التحقيق وتعزيز خصائص المطاوعة المعتمدة على الإجهاد في قياسات الإجهاد العميق في الموقع باستخدام طريقة الاسترداد الزحزحي اللامرن (ASR)

لماذا يهم الضغط تحت الأرض العميقة

مع توغل المناجم والأنفاق أعمق في باطن الأرض، يصبح الضغط الطبيعي داخل الصخر المحيط مصدر قلق أساسي للسلامة. إذا تم تقدير هذا الإجهاد الخفي بأقل من قيمته الحقيقية، فقد تلي ذلك اندفاعات صخرية، انهيارات، وإخفاقات مكلفة. القياس المباشر لمثل هذا الإجهاد على عمق كيلومترات صعب ومكلف، لذا يسعى المهندسون إلى طرق موثوقة ومنخفضة التكلفة. تكرس هذه الدراسة تقنية واعدة تسمى الاسترداد الزحزحي اللامرن (ASR)، التي تقرأ "ذاكرة" الإجهاد المخزنة في نوى الصخور، وتوضح كيف يمكن ضبطها لأعمال إنشاء أكثر أمانًا في أعمدة عميقة جدًا.

قراءة الإجهاد من نوى الصخور

عندما يُقطع أسطوانة صخرية من أعماق الأرض، تنتقل فجأة من بيئة ضغط عالٍ إلى ظروف سطحية طبيعية. يرتد الصخر أولاً تقريبًا بشكل فوري، مثل زنبرك مضغوط يتم تحريره، لكنه يواصل بعد ذلك الزحف والتكيف ببطء على مدى ساعات إلى أيام. يعرف هذا التغير المتأخر المعتمد على الزمن باسم الاسترداد الزحزحي اللامرن. من خلال تتبع هذه التغيرات الصغيرة باستخدام مقاييس إجهاد ملصوقة في عدة اتجاهات، يستطيع العلماء استنتاج الإجهاد ثلاثي الأبعاد الذي كان يؤثر على الصخر في العمق.

بناء اختبار مختبري أفضل

ركز المؤلفون على نوى من الجرانيت أخذت من أعماق تزيد عن 1.7 كيلومتر في منجم سانشانداو للذهب في الصين. في المختبر، شكّلوا النوى إلى أسطوانات قياسية وضغطوها تحت أحمال محكمة التحكم تساوي ربع ونصف مقاومة الصخر للانضغاط أحادي المحور (مقياس شائع لمقدار الضغط الذي يمكن أن تحمله). بعد الاحتفاظ بهذه الأحمال لمدة 24 أو 48 ساعة، أطلقوا الضغط وسجلوا كيفية استرداد الصخر ببطء خلال اليومين التاليين. سمح ذلك بحساب متغيرين رئيسيين يصفان استرخاء الصخر: واحد مرتبط بتغيرات الحجم الكلي وآخر مرتبط بتغيرات القص المبدلة للشكل. تشكل هاتان "المطاوعة" معا المعايرة اللازمة لتحويل قياسات ASR الميدانية إلى قيم إجهاد فعلية.

كيف يغير مستوى الإجهاد استجابة الصخر

أظهرت التجارب أن سلوك استرداد الصخر ليس ثابتًا بل يعتمد بشدة على مقدار الإجهاد الذي تعرض له. تحت مستويي الإجهاد المختبرين، اقتربت منحنيات الاسترداد لتغيرات الحجم والقص من قيم مستقرة في غضون حوالي 48 ساعة بعد التحرير. جعل الاحتفاظ بالحمل فترة أطول قبل التحرير الاسترداد اللاحق أبطأ، لكنه لم يغير كثيرًا من قيمة اللوح النهائي. ومن الأهمية أن النسبة بين مطاوعية القص والمطاوعية الحجمية، التي كان يُفترض طويلاً أنها ثابت بسيط يساوي 2، تباينت فعليًا بين حوالي 1.85 و2.48 لهذه الجرانيتات العميقة وكانت أعلى عند الإجهاد الأكبر. كشفت الملاحظات المجهرية ومراقبة الانبعاث الصوتي أن هذا السلوك مرتبط بإعادة فتح ونمو شقوق صغيرة موجودة مسبقًا والاستجابات المختلفة للمعادن مثل الكوارتز والفلدسبار والحبيبات الأضعف مثل البيوتيت والكالسيت.

اختبار الطريقة في عمود عميق حقيقي

لفحص ما إذا كانت المعايرة الأفضل تحسن القياسات الميدانية، طبق الفريق طريقة ASR على نوى من عمود رأسي يزيد عمقه عن 2000 متر في نفس المنجم. زودوا نوى طويلة بمصفوفات من مقاييس الإجهاد وأجهزة استشعار صوتية، راقبوا استرداد الإجهاد لمدة نحو 72 ساعة، ثم استخدموا قيم المطاوعة المستخرجة من المختبر—المحسوبة بشكل منفصل لمستويات إجهاد مختلفة—لتقدير الإجهادات في الموقع على العمق. قورنت هذه التقديرات بمعيار مستقل: اختبارات التكسير الهيدروليكي المنفذة في آبار مجاورة، والتي تُعتبر مقبولة على نطاق واسع في هندسة الصخور ولكنها مكلفة وتتسم بتحديات تقنية على أعماق كبيرة.

صورة أوضح للقوى تحت الأرض

كشفت المقارنة أنه عندما استخدمت حسابات ASR قيم مطاوعة معامَرة عند ربع مقاومة الصخر للانضغاط—مطابقة للنسبة النمطية بين الإجهاد الرأسي الطبيعي ومقاومة الصخر في ذلك العمود—تابعت النتائج بيانات التكسير الهيدروليكي عن كثب. كانت الفروق في الإجهادين الأفقيين الرئيسيين بشكل عام ضمن بضعة في المئة، وهي أصغر بكثير من الأخطاء التي تظهر عند استخدام الاختصار التقليدي "النسبة = 2". ببساطة، تظهر الدراسة أن ASR يمكن أن يوفر قياسات دقيقة واقتصادية لإجهاد الصخور العميقة، لكن فقط إذا كانت المعايرة المختبرية تحاكي ظروف الإجهاد الحقيقية تحت الأرض وتتيح وقتًا كافيًا—لا يقل عن يومين—ليسقر الاسترداد. يوفر هذا النهج المحسن للمهندسين في التعدين والأنفاق نافذة أدق وأكثر موثوقية على القوى العاملة في أعماق الأرض.

الاستشهاد: Li, T., Xiang, P., Ji, H. et al. Investigation and enhancement of stress-dependent compliance characteristics in deep in-situ stress measurements based on anelastic strain recovery (ASR) method. Sci Rep 16, 11859 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39935-0

الكلمات المفتاحية: الإجهاد العميق في الموقع, الاسترداد الزحزحي اللامرن, ميكانيكا صخور الجرانيت, أنفاق مناجم تحت الأرض, مقارنة التكسير الهيدروليكي