Оценка влияния скорости нагружения на прочность скальных горных пород при одноосном сжатии и характер их разрушения

А.А. Козырев, Н.Н. Кузнецов, А.К. Пак
Горный институт Кольского научного центра Российской академии наук, г. Апатиты, Российская Федерация
Горная Промышленность №1 / 2024 стр. 126-131

Резюме: При исследовании физико-механических свойств горных пород одним из основных определяемых параметров является их предел прочности при одноосном сжатии. В ходе проведения лабораторных экспериментов на значение этого параметра могут влиять как условия нагружения, так и форма изготовленных образцов. Изучая влияние этих факторов, можно давать адекватную оценку изменения прочности пород, а также прогнозировать характер их разрушения. В статье представлены результаты экспериментальных исследований скальных горных пород месторождений Кольского региона при одноосном сжатии. Установлены значения их пределов прочности при скоростях нагружения от 0,01 до 50 кН/с. На основе полученных данных выявлено, что критерий В.А. Фокина можно использовать для определения паспортной прочности пород. Показано, что с увеличением скорости нагружения будут также возрастать значения пределов прочности при одноосном сжатии хрупкой упругой породы (уртита) и нехрупкой упруго-пластичной (карбонатита). Установлено, что для скальных горных пород, склонных к динамическому разрушению, увеличение скорости нагружения будет приводить к возрастанию интенсивности их разрушения. Для нехрупких упруго-пластичных пород увеличение скорости нагружения может привести к тому, что они начнут разрушаться в динамической форме. Полученные выводы свидетельствуют о том, что характер разрушения образцов пород зависит от временного фактора нагружения.

Ключевые слова: скорость нагружения, предел прочности при одноосном сжатии, скальная горная порода, разрушение скальных горных пород

Для цитирования: Козырев А.А., Кузнецов Н.Н., Пак А.К. Оценка влияния скорости нагружения на прочность скальных горных пород при одноосном сжатии и характер их разрушения. Горная промышленность. 2024;(1):126–131. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-1-126-131

Информация о статье

Поступила в редакцию: 23.11.2023

Поступила после рецензирования: 10.01.2024

Принята к публикации: 15.01.2024

Информация об авторах

Козырев Анатолий Александрович – доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник отдела геомеханики, Горный институт Кольского научного центра Российской академии наук, г. Апатиты, Российская Федерация

Кузнецов Николай Николаевич – кандидат технических наук, руководитель лаборатории инструментальных исследований состояния горных пород Арктической зоны РФ, Горный институт Кольского научного центра Российской академии наук, г. Апатиты, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Пак Александр Климентьевич – научный сотрудник лаборатории инструментальных исследований состояния горных пород Арктической зоны РФ, Горный институт Кольского научного центра Российской академии наук, г. Апатиты, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Список литературы

1. Wong R.H.С., Chau K.T., Wang P. Microcracking and grain size effect in Yuen Long marbles. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics. 1996;33(5):479–485. https://doi.org/10.1016/0148-9062(96)00007-1

2. Ставрогин А.Н., Тарасов Б.Г. Экспериментальная физика и механика горных пород. СПб.: Наука; 2001. 343 с.

3. Komurlu E. Loading rate conditions and specimen size effect on strength and deformability of rock materials under uniaxial compression. International Journal of Geo-Engineering. 2018;9:17. https://doi.org/10.1186/s40703-018-0085-z

4. Ma H., Song Y., Chen S., Li X., Feng F. Experimental study on effects of loading rate and sample size on the mechanical and failure characteristics of mudstone. Geotechnical and Geological Engineering. 2020;38:2735–2744. https://doi.org/10.1007/s10706-019-01182-8

5. Мансуров В.А., Протосеня А.Г. Поведение горных пород при различных скоростях нагружения. Фрунзе: Илим; 1982. 88 с.

6. Петров В.А. Статистическая кинетика разрушения гетерогенных твердых тел: дис. … д-ра физ.-мат. наук: 01.04.12. Ленинград; 1986. 333 с.

7. Красько Н.И. Исследование зависимости прочности пород на растяжение от времени их нагружения. Научные труды Донецкого национального технического университета. Серия «Горно-геологическая». 2002;(54):154–159. Режим доступа: http://ea.donntu.ru:8080/bitstream/123456789/15346/1/154-159.pdf (дата обращения: 13.01.2024).

8. Пак А.К., Кузнецов Н.Н. Исследование влияния скорости нагружения на прочностные свойства уртита среднезернистого массивного. В кн.: Физические основы прогнозирования разрушения горных пород: тезисы докладов 9-й Междунар. школы-семинара, Иркутск, 2–6 сент. 2013 г. Иркутск: ИЗК СО РАН; 2013. С. 62.

9. Wasantha P.L.P., Ranjith P.G., Zhao J., Shao S.S., Permata G. Strain rate effect on the mechanical behaviour of sandstones with different grain sizes. Rock Mechanics and Rock Engineering. 2014;48:1883–1895. https://doi.org/10.1007/s00603-014-0688-4

10. Ефимов В.П. Влияние скорости нагружения на трещиностойкость горных пород с позиций кинетической термофлуктуационной концепции разрушения. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2016;(2):57–63.

11. Efimov V.P. Experimental study on loading rate effects on the tensile strength and fracture toughness of rocks. Geotechnical and Geological Engineering. 2020;38:6923–6930. https://doi.org/10.1007/s10706-020-01470-8

12. Zhu J., Deng J. A new explanation of loading rate effect on rock compressive strength. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2022;1124:012066. https://doi.org/10.1088/1755-1315/1124/1/012066

13. Кузнецова А.В., Смолин И.Ю. Численное моделирование механического поведения горных пород вокруг выработки при разных скоростях подвигания забоя. Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2010;(2):79–87. Режим доступа: https://journals.tsu.ru/mathematics/en/&journal_page=archive&id=475&article_id=16252 (дата обращения: 13.01.2024).

14. Kozyrev A.A., Lodus E.V., Kuznetsov N.N. The study of rock properties of the Khibiny massif on shear and uniaxial compression. In: Proceedings of the 6th International Symposium on In-Situ Rock Stress, ISRM Specialized Conference, Sendai, 20–22 August 2013. 2013, pp. 939–952.

15. Jiao M.R., Wong R., Wong T., Chau K.T., Tang C.A. Numerical simulation of the influence of grain size on the progressive development of brittle failure in Yuen Long marbles. Key Engineering Materials. 2004;261-263:1511–1516. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.261-263.1511

16. Liang C., Wu S., Li X., Xin P. Effects of strain rate on fracture characteristics and mesoscopic failure mechanisms of granite. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2015;76:146–154. https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2015.03.010

17. Yin X.G.X., Li C., Wang S. Influences of loading rates on mechanical behaviors of rock materials. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering. 2010;29:2610–2615.

18. Zhou L., Zhu Z., Qiu H., Zhang X., Lang L. Study of the effect of loading rates on crack propagation velocity and rock fracture toughness using cracked tunnel specimens. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2018;112:25–34. https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2018.10.011

19. Козырев А.А., Кузнецов Н.Н., Федотова Ю.В., Шоков А.Н. Определение степени удароопасности скальных горных пород по результатам испытаний при одноосном сжатии. Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2019;(6):41–50. https://doi.org/10.21440/0536-1028-2019-6-41-50

20. Фокин В.А. К вопросу определения предела прочности пород на одноосное сжатие. Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2002;(4):20–22.