Beitrag zum 7. Internationalen Bergbauworkshop, 29.9-2.10 2004, Clausthal-Zellerfeld, Harz

Magnetfeld - Peilmethode - Zur schnellen Einmessung untertägiger Messpunkte in Bezug zur Oberfläche

Michael Kitzig, GAG

Problemstellung war die schnelle und dennoch hinreichend genaue Projektion eines Punktes untertage, z.B. in einem Stollen, an die Erdoberfläche ohne die Anwendung zeitraubender trigonometrischer Verfahren.

Vorgestellt wird ein Peilverfahren auf der Grundlage niederfrequenter magnetischer Felder.

Was kann die Methode leisten?

- Durch die Wahl mehrerer ausgewählter Messpunkte kann der (nicht risskundige) Verlauf einer Strecke schnell überschlägig ermittelt werden. (Das Impuls/Pausenverhältnis des Senders lässt sich verändern und somit kann eine Zuordnung zu verschiedenen Messpunkten erfolgen.)

- Verfüllte Lichtlöcher oder planierte Tagesbrüche lassen sich leicht lokalisieren, sofern sie untertage zugänglich sind.

- Verschüttete / verbrochene Mundlöcher lassen sich mit der Horizontalmessung am Hang lokalisieren.

- Die Vertikalmessung kann einen Hinweis auf die Länge des Verbruches einer Strecke geben.

- Im Unglücks – oder Bergschadensfall ist eine schnellstmögliche Lokalisation möglich

Physikalische Grundlagen:

Elektromagnetische Wellen sind grundsätzlich in der Lage, feste Materie wie Gestein zu durchdringen. Die Eindringtiefe wächst mit der Zunahme der Wellenlänge bzw. Abnahme der Frequenz.

Mit Frequenzen unter 100 kHz lassen sich in der Praxis Reichweiten von einigen hundert bis etwas über tausend Meter erzielen, d.h., die nutzbare Reichweite liegt noch weit unterhalb einer Wellenlänge.

Die magnetische Komponente des Feldes lässt sich zudem leicht exakt vertikal oder horizontal ausrichten.

Die elektrische Feldkomponente ist für das Verfahren nicht erforderlich und wird senderseitig unterdrückt, so dass von einer elektromagnetischen Strahlung im engeren Sinne nicht mehr gesprochen werden kann.

Das  Prinzip:

Es wird untertage an dem einzumessenden Punkt ein Bakensender platziert, welcher an eine magnetische Antenne angeschlossen ist (das elektrische Feld wird unterdrückt).

Dieser generiert ein im Längstwellenbereich , hier 10 kHz , liegendes magnetisches Feld, welches durch das darüber befindliche Gestein keine nennenswerte Dämpfung erfährt und mit Feldlinien einer definierten Konfiguration an die Oberfläche tritt.

Zur Erzielung einer hinreichenden Genauigkeit muß das Feld, je nach Einsatzzweck, genau vertikal oder Horizontal ausgerichtet werden.

Die Feldlinien können an der Oberfläche in ihrem Verlauf und ihrer Amplitude gemessen werden, was Rückschlüsse auf die Lage des untertägigen Messpunktes sowie unter Umständen auch seiner Tiefe unter der Oberfläche zulässt.

Die komplette Anlage besteht aus:

Eine leichte Elektronikeinheit und eine zerlegbare Rahmenantenne, damit eine leichter Transport im Rucksack bis vor Ort gewährleistet ist.

Der Antennenrahmen wird nach seinem Aufbau mittels einer Wasserwaage exakt horizontal ausgerichtet, damit ein genau senkrecht stehendes Feld erzeugt wird.

Der Sender erzeugt etwa 8 W Strahlungsleistung und kann in der vorliegenden Form etwa 3-4 Stunden im Dauerbetrieb arbeiten.

Peileinrichtung übertage:

Besteht aus einer neigbaren Ferritantenne und einem auf 10 kHz frequenzselektiven Pegelmesser, welcher einen Umsetzer von 10 kHz auf gut hörbare 400 Hz beinhaltet.

Die Anzeige erreicht ein Maximum, wenn die Achse der Ferritantenne genau parallel zum Feldlinienverlauf liegt.

Durchführung der Messung:

Im vermuteten Bereich wird mit auf 45° geneigter Antenne das Gelände ab gelaufen, bis ein Signal hörbar ist und dieses dann grob zu seinem Maximum verfolgt.

Da die Feldlinien „trichterförmig“ aus dem Boden austreten, lässt sich der an die Oberfläche projizierte Messpunkt durch kreisförmige Suchbewegungen in wenigen Minuten grob einkreisen und durch einmessen der lotrechten Feldlinien exakt lokalisieren.

Direkt über dem Messpunkt stehen die Feldlinien senkrecht und haben auch die größte Amplitude.

Es ist je Messung mit einem Zeitaufwand von 5 – 15 Minuten, je nach Übung und Geländebeschaffenheit, zu rechnen.

Die Messung des lotrechten Magnetfeldes im Schema:

Bestimmen der Länge eines Verbruches

Bestimmung der Lage eines verbrochenen Mundlochs am Hang

Bisherige praktische Erfahrungen:

in der ersten beiden Fällen wurde ein durch vorhandenes Risswerk genau bekannter Punkt übertage eingepeilt.

1.) Grube Gustav bei Eschwege: Blindschacht mit 48 m Überdeckung, Genauigkeit der Messung übertage lag um 1,5 m im Durchmesser. Das Stahlgerüst der Anlage untertage hatte keinen Einfluss auf das Messergebnis!

2.) Ernst August Stollensohle der Grube Lautenthalsglück im Harz: Strecke mit ca. 120 m Überdeckung und starker Mineralisation. Meßgenauigkeit über Tage ca. 3-6m. Starke Störungen durch im Messbereich verlaufende Stromleitungen. (diese bedeuteten hier auch die nutzbare Grenzreichweite). Fernab von Stromleitungen ist mit einer etwas größeren Reichweite zu rechnen.

3.) In der Scholmzeche, Bad Lauterberg wurde eine Horizontalmessung vorgenommen. Die Sendeantenne wurde dazu senkrecht in der Strecke aufgestellt und der rechtwinklig zur Strecke Liegende Punkt am Hang übertage in ca. 20 m Entfernung mit einer Genauigkeit von wenigen 10 cm ermittelt. Auch hier haben sich keine Störungen durch mögliche Feldverzerrungen am stählernen Grubenausbau gezeigt!

4.) Schlebuscher Erbstollen, Wetter, Ruhrgebiet: Einmessen mehrerer Lichtlöcher, welche im Wohngebiet zwischen Gebäuden liegen. Maximale Teufe: 25m.

5.) In der Morassina, Schmiedefeld in Thüringen: Einmessen eines verbrochenen Stollens, welcher übertage nicht mehr lokalisierbar war. Überdeckung ca. 4m, Messgenauigkeit der Vertikalmessung im Zentimeterbereich.

Technische Daten Sender:

Gewicht: komplett mit Antenne ca. 3 kg

Arbeitsfrequenz: 10 kHz

Strahlungsleistung: ca. 8W

Betriebsdauer:3-4 Stunden

Antenne: magnetische Schleife, zerlegbar für Rucksacktransport, incl. Wasserwaage zum ausrichten

Technische Daten Empfänger: F requenzselektiver Pegelmesser (modifiziertes Trassensuchgerät)

Arbeitsfrequenz: 10 kHz, intern umgesetzt auf hörbare 400 Hz

Bandbreite: 3Hz/6dB

Antenne: Ferritstabantenne, neigbar 0-90°