabel in den Hohlraum abgelassen wird, ist ein Massekreiselstabilisa-tor angebracht. Die Dimensionen der Sonde belaufen sich auf 5,0 m Länge bei 70 mm Durchmesser. In zwei Mess-fahrten wird die Kaverne erfasst. Die erste, sogenannte „Log“-Fahrt zeichnet die physikalischen Bedingungen ent-lang der Messachse auf. Durch ein „Casing Collar Locator“ genanntes Modul kann die Position und das Schwingver-halten einer eventuellen Verrohrung gemessen werden, da ein Messen durch eine bestehende Rohrwandung hin-durch erfolgen kann, wobei nur Informationen zum Durch-dringen einer Stahlverrohrung vorhanden sind [11].

Während der zweiten, der eigentlichen Messfahrt wird die Kaverne mittels des mit drei Ultraschallwandlern aus-gestatteten Messkopfes aufgenommen. Der Vorteil der aufwendigen installierten Winkelmesstechnik zeichnet sich gegenüber im angloamerikanischen Raum vorhandenen Messsystemen aus, da diese die Orientierung aus dem Inkrement der Schrittmotoren herleiten, was die Genauig-keit aufgrund der Inkrementfehler dieser Motoren senkt [12].

Die Signale werden am Bohrlochansatz ausgewertet. Dieses Handling der Rohdaten dient der Plausibilitäts-kontrolle und der Sicherstellung von Überschneidungen im Aufmaß der Kaverne. Jeder Bereich wird mindestens 5-fach abgetastet und so 4-fach korreliert [13].

Das Ergebnis stellt eine durch Algorithmen inter-pretierte Auswertung der Rohdaten dar und hängt im wesentlichen von der Genauigkeit im Messen der medi-umseigenen Schallgeschwindigkeit ab. Hier wurden durch die Physikalisch-Technische Bundesanstalt Genauigkeiten von unter 1 ‰ nachgewiesen [14].

Im Lösungsbergbau der Salinen Austria AG wird die Sonarvermessung seit mehreren Jahrzehnten eingesetzt [15]. Allerdings muss beachtet werden, dass hier das Son-denbohrverfahren angewendet wird. Ein Messbericht der Kaverne SCH 1 im Werk Altausse dokumentiert einen der-artigen Messablauf [16]. Die Dimensionen der Messgeräte sind hinsichtlich der räumlichen Begebenheiten in Berch-tesgaden als problemlos durchführbar anzusehen.

Ein Problem stellt jedoch die Führung der Sonde im Fördertrum der Berchtesgadener Bohrspülwerke dar. Es müsste möglicherweise der gesamte Ankehrschacht als Kavernenhals aufgenommen werden. Weitere Möglich-keiten sind das Führen der Sonde in einem Wassereinlauf-rohr, wobei keine Angaben zum Schwingverhalten von PVC-Rohren vorhanden waren [17]. Eine dritte Möglichkeit ist die Führung in der verrohrten Untersuchungsbohrung. Eine Entleerung des Werkes wäre nicht vorgesehen, da der luftgefüllte Teil des Hohlraumes ähnlich dem im Bericht über SCH 1 erwähnten Pressluftblanket zur Totalreflektion

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In einer weiteren Messkampagne der Universität der Bundeswehr München wurden 4 Hohlräume erfasst, im Falle von Bohrspülwerk 11 zeigte sich eine ausgeprägte Schmetterlingsform, welche aber durch angepasste Auf-stellungen beiderseits der Engstelle vollständig erfasst werden konnte [25]. Die Orientierung erfolgte über ein Schachtdoppellot mit angehängten Latten, das Targets an beiden Enden trug [26].

eine Teilvermessung des Hohlraumes im Bussolenverfah-ren gewährleistet [24]. Eine weitere Testmessung fand im touristisch genutzten Hohlraum des von-Senna-II-Sinkwer-kes statt, wobei die Aufnahmen mit einer vorhergehenden tachymetrischen Erfassung des Hohlraumes verglichen wurden und keine Abweichungen größer 5 cm festzu-stellen waren. Auch unter sehr flachen Auftreffwinkeln auf die Ulme lieferte das Haselgebirge zufriedenstellende Reflexionswerte.

