In the continuous search for Hydrocarbon and Geothermal resources in the earth, wells are drilled for various purposes. Wildcat, Appraisal, Production and Injection wells are drilled for proper field development and operation. Based on the purpose and plan for the wells, trajectory and targets are defined. During drilling, continuous monitoring of trajectory, rock and fluid characteristics are required to achieve defined objectives. Measurement while Drilling (MWD) and Logging while Drilling (MWD) systems are included as part of the Bottom Hole Assembly (BHA) to perform continuous measurement and transmission of downhole data to the surface. Measured data are converted to binary form and transferred to the surface for further processing and interpretation. Several methods of data transfer are possible albeit with various pros and cons. Currently, the most widely used method of transfer still remains the Mud Pulse Telemetry (MPT) system which makes use of the mud (drilling fluid) within the system for transmission of data. The major focus of this research was to further expand the envelope in the research towards increasing data transmission rates using the mud siren, a form of mud pulse telemetry. This research includes practical investigations which was conducted within the unique Flow Loop Laboratory at the Institute of Drilling and Fluid Mining, TU Bergakademie Freiberg. Within the research, minor adjustments were made to the flow loop facility to align with realities expected on the Rig. Effects of the changes made were evaluated and presented. The pulser section of the flow loop was also redesigned and new mud sirens manufactured to allow for the practical investigation in series and parallel. The major concept for increasing data transmission rate investigated in this research is the Multifrequency Mud Siren transmission in series and parallel. Following up with previous research, simulation of the flop loop scenario using ANSYS CFX was done to allow for numerical evaluation of the multifrequency transmission concept. Simulation runs were performed with various scenarios both in series and parallel, results evaluated and analyzed thereafter. A little mention on the amplification theory was also investigated and results shown. For the practical experiments, the pulser section was redesigned to allow investigations both into the series and parallel conditions for multifrequency transmission. Various experimental flow runs were successfully performed, observations recorded, data analyzed using MATLAB and results discussed. In closing, a conceptual design that contributes towards the possible field application of the Multifrequency transmission concept was developed. The Compact Double Multifrequency Siren concept was designed to aid easier adaptation of the Multifrequency transmission concept both in series and parallel.:Table of Contents Declaration ii Abstract iii Acknowledgements v List of Abbreviations vi List of Symbols viii Table of Contents x 1. Introduction 1 2. Literature Review and Fundamentals 5 2.1. Historical perspective 5 2.1.1. Introduction 5 2.1.2. Mud Pulse Telemetry 6 2.1.3. Telemetry drill pipe 7 2.1.4. Electromagnetic telemetry 7 2.1.5. Acoustic Telemetry 8 2.2. Mud Pulse Telemetry devices 9 2.2.1. Positive Pulser 9 2.2.2. Negative Pulser 10 2.2.3. Mud Siren 11 2.2.4. Oscillating Shear Valve 12 2.3. Modulation Techniques for Data Transmission 13 2.3.1. Baseband Transmission 13 2.3.2. Passband Transmission 15 2.4. Signal Transformation and Processing 16 2.4.1. Fourier Transformation 17 2.4.2. Short time Fourier Transformation 17 2.4.3. Continuous Wavelet Transformation 18 2.5. Summary of Previous Research Work on the Flowloop 19 3. Flowloop setup and current changes 21 3.1. Description of Flowloop 21 3.1.1. General overview of Flowloop 21 3.1.2. Pulser Prototypes 25 3.2. Improvement in Flow Loop Set-Up 28 3.2.1. Pump Change Justification 28 3.2.2. Pump replacement 35 3.2.3. Analysis of Pump Replacement 36 4. ANSYS Modelling and Simulation of the Multi Frequency Mud Siren in Series and Parallel 47 4.1. Basics of Numerical simulation with ANSYS CFX 48 4.2. Mesh Generation and Quality 51 4.3. Modelling 53 4.4. CFX-Pre Set-up and Post view 54 4.5. Flow Simulation Results in Series and Parallel 57 5. Laboratory Investigation on the Multi-Frequency Mud Siren Concept 64 5.1. Experiment Background and setup 64 5.2. Laboratory Practical Results and Analysis 68 5.2.1. Series Transmission Test 1: Single Siren vs Double Siren, Same Frequency 69 5.2.2. Series Transmission Test 2: Double Siren, Multi Frequency 72 5.2.3. Series Transmission Test 3: Double Siren, Multi Frequency Data String Transmission 75 5.2.4. Parallel Transmission Test 1: Single Siren vs Double Siren, Same Frequency 79 5.2.5. Parallel transmission test 2: Double siren, multi frequency 82 5.2.6. Parallel transmission test 3: Double siren, multi frequency Data String Transmission 84 6. Discussion on the Multi-Frequency Mud Siren Simulation and Practical Results 89 6.1. Result Discussion 89 6.2. Challenges and Sources of Errors 93 7. Outlook 100 7.1 Future Work (Compact Multifrequency Mud Siren) 100 7.2 Recommendations 106 8. Conclusion 107 9. References 111 10. List of Figures 114 11. List of Tables 120 12. Appendix 121

