Untersuchung und Verbesserung stressabhängiger Komplianzeigenschaften bei Tiefen-Messungen des in-situ-Stresses basierend auf der anelastischen Dehnungsrückgewinnung (ASR)-Methode

Warum tief unter Tage herrschender Druck wichtig ist

Wenn Bergwerke und Tunnel immer tiefer in die Erde vordringen, wird der natürliche Druck im umgebenden Gestein zu einer zentralen Sicherheitsfrage. Wird diese verborgene Spannung unterschätzt, können Felsstöße, Einstürze und kostspielige Schäden die Folge sein. Direkte Messungen solchen Stresses viele Kilometer unter Tage sind schwierig und teuer, daher suchen Ingenieure nach verlässlichen, kostengünstigen Methoden. Diese Studie verfeinert eine vielversprechende Technik, die anelastische Dehnungsrückgewinnung (ASR) heißt, die die „Erinnerung“ an Belastungen in Gesteinsbohrkernen ausliest, und zeigt, wie man sie für sicherere Bauarbeiten in ultra-tiefen Schächten anpasst.

Spannungen aus Gesteinskernen ablesen

Wenn ein zylindrischer Gesteinskern aus großer Tiefe entnommen wird, verlagert er sich abrupt aus einer Hochdruckumgebung in normale Oberflächenbedingungen. Das Gestein federt zuerst fast sofort zurück, wie eine freigegebene Feder, und verändert sich dann langsam über Stunden bis Tage weiter. Diese verzögerte, zeitabhängige Formänderung ist als anelastische Dehnungsrückgewinnung bekannt. Indem Wissenschaftler diese winzigen Änderungen mit aufgeklemmten Dehnungsmessstreifen in mehreren Richtungen verfolgen, können sie rechnerisch auf die dreidimensionalen Spannungen schließen, die einst in der Tiefe auf das Gestein wirkten.

Ein besserer Labortest

Die Autoren konzentrierten sich auf Granitkerne, die aus mehr als 1,7 Kilometern Tiefe im Sanshandao-Goldbergwerk in China stammen. Im Labor formten sie die Kerne zu Normzylindern und belasteten sie unter sorgfältig kontrollierten Lasten, die einem Viertel und der Hälfte der uniaxialen Druckfestigkeit des Gesteins entsprachen (ein übliches Maß dafür, wie viel Druck das Gestein aushält). Nach dem Halten dieser Lasten für 24 oder 48 Stunden entlasteten sie und zeichneten auf, wie das Gestein in den folgenden zwei Tagen langsam zurückgewann. So konnten sie zwei Schlüsselgrößen berechnen, die beschreiben, wie das Gestein entspannt: eine, die mit Volumenänderungen zusammenhängt, und eine, die formverändernde Scherung beschreibt. Zusammen bilden diese „Komplianzen“ die Kalibrierung, die nötig ist, um Feld-ASR-Messungen in tatsächliche Spannungswerte umzusetzen.

Wie das Spannungsniveau das Reaktionsverhalten des Gesteins verändert

Die Experimente zeigten, dass das Rückgewinnungsverhalten des Gesteins nicht fest ist, sondern stark davon abhängt, welcher Spannung es ausgesetzt war. Bei beiden getesteten Spannungsniveaus näherten sich die Rückgewinnungskurven für Volumen- und Scheränderungen innerhalb von etwa 48 Stunden nach Entlastung stabilen Werten an. Längeres Halten der Last vor der Freigabe führte zu einer langsameren späteren Erholung, änderte aber das endgültige Plateau kaum. Entscheidenderweise variierte das Verhältnis zwischen Scher- und Volumenkomplianz, das lange als einfacher konstanter Wert von 2 angenommen wurde, für diese tiefen Granite tatsächlich zwischen etwa 1,85 und 2,48 und war bei höheren angelegten Spannungen größer. Mikroskopische Beobachtungen und akustische Emissionsüberwachung zeigten, dass dieses Verhalten mit dem Wiederöffnen und Wachsen winziger vorbestehender Risse sowie den unterschiedlichen Reaktionen von Mineralen wie Quarz, Feldspat und schwächeren Körnern wie Biotit und Calcit zusammenhängt.

Erprobung der Methode in einem echten Tiefschacht

Um zu prüfen, ob eine bessere Kalibrierung die Feldmessungen verbessert, wandte das Team die ASR-Methode auf Kerne aus einem vertikalen Schacht von mehr als 2.000 Metern Tiefe im selben Bergwerk an. Sie instrumentierten lange Kerne mit Arrays aus Dehnungsmessstreifen und akustischen Sensoren, überwachten die Dehnungsrückgewinnung etwa 72 Stunden lang und nutzten dann ihre im Labor gewonnenen Komplianzen—berechnet getrennt für verschiedene Spannungsniveaus—zur Schätzung der in-situ-Spannungen in der Tiefe. Diese Schätzungen wurden mit einem unabhängigen Referenzwert verglichen: hydraulischen Fracturing-Tests in nahegelegenen Bohrlöchern, die in der Felsbaupraxis weithin akzeptiert, aber in großer Tiefe kostspielig und technisch anspruchsvoll sind.

Ein klareres Bild der unterirdischen Kräfte

Der Vergleich zeigte, dass die ASR-Berechnungen, wenn sie Komplianzen verwendeten, die bei einem Viertel der Druckfestigkeit des Gesteins kalibriert worden waren—entsprechend dem typischen Verhältnis zwischen natürlicher vertikaler Spannung und Gesteinsfestigkeit in diesem Schacht—gut mit den hydraulischen Fracturing-Daten übereinstimmten. Unterschiede in den Haupt-Horizontalspannungen lagen im Allgemeinen im Bereich von wenigen Prozent und waren deutlich kleiner als die Fehler, die entstanden, wenn die traditionelle „Verhältnis = 2“-Vereinfachung verwendet wurde. Einfach gesagt zeigt die Studie, dass ASR genaue, wirtschaftliche Messungen tiefer Gesteinsspannungen liefern kann, aber nur, wenn die Laborkalibrierung die realen Spannungsbedingungen unter Tage nachbildet und genügend Zeit—mindestens zwei Tage—für die Stabilisierung der Rückgewinnung eingeräumt wird. Dieser verbesserte Ansatz bietet Bergbau- und Tunnelbauingenieuren ein schärferes, verlässlicheres Fenster in die Kräfte, die weit unter unseren Füßen wirken.

Zitation: 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

Schlüsselwörter: Tiefer in-situ-Stress, anelastische Dehnungsrückgewinnung, Granit-Gesteinsmechanik, unterirdische Schachte, Vergleich mit hydraulischem Frac