Development of an acoustic geo-scanner for the detection of unconsolidated rocks and cleavage areas

Der akustische Geo-Scanner - Eine innovative Entwicklung für die Industrie der Bau- und Bergbaumaschinen

Die erfolgreiche Umsetzung von Bauvorhaben sowie eine energieeffiziente und qualitätsgesteuerte Gewinnung von mineralischen Rohstoffen im Lockergestein setzten die genaue Kenntnis über die Form und den Verlauf von gebirgsbildenden Schichten voraus.

Jüngere Sedimente der oberen Erdkruste auf denen Baumaßnahmen gründen oder Lagerstätten mineralischer Rohstoffe wie fossile Energierohstoffe, Industrieminerale oder Baurohstoffe, bilden entstehungsbedingt Wechsellagerungen von bindigen (Tone, Schluffe, Kohle) und nicht bindigen (Sande, Kiese) Schichten auf. Sowohl das Spannungsverformungsverhalten als auch die hydraulischen Eigenschaften dieser Ablagerungen sind signifikant unterschiedlich. Vor allem die bindigen Ablagerungen wie Tone beeinflussen die technische Realisierbarkeit, die Wirtschaftlichkeit und den Erfolg einer Baumaßnahme erheblich.

In der Rohstoffgewinnung bildet je nach Gewinnungsziel einer dieser Ablagerungen die Lagerstätte. Die Ablagerungen des Hangenden, des Zwischenmittels und des Liegenden sind unproduktiv. Sie werden als Abraum bezeichnet und belasten die Wirtschaftlichkeit des Bergbauprojektes direkt.

Diese in der Regel einem Projekt vorauseilenden gängigen Verfahren der Baugrund- bzw. der Lagerstättenerkundung liefern nur punktuelle Informationen über die tatsächlichen Gegebenheiten des Untergrundes. Sie dienen in ausreichendem Maße der Beurteilung der Machbarkeit eines Projektes, liefern jedoch keine detaillierten Angaben im Sinne der Qualitätssteuerung sowie tatsächliche Einhaltung eines vorgegebenen Horizonts im Untergrund. Die Erkundung bleibt stets als ein entscheidender Faktor im Zielkonflikt zwischen der Wirtschaftlichkeit und der Projektsicherheit.

Eine projektbegleitende Einsichtnahme in den tatsächlichen Gebirgsaufbau ist bei vielen Projekten des Baus und Bergbaus nicht oder nur ungenügend möglich. Der Einsatz von großen Gewinnungsgeräten wie Schaufelradbagger im Tagebau, jegliche Art de Nassgewinnung sowie Pfahlgründungen im Tiefbau sind Beispiele hierfür.

Der Lehrstuhl für Tagebau und Internationaler Bergbau an der Technischen Universität Clausthal hat zur Behebung dieser Problematik ein auf ein akustisches Messprinzip basierendes Verfahren – Geo-Scanner – zur Online Erkundung von Lockergestein entwickelt. Durch die Integration der Vorrichtung an Bau- und Bergbaumaschinen wird die Maschinentechnik optimiert. Hierdurch werden die Wirtschaftlichkeit, die Energieeffizienz und der Umweltschutz bei Bau- und Bergbauprojekten gesteigert.

Funktionsprinzip

Bei dem Geo-Scanner handelt es sich um ein akustisches Scan-Verfahren zur Bestimmung geogener Materialien.

Der akustische Materialscanner basiert auf dem einfachen physikalischen Prinzip des Körperschallverhaltens von Materialien. Die während des Eingriffs eines Lösewerkzeuges durch Reibung entstehenden Körperschallschwingungen bilden einen typischen Fingerabdruck der Gebirgsformation. Hierdurch ist eine Online-Detektion von Lockergesteinsarten möglich.

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Videopräsentation des Forschungsprojektes.​​​​​​​

Produktinnovation

Die Produktinnovation besteht in der Entwicklung eines einfachen, robusten Sensors, der den komplexen Anforderungen der industriellen Nutzung gerecht wird und die unzureichende visuelle Materialbeurteilung substituiert.

Die Merkmale des Geo-Scanners sind:

• Hohe mechanische Beanspruchbarkeit
• Witterungsunabhängigkeit
• Verschmutzungsunempfindlichkeit
• Lichtunabhängigkeit
• Kontinuierliche Messung
• Spektrum an Nutzungsmöglichkeiten

Anwendungsspektrum und Vorteile

Bergbau

• Ressourcenschonung und effektive Nutzung natürlicher Energievorräte
• Reduzierung des Energiebedarfs der Teilprozesse
• Trennflächenscharfe Gewinnung der Rohstoffe
• Vermeidung von Fremdbeimischungen
• Reduzierung von Ballaststoffen
• Optimierung der nachhaltigen Gestaltung von Bergbaufolgelandschaften – Rekultivierung
• Reduzierung des Verschleißes von Betriebsmitteln

Bauwesen

• Steigerung der Effizienz in der Pfahlgründung
• Materialschonung und Verschleißminderung
• Einhaltung geplanter Gründungstiefen
• Ergänzung von Baugrundinformationen
• Schaffung einer belastbaren Grundlage für eine mögliche Schadensregulierung