The deformational behaviour of salt rocks in situ: Hypotheses vs. measurements

Summary

Published controversies regarding the in situ behaviour of salt rocks have been going on for many years. At the Fourth International Symposium on Salt, Houston 1973, an attempt was made to narrow the gap between theoreticians and practitioners in a specially arranged discussion session on applied rock mechanics. The results, recently reported in the Proceedings, were inconclusive, but alarming and led to the conclusion that we should proceed with caution with new “unprecedented” design methods; obviously, the gap between two schools of thought, the theoretical or stress envelope concept and the direct measurement school, is wider than ever, partly due to misleading publications which are corrected in this paper.

The reasons why theoretical calculations based on laboratory experiments must not be applied to in situ conditions in conventional salt mines and in solution-mined caverns, are outlined with reference to published in situ measurement data:

• 1. In situ deformations of salt rocks are not affected by strain-hardening that makes most laboratory testing procedures useless for practical application. In situ, the long-term opening convergence rates are constant under constant conditions.

• 2. The first creep into new excavations in salt deposits is stress-relief creep; the creep rates decrease rapidly for few days until the original stresses in large zones around the openings are sufficiently adjusted to the very low creep limits of salt rocks.

• 3. Reloading of stress-relieved zones depends on overburden subsidence which can be prevented by appropriate design to keep the long-term constant creep rates small.

In cases where overburden subsidence occurs, the tension zones of subsidence troughs require particular attention. The overlapping of tension zones which approached each other from opposite directions has resulted in heavy rockbursts over potash mines. To avoid such potentially dangerous configurations, careful planning of the mining sequence is required in conventional mining as well as in solution mining of multiple cavern systems.

Surface subsidence measurements carried out over many decades cannot be reconciled with hypothetical stable stress arches postulated again in some recent publications; in this regard,¹nature has taught some serious lessons which made stress arches disappear from the German literature since 1958. More recently, expensive lessons were learned in North American potash mining and solution mining, particularly in Canada. It is strongly suggested that those who apparently mistake laboratory experiments for actual mining operations, learn the lessons taught by nature and exercise restraint in publications prior to doing the necessary homework.

Résumé

Il y a longtemps qu’on a commencé à publier des controverses au sujet du comportement des roches salines in situ. En organisant une session spéciale de discussion sur la mécanique des roches, le quatrième symposium international sur le sel (Houston, 1973) tenta un rapprochement entre théoriciens et praticiens; les comptes-rendus, récemment publiés, ne font pas apparaitre de résultats concluants mais ils montrent que nous devrions être prudents lors de l’étude de projets de travaux dont il n’existe pas d’exemples antérieurs. Evidemment, entre deux écoles de pensée, l’une théorique, avec le concept d’enveloppe des contraintes, l’autre s’appuyant sur des mesures directes, le fossé est plus large qu’il n’a jamais été, ce qui est en partie dû à des publications erronées qui sont l’objet de rectifications dans cet article.

Voici les raisons pour lesquelles les calculs théoriques basés sur les expériences de laboratoire ne doivent pas être appliqués aux conditions in situ dans les mines de sel classiques et dans les cavernes exploitées par dissolution:

• 1o les déformations de roches salines in situ ne sont pas affectées par le phénomène de durcissement avec déformation qui rend la plupart des techniques d’essais au laboratoire inutilisables pour une application pratique; in situ, les vitesses de convergence des cavités anciennes sont constantes sous conditions constantes;

• 2o quand de nouvelles excavations sont ouvertes dans des gisements de sel, il se produit un fluage de décompression dont la vitesse décroit rapidement au bout de quelques jours: à ce moment, les tensions qui existaient à l’origine dans de larges zones autour des cavités sont suffisamment réduites pour s’adapter aux limites de fluage des roches salines;

• 3o la recharge des zones décomprimées dépend de l’affaissement des terrains sus-jacents; on peut l’éviter en agissant de façon à conserver longtemps une vitesse de fluage petite et constante.

Dans les cas où un affaissement du terrain sus-jacent se produit, il faut porter une attention particulière aux zones de tension des fosses de subsidence. Le chevauchement de zones de tension convergentes au-dessus de mines de potasse a produit d’importants bris de rochers. Pour éviter ce phénomène qui peut être dangereux, il est nécessaire d’organiser soigneusement le programme d’abatage, que ce soit en exploitation classique ou par dissolution de cavernes multiples.

Les mesures de l’enfoncement de la surface, qui ont été effectuées pendant plusieurs décennies, ne peuvent pas se concilier avec l’existence d’arcs stables sous tension, hypothèse que l’on trouve pourtant encore exprimée dans des publications récentes; à cet égard, les leçons de la nature ont été si sévères que les arcs sous tension ont disparu de la littérature allemande depuis 1958. Plus récemment, les mines de potasse et les exploitations par dissolution, en Amérique du Nord et plus particulièrement au Canada, en ont fait l’expérience coûteuse. Il est hautement souhaitable que ceux qui, apparement, prennent leurs expériences de laboratoire pour de véritables opérations minières apprennent les leçons qu’enseigne la nature et mettent un frein à leurs publications avant de faire d’indispensables exercices.