Исследование прочностных свойств и удельной энергии деформирования горных пород в условиях трехосного сжатия

Н.Н. Кузнецов
Горный институт Кольского научного центра Российской академии наук, г. Апатиты, Российская Федерация
Горная Промышленность №2 / 2025 стр.140-145

Резюме: Одним из наиболее востребованных видов испытаний образцов пород в настоящее время является трехосное сжатие. С его помощью можно в лабораторных условиях воссоздавать характерные для массива пород варианты распределения главных сжимающих напряжений как по направлению, так и по величине. При этом наиболее часто используют схему нагружения, когда изменяется максимальная компонента сжимающих напряжений, а промежуточная и минимальная равны между собой и остаются постоянными в ходе испытания (вариант трехосного осесимметричного сжатия). В работе приведены результаты исследований, направленных на установление закономерности изменения пределов прочности скальных пород и их удельной энергии деформирования при нагружении в условиях трехосного осесимметричного сжатия. Проанализированы результаты испытаний восьми типов скальных пород месторождений Кольского региона. Показано, что в условиях трехосного осесимметричного сжатия с возрастанием бокового давления будут также возрастать значения пределов прочности образцов и их критические значения удельной энергии деформирования. Установлены закономерности изменения исследуемых характеристик пород с увеличением бокового давления.

Ключевые слова: скальные горные породы, трехосное осесимметричное сжатие, прочность, удельная энергия деформирования, напряжение, образец

Благодарности: Автор выражает благодарность ведущему инженеру Горного института КНЦ РАН А.К. Паку за содействие в проведении лабораторных испытаний образцов горных пород.

Для цитирования: Кузнецов Н.Н. Исследование прочностных свойств и удельной энергии деформирования горных пород в условиях трехосного сжатия. Горная промышленность. 2025;(2):140–145. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2025-2-140-145

Информация о статье

Поступила в редакцию: 03.02.2025

Поступила после рецензирования: 03.03.2025

Принята к публикации: 10.03.2025

Информация об авторе

Кузнецов Николай Николаевич – кандидат технических наук, руководитель лаборатории инструментальных исследований состояния горных пород Арктической зоны РФ, отдел геомеханики, Горный институт Кольского научного центра Российской академии наук, г. Апатиты, Российская Федерация; https://orcid.org/0000-0002-0624-4351; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Список литературы

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

2. Лодус Е.В., Гончаров Е.В. Физическое моделирование энергообмена в массиве горных пород. Записки Горного института. 2010;185:64–67. Режим доступа: https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/6772 (дата обращения: 17.01.2025). Lodus E.V., Goncharov E.V. Physical modeling of energy exchange in rock mass. Journal of Mining Institute. 2010;185:64–67. (In Russ.) Available at: https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/6772 (accessed: 17.01.2025).

3. Коршунов В.А., Павлович А.А., Бажуков А.А. Оценка сдвиговой прочности горных пород по трещинам на основе результатов испытаний образцов сферическими инденторами. Записки Горного института. 2023;262:606–618. https://doi.org/10.31897/PMI.2023.16 Korshunov V.A., Pavlovich A.A., Bazhukov A.A. Evaluation of the shear strength of rocks by cracks based on the results of testing samples with spherical indentors. Journal of Mining Institute. 2023;262:606–618. https://doi.org/10.31897/PMI.2023.16

4. Ильинов М.Д., Коршунов В.А., Поспехов Г.Б., Шоков А.Н. Комплексные экспериментальные исследования механических свойств горных пород: проблемы и пути их решения. Горный журнал. 2023;(5):11–18. https://doi.org/10.17580/gzh.2023.05.02 Ilinov M.D., Korshunov V.A., Pospekhov G.B., Shokov A.N. Integrated experimental research of mechanical properties of rocks: Problems and solutions. Gornyi Zhurnal. 2023;(5):11–18. (In Russ.) https://doi.org/10.17580/gzh.2023.05.02

5. Tarasov B. Dramatic weakening and embrittlement of intact hard rocks in the earth’s crust at seismic depths as a cause of shallow earthquakes. In: Nawaz M., Sattar F., Kundu S.N. (eds) Earth Crust. IntechOpen; 2019. https://doi.org/10.5772/intechopen.85413

6. Jaeger J.C., Cook N.G.W., Zimmerman R.W. Fundamentals of Rock Mechanics. 4th ed. Wiley-Blackwell; 2007. 488 p.

7. Khadivi B., Masoumi H., Heidarpour A., Zhang Q., Zhao J. Assessing the fracturing process of rocks based on burst-brittleness ratio (BBR) governed by point load testing. Rock Mechanics and Rock Engineering. 2023;56(11):8167–8189. https://doi.org/10.1007/s00603-023-03491-0