Abb. 4: Geologische Aufnahme der 9. Vermessung von Bohrspül-werk 11 [1]

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7. Ergebnisse

Das echometrische Verfahren konnte die Anforderung eines standardisierten Verfahrens zur Abdeckung aller Hohlraumgrundrisse nicht erfüllen. Das terrestrische Laserscanning erfüllt die an ein alternatives Verfahren gestellten Anforderungen und reduziert den Zeitaufwand um 31 Personalstunden. Mit den Laserstandpunkten auf Booten ist das Verfahren flexibel genug, um ohne Vor-erkundung auf die Hohlraumform reagieren zu können.

Trotz der Möglichkeit, die Scanner über Kopf einzuset-zen, scheidet die Möglichkeit eines Ankerns des Geräte-standpunktes in den Himmel aus, da ein Ausbrechen des Ankers zum Totalausfall des Gerätes führen würde. Es bleibt der bootsgestütze Scannerstandpunkt. Dieser wird mit in die Firste getriebenen Gewindebolzen und Ösen-muttern mit Hilfe handelsüblicher Spanngurte verspannt. Der Standpunkt des Scanners wird tief gehalten, um das induzierte Drehmoment während der Messung klein zu halten. Der bei den Vorversuchen verwendete Imager 5006 von Zoller + Frohlich mit einer Masse von 14 kg lieferte bei einer Montage auf dem Pontonfloß und einer Fixierung mit vier Spanngurten Reproduzierbarkeiten von 5 mm [27] (Abb. 5).

Da bisherige Versuche nur auf die Durchführbarkeit abzielten, wurde im Rahmen der Bachelorarbeit ein in-situ Versuch unternommen, bei dem der Arbeitsablauf einer Vermessung ohne Vorkenntnisse des Werkes durchgeführt und mit der entsprechenden Bussolenvermessung vergli-chen wurde. Die Orientierung erfolgte über ein Einfachlot mit angehängtem Target. Der Anschluss wurde durch drei mit der Bussole eingemessenen Targets und das Schacht-lot realisiert. Die Aufhängung des Plastikbootes konnte aufgrund der geringen Masse des TX5 auf zwei Spann-gurte reduziert werden. Die Positionierung und Fixierung des Scanners erwies sich als sehr einfach und von zwei Personen handhabbar. Bei einem Standpunkt wurde das Boot auf die Lasitböschung gezogen und ohne Verspan-nung gemessen [28].

Es zeigte sich die Realisierbarkeit beliebiger Schnitte aus der Zusammenführung der Daten, was auch das Pro-blem der geomechanisch notwendigen Aufnahme von Abschlusskuppeln löst. Eine geplante zusätzliche Kontrolle auf grobe Fehler (übersehene Nebenarme) durch eine Gegenüberstellung des ermittelten Luftraumvolumens mit der durch Röhrlkästen ermittelten Auslaufmenge wurde noch nicht realisiert. Durch das berührungslose Verfahren können kritische Bereiche gemieden und so die Sicherheit und der Gesundheitsschutz für die Mitarbeiter verbessert werden (Abb. 6).

Die Aufstellung der Arbeitszeiten ist in Tab. 2 ersichtlich.

