Überwachungsmessungen mit faseroptischen Sensoren in Endlagerbergwerken
Punktuelle und flächenhafte Messergebnisse werden für die Überwachungsmessungen von Bergwerken erhoben, die geometrische, geotechnische und physikalische Messgrößen (z.B. Kraft, Spannungen) beschreiben. Neben Tachymetern, Laserscannern, Messbändern, Neigungssensoren oder Multisensorsystem, werden elektronische Dehnungsmesssysteme verwendet. Oberflächennahe Veränderungen, wie z.B. Dehnungen in der Verschalung, werden mittels solcher Dehnungsmessstreifen bestimmt. Elektronische Dehnungsmessungen sind für die Bedingungen in einem Bergwerk meist nicht optimal geeignet, so dass faseroptische Sensoren (FOS) ein Alternative darstellen können. Für den Einsatz von FOS sprechen: Ein automatisches Überwachen, ein geringer Installationsaufwand, das Messen am und im Objekt, eine Immunität bei elektromagnetischen Einflüssen und ionisierender Strahlung, sowie eine hochaufgelöste örtliche und zeitliche Auflösung der Dehnungen. Eine Vielzahl an regelmäßigen Überwachungsmessungen in den Bergwerken der Bundesgesellschaft für Endlagerung (BGE) werden in Form von Konvergenzmessungen, als Tachymetermessungen oder mit Staffel-Extensometern durchgeführt. Diese Messungen erfordern, dass Bereiche des Bergwerkes für die Vermessungsarbeiten gesperrt werden, Messpersonal in Bereichen mit höherem Gefährdungspotenzial eingesetzt werden muss und die Bewetterung teilweise abgeschaltet wird. Des Weiteren sind Veränderungen der Längen bei Extensometermessungen nur mit großem Aufwand möglich. Um die Beeinträchtigungen für den Betrieb (insbesondere in der Einlagerungs- und Verschlussphase) zu minimieren, wird der Einsatz von FOS bei verschiedenen Überwachungsmessungen durch die BGE erprobt. FOS finden in der Bauwerksüberwachungsanwendung als quasiverteilte Sensoren, z.B. als Fiber-Bragg-Gitter (FBG) Sensoren an einem diskreten Ort oder als kontinuierlicher Sensor (engl. Distributed Optical Fiber Sensor, DFOS) Anwendung. Beim DFOS ist die gesamte Glasfaser der messende Sensor. Insbesondere die Eigenschaften der DFOS zeigen für die Weiterentwicklung der Überwachungskonzepte großes Potenzial, so dass zwei Anwendungsfälle näher betrachtet werden. Der erste Anwendungsfall ist die regelmäßige Standfestigkeitsüberprüfung von Schächten. Bei diesen Überwachungsmessungen sind relative Setzungen in den bis zu 1000 m tiefen Schächten, sowie Neigungen und radiale Veränderungen in einzelnen Messhorizonten zu bestimmen. Die relativen Stauchungen bzw. lokalen Höhenänderungen des Schachtes können mittels einem DFOS, der in der Schachtauskleidung entlang der Höhenachse installiert ist, bestimmt werden. Für die Anwendung können verschiedene faseroptische Messprinzipien, wie Brillouin- und Rayleigh-Backscatter angewendet werden, mit denen sehr hohe örtliche Auflösungen möglich sind. Mit zwei parallelen DFOS in einem Messhorizont kann die innere und äußere Dehnung in der Schachtauskleidung für jeden Punkt gemessen werden. Aus beiden Dehnungswerten können die Krümmungen bestimmt werden, mit welchen die radialen Ablagen durch zweifache Integration berechnet werden. Diese Methode ist bei Monsberger & Lienhart 2021 am Beispiel einer Tunnelbaustelle eingehend beschrieben und soll für die Schachtüberwachungsmessungen adaptiert werden. Im zweiten Anwendungsfall wird eine DFOS Faser als Extensometer eingesetzt. I.d.R. können mit Extensometern nur Längenänderungen in zuvor festgelegten Distanzen gemessen werden. Mit der Faser können theoretisch lokale Änderungen über die gesamte Faserlänge gemessen werden. Die verschiedenen Anwendungsfälle befinden sich in der Konzeptions- und Vorerprobungsphase, so dass im Vortrag erste Ergebnisse und Details zum Einsatz von FOS in Endlagerbergwerken präsentiert werden.