8. Zhang K., Wang W., Cao Y., Duan X., Zheng Z., Zhu Q. Experimental investigations of the rock brittleness evaluation under different loading conditions. Rock Mechanics and Rock Engineering. 2025;58(2):1473–1502. https://doi.org/10.1007/s00603-024-04265-y

9. Козырев А.А. Геомеханическое обеспечение горных работ при отработке удароопасных месторождений в тектонически напряженных массивах. В кн.: Мельников Н.Н. (ред.) Геомеханика при ведении горных работ в высоконапряженных массивах: сб. науч. тр. Апатиты: КНЦ РАН; 1998. С. 11–25.

10. Рассказов И.Ю., Потапчук М.И., Аникин П.А., Гладырь А.В., Цициашвили Г.Ш. Исследование формирования очагов разрушения в удароопасных массивах горных пород месторождений востока России. В кн.: Курилко А.С. (ред.) Геомеханические и геотехнологические проблемы эффективного освоения месторождений твердых полезных ископаемых северных и Северо-Восточных регионов России: сб. науч. тр. Якутск: Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН; 2014. С. 23–29.

11. Семенова И.Э., Аветисян И.М. Прогноз удароопасности перспективных участков отработки Хибинской апатитовой дуги. Горная промышленность. 2023;(S1):43–47. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2023-S1-43-47 Semenova I.E., Avetisyan I.M. Prediction of rockburst hazards in prospective mining areas of the Khibiny Apatite Arc. Russian Mining Industry. 2023;(1 Suppl.):00–00. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2023-S1-43-47

12. Сентябов С.В., Карамнов Д.В. Методы определения первоначальных напряжений массива горных пород натурными измерениями. Проблемы недропользования. 2023;(1): 54–63. https://doi.org/10.25635/2313-1586.2023.01.054 Sentyabov S.V., Karamnov D.V. Methods for determining the initial stresses of the rock massif by in-situ measurements. Problems of Subsoil Use. 2023;(1):54–63. https://doi.org/10.25635/2313-1586.2023.01.054

13. Li J., Liu D., He M., Guo Y. True triaxial experimental study on the variation characteristics of rockburst with the number of fast unloading surfaces. Rock Mechanics and Rock Engineering. 2023;56(8):5585–5606. https://doi.org/10.1007/s00603-023-03311-5

14. Liu X., Yu J., Zhang J., Yao W., Cai Y., Zhou X. Anisotropic time-dependent deformation and damage constitutive model of rock under true triaxial compression. Mechanics of Time-Dependent Materials. 2024;28:2177–2203. https://doi.org/10.1007/s11043-023-09617-9

15. Gu L., Zhou Y., Xiao Y., Zhang Y., Wang Z. Effect of initial stress difference on hard rock fracture mechanism under true triaxial excavation unloading stress paths. Rock Mechanics and Rock Engineering. 2024;57(12):10205–10227. https://doi.org/10.1007/s00603-024-04090-3

16. Кузнецов Н.Н. Исследование энергоемкости разрушения скальных горных пород с целью оценки их удароопасности (на примере месторождений Кольского региона): автореф. дис. … канд. техн. наук. Апатиты; 2021. 25 с. Режим доступа: https://diss.igduran.ru/sites/default/files/disser/kuznetcov/kuznetcov_avtoreferat.pdf (дата обращения: 17.01.2025).

17. Козырев А.А., Кузнецов Н.Н., Шоков А.Н. Оценка удароопасности скальных горных пород Ждановского месторождения (Кольский полуостров). Горная промышленность. 2022;(6):75– 82. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2022-6-75-82 Kozyrev A.A., Kuznetcov N.N., Shokov A.N. Rockburst hazard assessment of hard rocks in the Zhdanovskoe deposit (Kola Peninsula). Russian Mining Industry. 2022;(6):75–82. (In Russ.) https://doi.org/10.30686/1609-9192-2022-6-75-82

18. Кузнецов Н.Н., Пак А.К. Исследование физико-механических свойств ийолит-уртита в условиях одноосного и трехосного сжатия. Горная промышленность. 2024;(2):127–133. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-2-127-133 Kuznetcov N.N., Pak A.K. Investigation of physical and mechanical properties of ijolite-urtite under uniaxial and triaxial compression. Russian Mining Industry. 2024;(2):127–133. (In Russ.) https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-2-127-133