Exploitation of difficult potash deposits requires the adaption of mining procedures to the specific local situation. Based on geomechanical models describing the expected rock mechanic behavior the mining procedure is planned and realized. Both mining surveying results and validation of geomechanical models are essential for a safe mining process. The text gives an overview about the current state of mining survey techniques and the procedure to ensure a successful Sylvinite mining process. The interaction of geomechanical prognosis, adapted mining techniques and proactive mining survey support the safe exploitation of difficult potash deposits. / Für die Gewinnung von Kalisalzen in anspruchsvollen Lagerstättenbereichen müssen vorhandene Abbauverfahren an die lokalen Verhältnisse angepasst werden. Auf der Grundlage standortspezifisch entwickelter, geomechanischer Modellvorstellungen zur Vorhersage des Gebirgsverhaltens wird der Abbau geplant und durchgeführt. Vorbereitende und begleitende messtechnische Beobachtungen ermöglichen die Validierung und ggf. erforderliche Anpassung der Modelle und schaffen so die Voraussetzung für einen sicheren Abbau. Der Beitrag soll einen Überblick über den aktuellen Stand der im Werk Werra eingesetzten Messtechnik geben sowie das gesamte Vorgehen am Beispiel eines erfolgreich durchgeführten Sylvinitabbaus in drei Phasen vorstellen. Das dargestellte Zusammenwirken von geomechanischer Prognose, Abbauanpassung und messtechnischer Beobachtung erlaubt die Durchführung eines sicheren Abbaus bei der Gewinnung anspruchsvoller Lagerstättenbereiche.

Die Grundwasserstände unterliegen in den Gebieten des Braunkohlenbergbaus permanenter, bergbaulich bedingter Veränderung. Im Einflussbereich der aktiven Braunkohlentagebaue überwiegen sinkende - im Bereich der ehemaligen Tagebaubereiche nach Einstellung der Wasserhaltungsmaßnahmen dagegen steigende Grundwasserstände. Der Grundwasserwiederanstieg im Verantwortungsbereich der LMBV mbH ist schon weit vorangeschritten aber noch nicht überall abgeschlossen. Im Zuge der Auswertung von regelmäßig durchgeführten Präzisionsnivellements wurden in den gewachsenen Randbereichen der in Flutung befindlichen Tagebauseen Hebungen festgestellt, die in ihrer räumlichen Ausdehnung und dem Betrag mit den Ergebnissen der Beobachtungen der Grundwasserstände korrelieren. Rückblickend werden die Zusammenhänge zwischen Grundwasserwiederanstieg und Hebungen des gewachsenen Bodens anhand von Beispielen von bereits gefluteten Tagebauseen aus dem Mitteldeutschen Braunkohlenrevier betrachtet. Die festgestellten Hebungen vollziehen sich längerfristig über mehrere Jahre. Die Hebungsbeträge erreichen maximale Werte von einigen Zentimetern - erreichen aber nicht die Beträge der früheren sümpfungsbedingten Senkungen. Schädliche Auswirkungen auf Bauwerke durch grundwasserwiederanstiegsbedingte Hebungen waren nicht zu erwarten und sind auch nicht eingetreten. / Water tables in lignite mining areas are characterized by a permanent mining-related variation. In the sphere of influence of the active lignite mines preponderates decreasing – in reach of the abandoned lignite mining areas in contrast increasing water tables. The groundwater resurgence within the areas of responsibility of LMBV mbH is widely pro-ceeded but yet not completed in all areas. In the course of the evaluation of regularly conducted precision levellings uplifts were detected in the natural boundary areas of post-mining lakes still in flooding progress. These uplifts correlate in their regional/areal dimension and magnitude with the results of the water tables. The coherence between groundwater resurgence and the uplifts will be examined retrospectively based on examples of flooded post-mining lakes from the mining area around the cities of Leipzig and Halle. The observed elevation take place over some years. The elevation amount reaches maximum values of a few centimeters, but doesn’t reach the amount of the former drainage caused subsidence. Adverse effects on buildings by groundwater resurgence caused elevation were not expected and didn’t occur so far.

