基于迟弹性应变恢复（ASR）方法的深部原位应力测量中应力依赖柔量特性研究与改进

为什么深部地下压力重要

随着矿井和隧道不断向地表深处延伸，围岩中的自然应力成为一项关键的安全问题。如果低估了这些隐含应力，可能导致岩爆、塌落和昂贵的工程事故。直接在数公里深处测量应力既困难又昂贵，因此工程师需要可靠且低成本的方法。本研究改进了一种有前景的技术——迟弹性应变恢复（ASR），该方法读取岩心中储存的“应力记忆”，并展示了如何为超深竖井的安全建设对其进行调整。

从岩心读取应力

当从深部钻取圆柱形岩心并迅速带至地表常压环境时，岩石会从高压环境突然释放。岩心首先近乎瞬时地恢复，像压缩弹簧被释放一样弹回，然后在数小时到数天内继续以缓慢的蠕变方式调整。这种随时间发生的迟滞形变称为迟弹性应变恢复。通过在多个方向粘贴应变计并跟踪这些微小变化，科学家可以反推曾经作用于深部岩石的三维应力状态。

构建更完善的实验室试验

作者的研究对象是取自中国三山岛金矿、埋深超过1.7公里的花岗岩岩心。在实验室中，他们将岩心制成标准圆柱体，并在受控条件下施加相当于单轴抗压强度四分之一和二分之一的载荷（常用的岩石承压能力度量）。在维持这些载荷24或48小时后释放压力，并在随后的两天内记录岩石的缓慢恢复。由此他们计算出描述岩石松弛的两个关键量：一个与体积变化相关，另一个与剪切变形相关。二者构成了将现场ASR测量转换为实际应力值所需的校准参数。

应力水平如何改变岩石响应

实验表明，岩石的恢复行为并非固定不变，而是强烈依赖于所经历的应力大小。在两个测试应力水平下，体积和剪切变化的恢复曲线在卸荷后约48小时内趋于稳定。延长施载时间会使后期的恢复变慢，但对最终平台值影响不大。关键在于，长期被视为常数2的剪切与体积柔量之比，在这些深部花岗岩中实际上在约1.85到2.48之间变化，并且随施加应力增大而增高。显微观测与声发射监测表明，这种行为与微小既存裂纹的再开启与扩展以及石英、长石与相对较弱的黑云母、方解石等矿物的不同响应有关。

在真实深竖井中检验该方法

为了检验更精确的校准是否能改善现场测量，研究团队将ASR方法应用于同一矿区一口深超过2000米的竖井中采集的岩心。他们在长岩心上布置了应变计和声学传感器阵列，监测约72小时的应变恢复，然后采用在实验室针对不同应力水平分别计算得到的柔量值来估算深部的原位应力。这些估算值与一个独立基准进行了比对：在附近钻孔实施的水力压裂测试，后者在岩石工程中被广泛接受，但在很深处成本高且技术要求高。

更清晰的地下力场图景

比较结果显示，当ASR计算采用在岩石抗压强度四分之一应力下校准的柔量值——这与该竖井内典型的自然垂直应力与岩石强度之比相匹配时——所得结果与水力压裂数据高度一致。主要水平应力的差异通常在几个百分点以内，明显小于使用传统“比值=2”简化时的误差。简言之，研究表明ASR在提供准确、经济的深部岩石应力测量方面是可行的，但前提是实验室校准要模拟地下的真实应力条件，并允许至少两天的时间让恢复过程稳定。该改进方法为采矿与隧道工程师提供了一个更清晰、更可靠的窗口，观察我们脚下深处的作用力。

引用: 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

关键词: 深部原位应力, 迟弹性应变恢复, 花岗岩岩石力学, 地下采矿竖井, 水力压裂比较