Entwicklung eines Konzeptes zur sensorbasierten Löserdetektion während des schlagenden Beraubens

Radl, Alexandra; Clausen, Elisabeth; Langefeld, Oliver

doi:10.18154/RWTH-2023-09226

Entwicklung eines Konzeptes zur sensorbasierten Löserdetektion während des schlagenden Beraubens = Development of a concept for the sensor-based detection of loose rock during the mechanical scaling process using hydraulic impact hammers

Radl, Alexandra^RWTH*

2023

VerantwortlichkeitsangabeAlexandra Radl

ImpressumAachen : Verlag R. Zillekens 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-941277-51-9

ReiheAachener Schriften zur Rohstoff- und Entsorungstechnik des Instituts für Maschinentechnik der Rohstoffindustrie ; 108

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Druckausgabe: 2023. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Clausen, Elisabeth (Thesis advisor)^RWTH* ; Langefeld, Oliver (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-07-14

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-09226
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/969604/files/969604.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Bergbau (frei) ; Infrarotthermographie (frei) ; Löserdetektion (frei) ; acoustic emission (frei) ; berauben (frei) ; loose rock detection (frei) ; mining (frei) ; scaling (frei) ; thermal infrared (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Um dem wachsenden Bedarf an primären Rohstoffen, bedingt durch das globale Bevölkerungswachstum und steigende Lebensstandards, gerecht zu werden, müssen zunehmend tiefere Lagerstätten erschlossen werden. Damit einher gehen steigende Gebirgsdrücke sowie das Risiko einer zunehmenden Anzahl an Gebirgsschlägen. Als Folge wird das Berauben zunehmend an Bedeutung gewinnen. Ziel des Beraubeprozesses ist es, loses, aber noch nicht herabgefallenes Gestein, sogenannte Löser, kontrolliert zu entfernen und so eine sichere Arbeitsumgebung herzustellen. Das Berauben erfolgt entweder manuell oder maschinell. Unabhängig von der Methode des Beraubens kann der Prozess in drei Teilschritte gegliedert werden; die Detektion von Lösern, das kontrollierte Entfernen dieser sowie die abschließende Kontrolle, dass der Vorgang vollständig durchgeführt wurde. Bis heute erfolgt die Löserdetektion, die eine wichtige Voraussetzung für das kontrollierte Entfernen ist, subjektiv, basierend auf der Erfahrung der dafür verantwortlichen Person. Werden Löser nur unzureichend detektiert, besteht die Gefahr, dass zu wenig beraubt wird. Insbesondere beim maschinellen Berauben besteht darüber hinaus die Gefahr, dass zu viel beraubt wird, wenn Löser nicht korrekt detektiert werden. Innnerhalb dieser Arbeit wurde deshalb ein neuartiges Konzept zur sensorbasierten Löserdetektion während des schlagenden Beraubens, als Form des maschinellen Beraubens, entwickelt. Das Konzept basiert auf der Acoustic Emission Technologie und der Infrarotthermographie, die für die Löserdetektion eingesetzt werden, und umfasst weiterhin die Analyse der Sensordaten sowie die Integration in den Beraubeprozess. Die Detektion von losem Gestein mittels Infrarotthermographie beruht darauf, dass der Wärmefluss im Gebirge abgeschwächt oder unterbrochen wird, wenn ein Löser vorhanden ist. Dies führt zu unterschiedlichen Temperaturen und damit unterschiedlichen Emissionen der losen und festen Bereiche. Zu berücksichtigen ist jedoch, dass keine Unterschiede erkennbar sind, wenn ein thermisches Gleichgewicht vorherrscht. In diesem Fall müssen Ansätze zur Störung des thermischen Gleichgewichtes berücksichtigt werden. Der Einsatz der Acoustic Emission Technologie beruht auf einer indirekten Detektion. Dafür wurde der Acoustic Emission Sensor an der Beraubemaschine installiert und anschließend das beim Berauben entstandene Signal analysiert, um Rückschlüsse auf den Zustand des Gebirges zu schließen. In untertägigen Versuchsreihen wurde die prinzipielle Anwendbarkeit des Konzeptes nachgewiesen. Darauf aufbauend erfolgte die kritische Evaluation anhand eingangs definierter Kriterien. Das Konzept bietet das Potential, zukünftig hin zu einer Anwendung im Kontext eines Assistenzsystems weiterentwickelt zu werden und so zu einer Erhöhung der Sicherheit in untertägigen Bergwerken beizutragen. Bei einer zukünftigen Automatisierung des Beraubeprozesses kann das entwickelte Konzept ebenfalls einen Beitrag zur Löserdetektion leisten.

In order to meet the growing demand for raw materials due to global demographic growth and increasing standards of living, deeper deposits need to be exploited. This is accompanied by rising rock pressures and the risk of an increasing number of rock bursts. As a result, the scaling process will become more important to remove loose rock in a controlled manner to create a safe working environment. The scaling process is either conducted manually or using suitable machinery. In both cases, the process can be divided into three tasks, the detection of loose rock, the controlled removal and finally the evaluation that the loose rock has been fully removed. To date, loose rock detection, which is an important prerequisite for controlled removal, is done subjectively, based on the experience of the person responsible for it. If loose rock is only inadequately detected, there is a risk for too little scaling. Especially in the case of mechanical scaling, there is also a risk of scaling too much if loose rock is not detected correctly. Therefore, a novel concept for the sensor-based detection of loose rock during the mechanical scaling process using hydraulic impact hammers, was developed in this work. The concept is based on the acoustic emission technology and the infrared thermography, which are used for loose rock detection and furthermore includes the analysis of the sensor data as well as the integration of the concept into the scaling process. The detection of loose rock using infrared thermography is based on the fact that the heat flow in the rock mass is reduced or interrupted when there is loose rock. This results in different temperatures and thus different emissions of the loose and solid zones. However, it has to be noted that no differences are apparent when a thermal equilibrium exists. In this case, approaches to disturb the thermal equilibrium have to be considered. The application of the acoustic emission technology is based on an indirect detection. For this purpose, the acoustic emission sensor was installed on the scaling machine and the signal, that was generated during the scaling process was analysed to draw conclusions about the condition of the rock mass. The proof of concept was demonstrated in an underground mine. Based on this, a critical evaluation was carried out using criteria defined initially. The concept has the potential to be further developed into an application in the context of an assistance system in the future and thus to contribute to increasing safety in underground mines. With a future automation of the scaling process, the concept can also contribute to loose rock detection.

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