Badanie i udoskonalenie zależnych od naprężenia cech podatności w pomiarach naprężeń in-situ na dużych głębokościach metodą anelastycznego odzysku odkształcenia (ASR)

Dlaczego ciśnienie głęboko pod ziemią ma znaczenie

W miarę jak kopalnie i tunele sięgają coraz głębiej w głąb Ziemi, naturalne naprężenia w otaczającej skale stają się kluczowym zagadnieniem bezpieczeństwa. Niedoszacowanie tych ukrytych naprężeń może prowadzić do wybuchów skalnych, zapadnięć i kosztownych awarii. Bezpośrednie pomiary takich naprężeń na kilometrowych głębokościach są trudne i drogie, dlatego inżynierowie poszukują wiarygodnych, niskokosztowych metod. W tym badaniu dopracowano obiecującą technikę zwaną anelastycznym odzyskiem odkształcenia (ASR), która odczytuje „pamięć” naprężeń zapisaną w rdzeniach skalnych, i pokazano, jak ją skalibrować dla bezpieczniejszej budowy ultra-głębokich szybów.

Odczytywanie naprężeń z rdzeni skalnych

Kiedy cylindryczny rdzeń skalny jest wydobywany z dużej głębokości, nagle przechodzi ze środowiska o wysokim ciśnieniu do warunków powierzchniowych. Skała najpierw prawie natychmiastowo odbija się jak sprężyna, ale potem dalej pełznie i dostosowuje się powoli przez godziny do dni. To opóźnione, zależne od czasu zmienianie kształtu nazywa się anelastycznym odzyskiem odkształcenia. Śledząc te maleńkie zmiany za pomocą przyklejanych tensometrów w kilku kierunkach, naukowcy mogą odczytać wstecz trójwymiarowe naprężenia, które działały na skałę na głębokości.

Budowanie lepszego testu laboratoryjnego

Autorzy skupili się na rdzeniach granitowych pobranych z ponad 1,7 kilometra pod ziemią w kopalni Sanshandao w Chinach. W laboratorium uformowali rdzenie do standardowych cylindrów i obciążyli je pod kontrolowanymi siłami równymi jednej czwartej i połowie jednoosiowej wytrzymałości na ściskanie skały (powszechny wskaźnik odporności na ciśnienie). Po utrzymaniu tych obciążeń przez 24 lub 48 godzin zwolnili nacisk i rejestrowali, jak skała powoli odzyskiwała kształt przez kolejne dwa dni. Pozwoliło to obliczyć dwie kluczowe wielkości opisujące relaksację skały: jedną związaną ze zmianą objętości, drugą z odkształceniami ścinającymi zmieniającymi kształt. Te „podatności” razem tworzą kalibrację niezbędną do przekształcenia polowych pomiarów ASR w rzeczywiste wartości naprężeń.

Jak poziom naprężenia zmienia odpowiedź skały

Eksperymenty wykazały, że zachowanie odzysku skały nie jest stałe, lecz mocno zależy od tego, jakiego naprężenia doświadczyła. Przy obu testowanych poziomach naprężenia krzywe odzysku objętości i ścinania osiągały stabilne wartości w przybliżeniu w ciągu 48 godzin od odbarczenia. Dłuższe utrzymywanie obciążenia przed zwolnieniem spowalniało późniejszy odzysk, ale nie zmieniało znacząco końcowej płaszczyzny. Co istotne, stosunek między podatnością ścinającą a objętościową, długo przyjmowany za prostą stałą równą 2, w rzeczywistości w tych granitach głębinowych wahał się między około 1,85 a 2,48 i był wyższy przy większym przyłożonym naprężeniu. Obserwacje mikroskopowe i monitoring emisji akustycznej wykazały, że to zachowanie wiąże się z ponownym otwieraniem i wzrostem drobnych, istniejących wcześniej spękań oraz różnicami w reakcjach minerałów takich jak kwarc, skalenie i słabsze ziarna jak biotyt i kalcyt.

Testowanie metody w rzeczywistym głębokim szybie

Aby sprawdzić, czy lepsza kalibracja polepsza pomiary w terenie, zespół zastosował metodę ASR do rdzeni z pionowego szybu głębszego niż 2000 metrów w tej samej kopalni. Wyposażono długie rdzenie w szeregi tensometrów i czujników akustycznych, monitorowano odzysk odkształceń przez około 72 godziny, a następnie wykorzystano wartości podatności uzyskane w laboratorium—obliczone oddzielnie dla różnych poziomów naprężeń—do oszacowania naprężeń in-situ na głębokości. Szacunki te porównano z niezależnym punktem odniesienia: testami szczelinowania hydraulicznnego przeprowadzonymi w pobliskich otworach, które są powszechnie akceptowane w inżynierii skalnej, ale kosztowne i technicznie wymagające na dużej głębokości.

Wyraźniejszy obraz sił podziemnych

Porównanie wykazało, że gdy obliczenia ASR używały wartości podatności skalibrowanych przy jednej czwartej wytrzymałości na ściskanie skały—odpowiadającej typowemu stosunkowi między naturalnym naprężeniem pionowym a wytrzymałością skały w tym szybie—wyniki ściśle pokrywały się z danymi ze szczelinowania hydraulicznego. Różnice w głównych naprężeniach poziomych były na ogół na poziomie kilku procent, co jest istotnie mniejsze niż błędy uzyskiwane przy stosowaniu tradycyjnego uproszczenia „stosunek = 2”. Mówiąc w prostszy sposób: badanie pokazuje, że ASR może dostarczać dokładnych, ekonomicznych pomiarów naprężeń głębokich skał, ale tylko jeśli kalibracja laboratoryjna odzwierciedla rzeczywiste warunki naprężeniowe pod ziemią i pozwala wystarczająco dużo czasu—co najmniej dwóch dni—na ustabilizowanie się odzysku. To udoskonalone podejście daje inżynierom górniczym i tunelowym ostrzejszy, bardziej niezawodny wgląd w siły działające daleko pod naszymi stopami.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: naprężenia in-situ na dużych głębokościach, anelastyczny odzysk odkształcenia, mechanika skał granitowych, szyby górnicze pod ziemią, porównanie z szczelinowaniem hydraulicznym