Das Risswerk in analoger Form erfüllt die Anforderungen der Markscheider-Bergverordnung, wird jedoch immer weniger den betrieblichen und behördlichen Bedürfnissen gerecht. Die digitale Verfügbarkeit und Aktualität der Dokumentationen sowie der Daten bestimmen zunehmend die betrieblichen Prozesse für Planungen und Genehmigungen. Bei der Mitteldeutschen Braunkohlengesellschaft mbH wurde deshalb ein GIS-System etabliert, welches den Anforderungen nach Markscheider-Bergverordnung gerecht wird und darüber hinaus den Ansprüchen einer modernen, flexiblen und digitalen Betriebsführung genügt. / The German Risswerk (mine mapping) in analog form complies with the requirements of the Markscheider-Bergverordnung (a special German regulation for mining ordiance). Yet, it decreasingly meets the operational and administrative needs. The operational proceedings for planning and approvals are increasingly determined and defined by the digital availability and timeliness of the documentation and data. Therefore, MIBRAG has established a GIS system which not only complies with the Markscheider-Bergverordnung but also meets the demands of a flexible, up to date, and digital operational management.

Die dreidimensionale Positionsbestimmung unter Tage ist eine in der bergbautechnischen Praxis häufig gestellte Aufgabe. Die derzeit gebräuchlichen Verfahren basieren überwiegend auf zahlreichen relativen Messungen zwischen Festpunkten an der Erdoberfläche und dem zu bestimmenden Punkt unter Tage. Das hier vorgestellte Verfahren ist ein im geodätischen Sinn absolutes Verfahren. Die Punktbestimmung erfolgt direkt mit Hilfe der Festpunkte über Tage und dem unbekannten Punkt unter Tage. Relative Messungen zu benachbarten Punkten sind nicht notwendig. Die Grundlage des Verfahrens bildet die zeitliche Erfassung transienter elektromagnetischer Felder an einem zu bestimmenden Punkt unter Tage. Die Quellen dieser Felder sind gleichstromdurchflossene Drahtschleifen an der Erdoberfläche, die näherungsweise magnetische Dipole darstellen. Nach Abschalten des Stromes zerfällt das statische Magnetfeld und induziert elektrische Ströme in der leitfähigen Erde. Das transiente Magnetfeld wird unter Tage an einem Punkt für verschiedene Senderpositionen aufgezeichnet. Mit Hilfe eines Inversionsalgorithmus werden letztlich die dreidimensionalen Koordinaten des Messpunktes bestimmt. / Three-dimensional positioning in mines and caves is a common challenge. The methods currently used are based on numerous relative measurements. The method presented here is an absolute procedure in a geodesic sense. The coordinates of the unknown point are directly calculated using the surface points and the point underground. Relative measurements to neighboring points are not necessary. The localization procedure is based on recording transient electromagnetic fields under-ground. They are generated at the surface using direct-current carrying wire loops, which approximately represent magnetic dipoles. After shutoff the static magnetic field decays and induces electric currents in the conductive Earth. The transient electromagnetic field is recorded at an unknown point in the subsurface for different source positions. Finally, the three-dimensional coordinates of this point are reconstructed using an inversion algorithm.

Der vorliegende Beitrag beschäftigt sich mit Untersuchungen zur Entfernungsmessung terrestrischer Long-Range Laserscanner. Für diese Studie wurden dem Institut für Markscheidewesen und Geodäsie dankenswerter Weise von der Firma RIEGL ein Laserscanner VZ-4000 zur Verfügung gestellt. In diesem Beitrag werden der Versuchsaufbau erläutert und erste Ergebnisse des Soll-Ist-Vergleiches gezeigt. Die unterschiedlichen Einflussgrößen, wie Temperatur und Luftdruck, die bei Messungen auf große Entfernungen eine Rolle spielen, werden angesprochen. / This paper deals with actual researches for measuring distances of terrestrial long-range Laser scanners. The Institute for Mine Surveying and Geodesy had a laser scanner VZ-4000 by the company RIEGL easy and unconventional provided. The paper presents the experimental setup and the results of the target-actual comparison. Several influences, for example temperature and atmospheric pressure, are considered for long-range measurements.