Tabelle 2:

Personalstunden bei einer Bohrspülwerksvermes-sung mit terrestrischem Laserscanning [1]

Tag Tätigkeit Zeit [h] VT H Personal-stunden [h]


Einbau Lot/Teufenmessung 1 1 1 2

Netzerkundung/Vermar-kung

3 1 1 6

Messungen Laserscanner 2,5 1 1 5



Messungen Laserscanner 6,5 1 1 13


3 Auswertung 4 1 0 4


Geol. Aufnahme unter-stützen

4,5 1 0 4,5


Gesamtzeitaufwand [h] 43,5

VT Vermessungstechniker, H Hauer

Abb. 6: Höhenlinienmodell in 10 cm Teufenschritten der Scannerauf-nahme von Bohrspülwerk 15 [1]

Abb. 5: Visualisierung der 7 Scannerstandpunkte bei der Aufnahme von Bohrspülwerk 15 [1]

Originalarbeit


12. Socon Sonar Control Kavernenvermessung GmbH (Hrsg.): Sonar-Sonde: Typ BSF II, Datenblatt, Giesen, 2012, S. 1f

13. Reitze, A., Hasselkus, F., Stahl, T.: Durchführung von Echometri-schen Hohlraumvermessungen zur Überwachung von Kavernen, Vortrag am 11. Geokinematischen Tag in Freiberg, Sonar Control Kavernenvermessung GmbH, Giesen, 2010, S. 8f

14. Reitze, A., Hasselkus, F., Tryller, H.: Ultrasonic survey of the Altaus-see SCH1 cavern, Bericht, Sonar Control Kavernenvermessung GmbH, Giesen, 2003, S. 6

15. Hoscher, M.: Entwicklung eines Abbaumodelles für die Bohr-lochsolegewinnung im Alpinen Salzbergbau, Institut für Berg-baukunde, Bergtechnik und Bergwirtschaft, Montanuniversität Leoben, 1984, S. 89f/S. 211


17. Tryller, H.: Echometrische Hohlraumvermessungen durch die Wandung der Verrohrung, Bericht, Sonar Control Kavernenver-messung GmbH, Giesen, 1998, S. 4f


19. Tryller, H.: Echometrische Hohlraumvermessungen: Hinter- und Untersolungen durch verdeckte, abgeschattete Bereiche, Bericht, Sonar Control Kavernenvermessung GmbH, Giesen, 1998, S. 3

20. Rietdorf, A.: Automatisierte Auswertung und Kalibrierung von scannenden Messsystemen mit tachymetrischem Messprinzip, Fakultät IV – Bauingenieurwesen und Angewandte Geowissen-schaften, Technische Universität Berlin, 2005, S. 13

21. Rietdorf, A.: Automatisierte Auswertung und Kalibrierung von scannenden Messsystemen mit tachymetrischem Messprinzip, Fakultät IV – Bauingenieurwesen und Angewandte Geowissen-schaften, Technische Universität Berlin, 2005, S. 16 ff

22. Trimble Germany GmbH (Hrsg.): Trimble TX 5 Scanner, Datenblatt, Raunheim, 2012, S. 2

23. Deutscher Markscheider-Verein e. V.: Grundsätze zum Einsatz von luftgestützen und terrestrischen Laserscanneraufnahmen im Bergbau, Positionspapier, Arbeitsgruppe Laserscanning, DMV e. V., Herne, 2008, S. 5

24. Timm, C.: Optimierung der Georefenzierung/ Registrierung von terrestrischen Laserscans in Bohrspülwerken, Oberseminararbeit, Fakultät für Bauingenieur- und Vermessungswesen, Institut für Geodäsie, Universität der Bundeswehr München, 2010, S. 15

25. Timm, C.: Optimierung der Aufnahme und Auswertung von Bohr-spülwerken mittels terrestrischem Laserscanning, Fakultät für Bauingenieur- und Vermessungswesen, Institut für Geodäsie, Uni-versität der Bundeswehr München, 2011, S. 6f

26. Neumann, I. et al.: Periodisch wiederkehrende Laserscanner-aufnahmen der Bohrspülwerke des Salzbergwerkes Berchtes-gaden, Fakultät für Bauingenieur- und Vermessungswesen, Institut für Geodäsie, Universität der Bundeswehr München, 2010, S. 6

