Исследование и улучшение зависимости упругости от напряжения при глубоких натурных измерениях напряжений на основе метода анеластичного восстановления деформации (ASR)

Почему важны давления в глубине под землей

По мере того как шахты и туннели углубляются, естественное давление в окружающих породах становится ключевым фактором безопасности. Если скрытые напряжения недооценены, это может привести к выбросам горной массы, обрушениям и дорогим авариям. Прямые измерения таких напряжений на глубинах в километры затруднены и дороги, поэтому инженеры заинтересованы в надёжных и недорогих методах. В этом исследовании уточняется перспективная методика анеластичного восстановления деформации (ASR), которая считывает «память» напряжений, сохранённую в кернах, и демонстрируется, как её настроить для более безопасного строительства в сверхглубоких стволах.

Чтение напряжений по кернам

Когда цилиндрический керн выбуривают из глубинных пород, он внезапно перемещается из высокого давления в нормальные поверхностные условия. Сначала порода почти мгновенно отскакивает, как сжатая пружина, но затем продолжает медленно течь и адаптироваться в течение часов и дней. Это замедленное, зависимое от времени изменение формы называется анеластичным восстановлением деформации. Отслеживая эти крошечные изменения с помощью приклеенных тензодатчиков в нескольких направлениях, учёные могут восстановить трёхмерное напряжённое состояние, которое действовало на породу в глубине.

Создание лучшего лабораторного теста

Авторы сосредоточились на гранитных кернах, взятых с глубины более 1,7 километра на руднике Sanshandao в Китае. В лаборатории керны формировали в стандартные цилиндры и нагружали под контролируемыми усилиями, равными одной четверти и одной половине одноосной прочности на сжатие породы (распространённая мера устойчивости к давлению). Удерживая эти нагрузки в течение 24 или 48 часов, затем снимали нагрузку и регистрировали, как порода медленно восстанавливается в последующие двое суток. Это позволило им вычислить две ключевые величины, описывающие релаксацию породы: одну, связанную с изменением объёма, и одну, связанную с деформациями сдвига. Вместе эти «комплайянсы» составляют калибровку, необходимую для преобразования полевых измерений ASR в реальные значения напряжений.

Как уровень напряжения меняет поведение породы

Эксперименты показали, что поведение восстановления породы не является постоянным и сильно зависит от величины приложенного напряжения. При обоих испытанных уровнях напряжения кривые восстановления объёма и сдвига выходили на устойчивые значения примерно в течение 48 часов после разгрузки. Более длительное выдерживание нагрузки перед снятием делало последующее восстановление медленнее, но не сильно меняло конечный плато. Важно, что отношение между сдвиговым и объёмным комплайянсом, традиционно принимаемое равным 2, на самом деле варьировало в диапазоне примерно от 1,85 до 2,48 для этих глубоких гранитов и росло при больших приложенных напряжениях. Микроскопические наблюдения и мониторинг акустической эмиссии показали, что такое поведение связано с повторным открытием и ростом крошечных предсуществующих трещин и с различной реакцией минералов — кварца, полевого шпата и более слабых зерен, таких как биотит и карбонаты.

Проверка метода в реальном глубоководном стволе

Чтобы проверить, улучшает ли калибровка точность натурных измерений, команда применила метод ASR к кернам из вертикального ствола глубиной более 2000 метров на том же руднике. Длинные керны оснащали массивами тензодатчиков и акустическими сенсорами, отслеживали восстановление деформаций около 72 часов, а затем использовали лабораторно полученные значения комплайянса — рассчитанные отдельно для разных уровней напряжения — чтобы оценить натурные напряжения на глубине. Эти оценки сравнивали с независимым эталоном: тестами гидравлического разрыва, проведёнными в соседних скважинах, которые широко признаны в горной инженерии, но дорогостоящи и технически сложны на больших глубинах.

Более чёткая картина подземных сил

Сравнение показало, что при использовании в расчётах ASR комплайянса, откалиброванного на уровне одной четверти прочности породы — что соответствует типичному соотношению между естественным вертикальным напряжением и прочностью породы в этом стволе — результаты хорошо согласовывались с данными гидравлического разрыва. Отличия в основных горизонтальных напряжениях обычно составляли лишь несколько процентов, существенно меньше ошибок, получаемых при использовании традиционного упрощения «отношение = 2». Проще говоря, исследование показывает, что ASR может обеспечить точные и экономичные измерения глубинных напряжений, но только если лабораторная калибровка имитирует реальные условия напряжения в недрах и даёт достаточно времени — по крайней мере два дня — для стабилизации восстановления. Этот улучшенный подход даёт горным и тоннельным инженерам более чёткое и надёжное представление о силах, действующих в глубине под ногами.

Цитирование: 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

Ключевые слова: глубокие натурные напряжения, анеластичное восстановление деформации, механика гранитных пород, подземные шахтные стволы, сравнение с гидравлическим разрушением