Onderzoek en verbetering van spanningsafhankelijke compliantie-eigenschappen bij diepe in-situ spanningsmetingen op basis van de anelastische rekherstelmethode (ASR)

Waarom druk diep ondergronds ertoe doet

Naarmate mijnen en tunnels steeds dieper de aarde ingaan, wordt de natuurlijke druk in het omringende gesteente een centraal veiligheidsvraagstuk. Als deze verborgen spanning wordt onderschat, kunnen steenuitbarstingen, instortingen en kostbare falen optreden. Direct meten van zulke spanningen op kilometers diepte is moeilijk en duur, dus ingenieurs zoeken naar betrouwbare, goedkope methoden. Deze studie verfijnt een veelbelovende techniek genaamd anelastisch rekherstel (ASR), die het “geheugen” van spanning opgeslagen in gesteentecores afleest, en laat zien hoe die methode kan worden bijgestuurd voor veiliger aanleg van ultra-diepe schachten.

Spanning aflezen uit gesteentecores

Wanneer een cilindrische gesteentecore wordt geboord uit diepte, verplaatst deze zich plotseling van een hoge-drukomgeving naar normale oppervlaktecondities. Het gesteente veert eerst bijna onmiddellijk terug, als een samengeperde veer die wordt losgelaten, maar blijft daarna uren tot dagen langzaam kruipen en zich aanpassen. Deze vertraagde, tijdsafhankelijke vervorming staat bekend als anelastisch rekherstel. Door deze kleine veranderingen met opengelijmde rekmeters in meerdere richtingen te volgen, kunnen wetenschappers terugrekenen naar de driedimensionale spanning die vroeger op het gesteente op diepte werkte.

Een beter laboratoriumtestopzet

De auteurs concentreerden zich op granietcores afkomstig van meer dan 1,7 kilometer diepte in de Sanshandao-goudmijn in China. In het laboratorium brachten ze cores in standaardcilinders en drukten ze onder zorgvuldig gecontroleerde belastingen gelijk aan een kwart en de helft van de uniaxiale druksterkte van het gesteente (een gebruikelijke maat voor hoeveel druk het kan weerstaan). Na het handhaven van deze belastingen gedurende 24 of 48 uur, lieten ze de druk los en registreerden hoe het gesteente in de volgende twee dagen langzaam herstelde. Dit stelde hen in staat twee sleutelgroottes te berekenen die beschrijven hoe het gesteente ontspant: één gekoppeld aan volumeveranderingen en één gekoppeld aan vormveranderende schuifdeformaties. Gezamenlijk vormen deze “compliancies” de kalibratie die nodig is om veldmetingen met ASR naar feitelijke spanningswaarden om te zetten.

Hoe spanningsniveau de respons van gesteente verandert

De experimenten toonden aan dat het herstelgedrag van het gesteente niet vastligt maar sterk afhangt van hoeveel spanning het heeft ondergaan. Bij beide geteste spanningsniveaus benaderden de herstelcurven voor volumetrische en schuifveranderingen stabiele waarden binnen ongeveer 48 uur na ontlasten. Het langer vasthouden van de belasting voor loslaten maakte het latere herstel trager, maar wijzigde de uiteindelijke plateau-waarde weinig. Cruciaal is dat de verhouding tussen schuif- en volumetrische compliantie, die lang werd aangenomen een eenvoudige constante van 2 te zijn, in werkelijkheid varieerde tussen ongeveer 1,85 en 2,48 voor deze diepe granieten en hoger was bij grotere toegepaste spanning. Microscopische waarnemingen en akoestische emissiemetingen toonden aan dat dit gedrag samenhangt met het heropenen en groeien van kleine, vooraf bestaande scheurtjes en de verschillende reacties van mineralen zoals kwarts, veldspaat en zwakkere korrels zoals biotiet en calciet.

De methode testen in een echte diepe schacht

Om te onderzoeken of een betere kalibratie veldmetingen verbetert, paste het team de ASR-methode toe op cores uit een verticale schacht van meer dan 2.000 meter diepte in dezelfde mijn. Ze voorzagen lange cores van arrays rekmeters en akoestische sensoren, volgden het rekherstel ongeveer 72 uur en gebruikten vervolgens hun in het laboratorium afgeleide complianciewaarden—berekend afzonderlijk voor verschillende spanningsniveaus—om de in-situ spanningen op diepte te schatten. Deze schattingen werden vergeleken met een onafhankelijke referentie: hydraulische fracturatietests uitgevoerd in nabijgelegen boorgaten, die in de gesteentetechniek algemeen worden geaccepteerd maar duur en technisch veeleisend zijn op grote diepte.

Een helderder beeld van ondergrondse krachten

De vergelijking liet zien dat wanneer de ASR-berekeningen complianciewaarden gebruikten gekalibreerd bij een kwart van de druksterkte van het gesteente—overeenkomend met de typische verhouding tussen natuurlijke verticale spanning en gesteentesterkte in die schacht—de resultaten nauwkeurig gevolgd werden met de hydraulische fracturatiegegevens. Verschillen in de hoofd-horizontale spanningen lagen over het algemeen binnen een paar procent, aanzienlijk kleiner dan de fouten die werden verkregen bij gebruik van de traditionele “verhouding = 2” vuistregel. In eenvoudige bewoordingen toont de studie aan dat ASR nauwkeurige, economische metingen van diepe gesteentespanning kan leveren, maar alleen als de laboratoriumkalibratie de werkelijke spanningsomstandigheden ondergronds nabootst en er voldoende tijd—minstens twee dagen—is om het herstel te laten stabiliseren. Deze verbeterde aanpak biedt mijn- en tunnelbouwkundigen een scherper, betrouwbaarder venster op de krachten die diep onder onze voeten werkzaam zijn.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: diepe in-situ spanning, anelastische rekherstel, graniet gesteentemechanica, ondergrondse mijnschachten, vergelijking hydraulisch fractureren