27. Neumann, I. et al.: Periodisch wiederkehrende Laserscannerauf-nahmen der Bohrspülwerke des Salzbergwerkes Berchtesgaden, Fakultät für Bauingenieur- und Vermessungswesen, Institut für Geodäsie, Universität der Bundeswehr München, 2010, S. 11

28. Becker, F.: Ein Vergleich geeigneter markscheiderischer Messver-fahren zur Hohlraumvermessung im Lösungsbergbau am Beispiel der Südsalz GmbH, Salzbergwerk Berchtesgaden, Bachelorarbeit, Lehrstuhl für Bergbaukunde, Bergtechnik und Bergwirtschaft, Montanuniversität Leoben, 2013, S. 24

PVC-Targets können einfach befestigt werden und senken den Auswerteaufwand. Die Orientierung über ein Schacht-lot funktioniert in der Kombination mit schon vorhande-nen Geräten sehr gut. Die gewonnenen Informationen stehen in besserem Verhältnis zur investierten Arbeitszeit als beim bisherigen Verfahren. Aus der Sicht des Verfas-sers ist das terrestrische Laserscanning nach der in der Bachelorarbeit erfolgten Amortisationsrechnung daher zu empfehlen.

Literatur

1. Becker, F.: Ein Vergleich geeigneter markscheiderischer Messver-fahren zur Hohlraumvermessung im Lösungsbergbau am Beispiel der Südsalz GmbH, Salzbergwerk Berchtesgaden, Bachelorarbeit, Lehrstuhl für Bergbaukunde, Bergtechnik und Bergwirtschaft, Montanuniversität Leoben, 2013

2. Kellerbauer, S.: Geologie und Geomechanik der Salzlagerstätte Berchtesgaden, Münchner Geologische Hefte B2, Lehrstuhl für Allgemeine, Angewandte und Ingenieur-Geologie, Technische Universität München, 1996, S. 28

3. Kellerbauer, S.: Geologie und Geomechanik der Salzlagerstätte Berchtesgaden, Münchner Geologische Hefte B2, Lehrstuhl für Allgemeine, Angewandte und Ingenieur-Geologie, Technische Universität München, 1996, S. 34

4. Ambatiello, P.: Erstellung von Großhohlräumen im alpinen Sali-nar unter besonderer Berücksichtigung der dabei anfallenden Feststoffe, Fakultät für Bergbau, Hüttenwesen und Maschinenwe-sen der Technischen Universität Clausthal, 1981, S. 32

5. Müller und Hereth Ingenieurbüro für Felsbau GmbH (Hrsg.): Salz-bergwerk Berchtesgaden, Geomechanische Modellrechnung zur Vergrößerung der Abbauhohlräume auf der 1. TBS, Freilassing, 2003, S. 103

6. Heister, H.: Untersuchung von zwei Fluxgate-Bussolen für die Südsalz GmbH, Salzbergwerk Berchtesgaden, Forschungsbericht, Fakultät für Bauingenieur- und Vermessungswesen, Institut für Geodäsie, Universität der Bundeswehr München, 2007, S. 8f



9. Reitze, A. et al.: Stand der Technik bei der echometrischen Über-wachung von Kavernen, Vortrag am 12. Geokinematischen Tag in Freiberg, Sonar Control Kavernenvermessung GmbH, Giesen, 2011, S. 9

10. Reitze, A. et al.: Stand der Technik bei der echometrischen Über-wachung von Kavernen, Vortrag am 12. Geokinematischen Tag in Freiberg, Sonar Control Kavernenvermessung GmbH, Giesen, 2011, S. 11

11. Tryller, H.: Echometrische Hohlraumvermessungen durch die Wandung der Verrohrung, Bericht, Sonar Control Kavernenver-messung GmbH, Giesen, 1998, S. 1 ff

Über markscheiderische messverfahren zur hohlraumvermessung im lösungsbergbau der südsalz gmbh,...

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