Indagine e miglioramento delle caratteristiche di compliance dipendenti dallo sforzo nelle misure di tensione in situ in profondità basate sul metodo di recupero anelastico di deformazione (ASR)

Perché la pressione in profondità è importante

Man mano che miniere e gallerie raggiungono profondità sempre maggiori nella Terra, la pressione naturale all'interno delle rocce circostanti diventa una preoccupazione centrale per la sicurezza. Se questo sforzo nascosto viene sottostimato, possono verificarsi esplosioni di roccia, cedimenti e guasti costosi. Misurare direttamente tali tensioni a chilometri di profondità è difficile e costoso, quindi gli ingegneri cercano metodi affidabili e a basso costo. Questo studio perfeziona una tecnica promettente chiamata recupero anelastico di deformazione (ASR), che legge la “memoria” di stress immagazzinata nei campioni litici, e mostra come ottimizzarla per una costruzione più sicura in pozzi ultra-profondi.

Leggere lo sforzo dai campioni di roccia

Quando un nucleo roccioso cilindrico viene estratto da grandi profondità, passa rapidamente da un ambiente ad alta pressione alle condizioni normali di superficie. La roccia si rilascia inizialmente quasi istantaneamente, come una molla compressa che viene liberata, ma poi continua a fluire e ad adattarsi lentamente per ore o giorni. Questo cambiamento ritardato e dipendente dal tempo nella forma è noto come recupero anelastico di deformazione. Tracciando queste minuscole variazioni con estensimetri incollati in più direzioni, gli scienziati possono risalire alla tensione tridimensionale che agiva sulla roccia in profondità.

Costruire un test di laboratorio migliore

Gli autori si sono concentrati su campioni di granito prelevati da oltre 1,7 chilometri di profondità nella miniera d'oro di Sanshandao in Cina. In laboratorio hanno sagomato i campioni in cilindri standard e li hanno compressi sotto carichi controllati corrispondenti a un quarto e a metà della resistenza a compressione uniaxiale della roccia (una misura comune della pressione che può sopportare). Dopo aver mantenuto questi carichi per 24 o 48 ore, hanno rilasciato la pressione e registrato come la roccia si è lentamente recuperata nelle due giorni successivi. Ciò ha permesso di calcolare due quantità chiave che descrivono il rilassamento della roccia: una legata alle variazioni di volume complessive e una legata alle deformazioni di taglio che cambiano la forma. Insieme, queste “compliance” costituiscono la calibrazione necessaria per trasformare le misure ASR in campo in valori di tensione reali.

Come il livello di sforzo modifica la risposta della roccia

Gli esperimenti hanno mostrato che il comportamento di recupero della roccia non è fisso ma dipende fortemente dall'entità dello sforzo subito. Per entrambi i livelli di stress testati, le curve di recupero per le variazioni volumetriche e di taglio hanno raggiunto valori stabili entro circa 48 ore dal rilascio del carico. Tenere il carico più a lungo prima del rilascio ha reso il successivo recupero più lento, ma non ha cambiato molto il plateau finale. Crucialmente, il rapporto tra compliance di taglio e volumetrica, a lungo assunto come una costante semplice pari a 2, in realtà variava tra circa 1,85 e 2,48 per questi graniti profondi ed era più alto a stress applicati maggiori. Osservazioni microscopiche e il monitoraggio delle emissioni acustiche hanno rivelato che questo comportamento è legato alla riapertura e alla crescita di piccole fratture preesistenti e alle risposte differenziate di minerali come quarzo, feldspato e grani più deboli come biotite e calcite.

Testare il metodo in un vero pozzo profondo

Per verificare se una calibrazione migliore migliora le misure in campo, il team ha applicato il metodo ASR a campioni provenienti da un pozzo verticale di oltre 2.000 metri nella stessa miniera. Hanno strumentato lunghi campioni con array di estensimetri e sensori acustici, monitorato il recupero di deformazione per circa 72 ore e quindi usato i valori di compliance derivati in laboratorio—calcolati separatamente per diversi livelli di stress—per stimare le tensioni in situ in profondità. Queste stime sono state confrontate con un benchmark indipendente: test di fratturazione idraulica condotti in fori vicini, ampiamente accettati nell'ingegneria delle rocce ma costosi e tecnicamente impegnativi a grandi profondità.

Un quadro più chiaro delle forze sotterranee

Il confronto ha rivelato che quando i calcoli ASR utilizzavano valori di compliance calibrati a un quarto della resistenza a compressione della roccia—corrispondenti al rapporto tipico tra sforzo verticale naturale e resistenza della roccia in quel pozzo—i risultati seguivano da vicino i dati della fratturazione idraulica. Le differenze nelle principali tensioni orizzontali erano generalmente entro pochi punti percentuali, sostanzialmente inferiori agli errori ottenuti usando il tradizionale espediente “rapporto = 2”. In termini semplici, lo studio dimostra che l'ASR può fornire misure accurate ed economiche della tensione delle rocce profonde, ma solo se la calibrazione di laboratorio imita le reali condizioni di sforzo sotterranee e si concede tempo sufficiente—almeno due giorni—affinché il recupero si stabilizzi. Questo approccio migliorato offre agli ingegneri minerari e dei tunnel una finestra più nitida e affidabile sulle forze in gioco nelle profondità sotto i nostri piedi.

Citazione: 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

Parole chiave: tensione in situ profonda, recupero anelastico di deformazione, meccanica delle rocce granitiche, pozzi minerari sotterranei, confronto con fratturazione idraulica