Entwicklung und Erprobung eines thermographischen Ansatzes zur Kunstharzerkennung bei der Installation von Gebirgsankern

Storoschewich, Violetta; Clausen, Elisabeth; Langefeld, Oliver

doi:43345

Entwicklung und Erprobung eines thermographischen Ansatzes zur Kunstharzerkennung bei der Installation von Gebirgsankern

Storoschewich, Violetta^RWTH*

2024

VerantwortlichkeitsangabeVioletta Storoschewich

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Verlag R. Zillekens 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-941277-52-6

ReiheAachener Schriften zur Rohstoff- und Entsorgungstechnik ; 109

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Druckausgabe: 2024. - 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
2024-01-19

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-05932
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/987923/files/987923.pdf

Einrichtungen

Projekte

Automated Bolt Reload – For underground Rock bolting rigs (17148) (17148)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ankerausbau (frei) ; Ankermörtel (frei) ; Infrarotthermographie (frei) ; Kunstharzerkennung (frei) ; infrared thermography (frei) ; resin detection (frei) ; rock bolt (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Der Ankerausbau ist eine bedeutende Methode zur Gebirgssicherung im untertägigen Bergbau, stellt jedoch eine anspruchsvolle und zeitaufwendige Tätigkeit dar. Angetrieben durch den Wunsch nach einer vollumfänglichen Automatisierung und Effizienzsteigerung des Ankerbohr- und -setzprozesses werden die Installationsmethoden stetig weiterentwickelt. Ein wichtiger Aspekt dabei ist der Einsatz von pumpfähigem Kunstharz als Ankermörtel zur Ankerverklebung. Bei der automatischen Kunstharzinjektion gehört die Einbringung einer zuvor festgelegten, fixen Menge Kunstharz zum Stand der Technik. Lokal variierende Gebirgsbedingungen finden dabei keine Berücksichtigung. Daher ist bislang ein manueller Eingriff erforderlich, wenn Kunstharz während eines Injektionsvorgangs aus dem Bohrloch austritt. Um die automatische Kunstharzinjektion bedarfsgerecht zu gestalten, ist eine sensorbasierte Erkennung eines Kunstharzaustritts während des Injektionsvorgangs notwendig. Beim exothermen Aushärtevorgang steigt die Temperatur des Kunstharzes über die Umgebungstemperatur an. Dabei wird Energie in Form von Wärme abgegeben. Die Infrarotthermographie kombiniert die Vorteile bildgebender Verfahren mit denen einer Temperaturerfassung und ist daher als Sensortechnologie von besonderem Interesse für diese Aufgabe. In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung und Erprobung eines sensorbasierten Ansatzes zur Kunstharzerkennung basierend auf Infrarotthermographie beschrieben. Die spezifizierten Anforderungskriterien sind Genauigkeit, Geschwindigkeit, Integrierbarkeit und Flexibilität. Die Machbarkeit der Integration des Infrarotkamerasystems wurde durch eine Testmessung im untertägigen Eisenerzbergwerk Kiruna des schwedischen Bergwerksbetreibers LKAB nachgewiesen. Die dabei gewonnenen Daten bildeten die Basis für die Entwicklung des thermographischen Ansatzes. Anhand einer Validierungsmessung in zwei weiteren Strecken des gleichen Bergwerkes wurde der entwickelte Algorithmus anschließend erfolgreich erprobt. Bei einem Kunstharzaustritt steigt der maximale Graustufenwert im Sichtfeld der Kamera durch die erhöhte Temperatur des Kunstharzes an. Jedoch ist eine alleinige Überwachung des maximalen Graustufenwerts nicht ausreichend, um eine zuverlässige Kunstharzerkennung zu realisieren. Wechselhafte Umgebungsbedingungen können die Lage der Absolutwerte beeinflussen. Zusätzlich treten intern im Messsystem Effekte auf, die ebenfalls einen Einfluss auf den Verlauf der Graustufenwerte haben. Um diese Einflüsse bestmöglich zu kompensieren wurde ein relativer Ansatz verfolgt. Im Rahmen dieser Arbeit konnte eine zuverlässige Erkennung auf Grundlage des entwickelten Ansatzes nachgewiesen werden. Für keine der Messungen wurde irrtümlich auf einen Kunstharzaustritt geschlossen. Der Einsatz eines anderen Kamerasystems in der Validierungsmessung belegte die flexible Übertragbarkeit des Ansatzes. Abhängig von der Installationsposition im Streckenmantel wurde teilweise die Sicht auf den zu installierenden Anker durch die Anordnung der Maschinenteile beeinträchtigt. Daher wurden konstruktive Anpassungen identifiziert, um diese Sichteinschränkungen zu minimieren.

Rock bolting is an important method for rock reinforcement in underground mining. However, it is a demanding and time-consuming task. Driven by the desire to fully automate the process and to increase its efficiency, the installation methods are constantly being developed further. An important aspect is the use of pumpable resin as a bonding agent for bolt installation. For the automatic resin injection, the application of a previously defined, fixed quantity of resin is state of the art. Locally varying rock conditions are not taken into account. Consequently, manual intervention is still required if resin escapes from the borehole during the injection process. To ensure that the automatic resin injection is tailored to the needs, a sensor-based detection of resin escape during the injection process is necessary. During the exothermic curing process, the temperature of the resin increases above the ambient temperature. Thereby, energy is released in the form of heat. Infrared thermography combines the advantages of vision systems and those of temperature measurement devices and is therefore a sensor technology of special interest for this task. In this thesis the development and testing of a sensor-based approach for resin detection based on infrared thermography are described. The specified requirement criteria are accuracy, speed, integrability, and flexibility. The feasibility of integrating the infrared camera system was proved by a test measurement in the underground iron ore mine Kiruna, owned by the Swedish mine operator LKAB. The acquired data formed the basis for the development of the thermographic approach. By means of a validation measurement in two other drifts of the same mine, the developed algorithm was then successfully tested. In case of a resin escape in the camera’s field of view, the maximum grayscale value rises due to the increased temperature of the resin. However, the monitoring of the maximum grayscale value alone is not sufficient to realize a reliable resin detection. Varying ambient conditions can influence the level of the absolute values. In addition, internal effects in the measurement system influence the course of the grayscale values. To compensate for these influences in the best possible manner a relative approach was taken. In this thesis a reliable detection based on the developed approach could be proven. For none of the measurements a resin escape was erroneously inferred. The use of another camera system in the validation measurement demonstrated the flexible transferability of the approach. Depending on the installation position in the drift, the view of the bolt being installed was sometimes obstructed by machine parts. Therefore, design adjustments were identified to minimize these sight restrictions.

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