Auf den Innenkippen nehmen mit dem Anstieg des Grundwassers die Zahl der Verflüssigungsereignisse und auch die Größe der verflüssigten Bereiche zu. Besonders davon betroffen ist der sogenannte Nordraum der Lausitz südlich von Lübbenau. Dort wurden deshalb Böschungskonturen vor und nach den Verflüssigungsereignissen über Jahre systematisch erfasst. Die erfassten Konturen wurden geokinematisch analysiert, um charakteristische Bewegungsmuster erkennen und beschreiben zu können. Das Ergebnis ermöglicht eine neue Klassifizierung der auf Innenkippen auftretenden Verformungsvorgänge. Darauf aufbauend, entstand eine neue Methodik zur Berechnung der Standsicherheit verflüssigungsgefährdeter Innenkippenflächen deren Basis die Theorien des Erddrucks und Hydromechanik sind. Für den Nachweis des horizontalen Gleichgewichts einer Böschung wird ein Kräfte-, für das der vertikalen, ein Momentenvergleich hergeleitet. Mit einem hydromechanischen Ansatz ist es auch möglich, zusätzlich die Endgeometrie der sich nach der Verflüssigung einstellenden Böschung zu berechnen. Die Ergebnisse der Standsicherheitsberechnungen und der geometrischen Endkonturen zeigen überraschende Übereinstimmungen mit den erfassten gegangenen Böschungsbewegungen.

Zur Überwachung geotechnischer Schwerpunktbereiche kommen in den Tagebauen der Lausitz Energie Bergbau AG unterschiedliche Systeme zum Einsatz. Eine hohe Flexibilität und erweitere Einsatzmöglichkeiten ergaben sich durch die Verbindung einfacher GNSS-Empfänger und geotechnischer Sensoren zu einem Gesamtsystem (A07Geo). Darüber hinaus werden A07-Empfänger zur Bewältigung vielfältiger Fragestellungen herangezogen. Zwei im Bestand der Markscheiderei befindliche UAV’s eröffnen die Möglichkeit, bei geotechnischen Ereignissen schnellstmöglich auch georeferenziertes Bild- und Videomaterial sowie daraus resultierend Volumenbestimmungen und weiterführende Messungen zur Verfügung zu stellen. Daneben werden aktuell geotechnische Einsatzszenarien für eine Wärmebildkamera näher untersucht.

Die Rückstandshalden des Kalibergbaus bestehen überwiegend aus Steinsalz. In Abhängigkeit der Stabilität des Untergrundes sowie der Haldenhöhe neigen diese Halden dazu sich plastisch zu verformen. Diese Deformationen gilt es frühzeitig zu erkennen und zu bewerten. Das neue gestaffelte Monitoringkonzept beruht auf langjährigen Erfahrungen, die ebenso kurz vorgestellt werden. / Tailing heaps of potash mining consist predominantly of rock salt. Depending on the stability of the underground, as well as the heights of the heaps, these heaps tend to deform plastically. These deformations must be recognized and assessed at an early stage. The new graduated monitoring concept is based on many years of experience, which are also briefly presented.

Der Zugang zu wirtschaftsstrategischen Bodenschätzen ist für moderne Industriegesellschaften von essenzieller Bedeutung. Für Deutschland besteht für die Versorgung mit nichtenergetischen Rohstoffen wie Stahlveredlern und Seltenen-Erden eine weitgehende Importabhängigkeit. Vorhandene heimische Lagerstätten weisen eine komplexe geologische Struktur mit geringen Abbaumächtigkeiten in großen Teufen auf. Um diese Lagerstätten nutzen zu können, soll ein untertagetaugliches Positionierungs- und Navigationssystem, UPNS4D+, für die Erkundung der Lagerstätte entwickelt und als Demonstrationssystem gebaut werden. Das Institut für Markscheidewesen und Geodäsie der TU Bergakademie ist Teil des Entwicklerkonsortiums. Es ist zuständig für die markscheiderische und bergmännische Nutzbarkeit der mit dem Erkundungssystem gewonnen Daten. Entsprechend dem aktuellen Arbeitsfortschritt werden im vorliegenden Beitrag die Lösungen für die Kluftflächen- und die Haufwerksanalyse vorgestellt. Die teilautomatisierte Haufwerksanalyse dient der Detektion großer Partikel und deren Lagebestimmung in einem relativen Koordinatensystem. / Access to strategic mineral resources is essential for modern industrial societies. Germany is largely dependent on imports of non-energy raw materials such as steel refiners and rare earth elements. Existing indigenous deposits have a complex geological structure with low extraction thickness in large depths. In order to use these deposits, an underground positioning and navigation system, namely UPNS4D+, as a demonstration system has to be developed for deposit exploration. As part of the developer consortium, the Institute for Mining Surveying and Geodesy of the TU Bergakademie Freiberg is responsible for the utilization of the acquired data in the field of mining. According to the current work status, in this paper the solutions for rock fracture analysis and grain size analysis are presented. The partly automated grain size analysis is used for the detection of large particles and their position in a relative coordinate system.