Undersökning och förbättring av spänningsberoende komplianskarakteristika vid djupa in-situ-spänningsmätningar baserade på anelastisk töjningsåterhämtning (ASR)-metoden

Varför trycket djupt under marken är viktigt

När gruvor och tunnlar når allt längre ner i jordskorpan blir det naturliga trycket i omgivande berg en central säkerhetsfråga. Om denna dolda spänning underskattas kan bergsprängningar, ras och kostsamma haverier följa. Direkt mätning av sådan spänning flera kilometer under markytan är svår och dyr, så ingenjörer efterfrågar pålitliga och kostnadseffektiva metoder. Denna studie förfinar en lovande teknik kallad anelastisk töjningsåterhämtning (ASR), som läser av det "minne" av spänning som lagrats i bergkärnor, och visar hur metoden kan kalibreras för säkrare konstruktioner i ultradjupa schakt.

Att avläsa spänning från bergkärnor

När en cylindrisk bergkärna borras upp från stor djup plötsligt förflyttas den från en högtrycksmiljö till normala ytvilkor. Bergarten fjädrar först tillbaka nästan omedelbart, som en komprimerad fjäder som släpps, men fortsätter sedan att krypa och anpassa sig långsamt över timmar till dagar. Denna fördröjda, tidsberoende formförändring kallas anelastisk töjningsåterhämtning. Genom att följa dessa små förändringar med pålimmade töjningsgivare i flera riktningar kan forskare arbeta bakåt för att härleda den tredimensionella spänning som verkade på berget på djupet.

Att bygga ett bättre laboratorietest

Författarna fokuserade på granitkärnor tagna från mer än 1,7 kilometer under markytan vid Sanshandao-gruvan i Kina. I laboratoriet formade de kärnorna till standardcylindrar och belastade dem under noggrant kontrollerade laster motsvarande en fjärdedel respektive en halv del av bergartens enaxliga tryckhållfasthet (en vanlig måttstock på hur mycket tryck den tål). Efter att ha hållit dessa laster i antingen 24 eller 48 timmar släppte de trycket och registrerade hur berget långsamt återhämtade sig under de följande två dagarna. Detta gjorde det möjligt att beräkna två nyckelkvantiteter som beskriver hur berget relaxerar: en kopplad till volymförändringar och en kopplad till formändrande skjuvning. Tillsammans utgör dessa "komplianser" kalibreringen som behövs för att omvandla fältmässiga ASR-mätningar till faktiska spänningsvärden.

Hur spänningsnivån förändrar bergets respons

Experimenten visade att bergets återhämtningsbeteende inte är fast utan beror starkt på hur mycket spänning det har utsatts för. Vid båda testade spänningsnivåerna närmade sig återhämtningskurvorna för volym- och skjuvförändringar stabila värden inom cirka 48 timmar efter avlastning. Att hålla lasten längre före avlastning gjorde den senare återhämtningen långsammare, men förändrade inte den slutliga platån mycket. Avgörande var att förhållandet mellan skjuv- och volymkomplians, som länge antagits vara en enkel konstant på 2, faktiskt varierade mellan cirka 1,85 och 2,48 för dessa djupa graniter och var högre vid större pålagd spänning. Mikroskopiska observationer och akustisk emissionsövervakning visade att detta beteende är kopplat till återöppning och tillväxt av små, förbefintliga sprickor och de olika responsmönstren hos mineraler som kvarts, fältspat och svagare korn som biotit och kalkspat.

Test av metoden i ett verkligt djupt schakt

För att se om bättre kalibrering förbättrar fältmätningar tillämpade teamet ASR-metoden på kärnor från ett vertikalt schakt mer än 2 000 meter djupt i samma gruva. De instrumenterade långa kärnor med nätverk av töjningsgivare och akustiska sensorer, övervakade töjningsåterhämtningen i cirka 72 timmar och använde sedan sina laboratoriederiverade kompliansvärden — beräknade separat för olika spänningsnivåer — för att uppskatta de in situ-spänningar som rådde på djupet. Dessa uppskattningar jämfördes med en oberoende referens: hydrauliska spräckningstester utförda i närliggande borrhål, vilka är allmänt accepterade inom bergteknik men kostsamma och tekniskt krävande på stort djup.

En klarare bild av krafterna under marken

Jämförelsen visade att när ASR-beräkningarna använde kompliansvärden kalibrerade vid en fjärdedel av bergets tryckhållfasthet — vilket matchar det typiska förhållandet mellan naturlig vertikal spänning och bergstyrka i det schaktet — följde resultaten hydrauliska spräckningsdata tätt. Skillnader i de huvudsakliga horisontella spänningarna var i allmänhet inom några procent, avsevärt mindre än felen vid användning av den traditionella "kvot = 2"-förenklingen. Enkelt uttryckt visar studien att ASR kan ge exakta, ekonomiska mätningar av djup bergspänning, men endast om laboratoriekalibreringen efterliknar de verkliga spänningsförhållandena under jord och om tillräcklig tid — åtminstone två dagar — tillåts för att återhämtningen ska stabilisera sig. Denna förbättrade metod ger gruv- och tunnelingenjörer en skarpare, mer pålitlig inblick i de krafter som verkar långt under våra fötter.

Citering: 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

Nyckelord: djup in-situ-spänning, anelastisk töjningsåterhämtning, granitbergsmekanik, underjordiska gruvschakt, jämförelse med hydraulisk spräckning