Развитие подходов к мониторингу трещин растяжения и сдвига в скальных опорах для оценки риска их разрушения

DOI: https://doi.org/10.30686/1609-9192-2025-3-112-117

В.А. Шеков¹, Г.Н. Колесников²
¹ Институт геологии Карельского научного центра Российской академии наук, г. Петрозаводск, Российская Федерация
² Петрозаводский государственный университет, г. Петрозаводск, Российская Федерация
Горная Промышленность №3 / 2025 стр.112-117

Резюме: Предложена модель, описывающая механизм возникновения и постепенного развития трещин растяжения в поверхностном слое и трещин сдвига в ядре скальных опор (целиков) при одноосном сжатии. Модель отличается от существующих тем, что выделяет две стадии процесса повреждения: на первой стадии растягивающие напряжения инициируют трещинообразование, а на второй стадии касательные напряжения вызывают трещины сдвига. Данный подход не опирается на предварительные предположения о наличии или отсутствии трещин до начала деформирования, что расширяет область его применения. Наши предыдущие исследования показали, что растягивающие напряжения в ядровой части опоры отрицательно коррелируют с толщиной поверхностного слоя, содержащего вновь образовавшиеся радиальные трещины. При растягивающих напряжениях ниже предела прочности толщина этого слоя не увеличивается, что определяет переход ко второй стадии повреждения. На второй стадии продолжают расти касательные напряжения, что вызывает сдвиговое разрушение ядра опоры. Изучение реальных случаев показывает, что после первой стадии повреждения несущая способность опоры сохраняется лишь частично, так как повреждение существенно уменьшает его площадь поперечного сечения, например, до 42% от первоначального значения в рассмотренном примере. Результаты моделирования согласуются с известными исследованиями и выводами о том, что при проектировании скальных опор крайне важно учитывать постепенное разрушение и снижение несущей способности в процессе их эксплуатации для обеспечения безопасности горных работ. Индикаторами риска отказа скальных опор являются вертикальные трещины растяжения, отколы и трансформация в форму песочных часов. Более опасными являются трещины сдвига, которые появляются на второй стадии и ориентированы под углами, близкими к углу внутреннего трения. Результаты моделирования согласуются с известными данными. Однако изменчивость физико-механических свойств горных пород и внешних воздействий, которым они подвергаются, указывает на необходимость дальнейших исследований по этой теме.

Ключевые слова: горные породы, трещины растяжения, поверхностный слой, отколы, несущая способность, риск разрушения, безопасность горных работ

Для цитирования: Шеков В.А., Колесников Г.Н. Развитие подходов к мониторингу трещин растяжения и сдвига в скальных опорах для оценки риска их разрушения. Горная промышленность. 2025;(3):112–117. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2025-3-112-117

Информация о статье

Поступила в редакцию: 25.02.2025

Поступила после рецензирования: 10.04.2025

Принята к публикации: 21.04.2025

Информация об авторах

Шеков Виталий Александрович – кандидат технических наук, заместитель директора по научной работе, Институт геологии Карельского научного центра Российской академии наук, г. Петрозаводск, Российская Федерация; https://orcid.org/0000-0003-2781-2706; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Колесников Геннадий Николаевич – доктор технических наук, профессор, Институт лесных, горных и строительных наук Петрозаводского государственного университета, г. Петрозаводск, Российская Федерация; https://orcid.org/0000-0001-9694-0264; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Список литературы

1. Рыбин В.В., Константинов К.Н., Каган М.М., Панасенко И.Г. Принципы организации комплексной системы мониторинга устойчивости объектов горнодобывающего предприятия. Горный журнал. 2020;(1):53–57. https://doi.org/10.17580/gzh.2020.01.10 Rybin V.V., Konstantinov K.N., Kagan M.M., Panasenko I.G. Methodology of integrated stability monitoring in mines. Gornyi Zhurnal. 2020;(1):53–57. (In Russ.) https://doi.org/10.17580/gzh.2020.01.10

2. Голик В.И., Вернигор В.В., Келехсаев В.Б., Майстров Ю. Подземная разработка рудных месторождений с сохранением земной поверхности. Горные науки и технологии. 2018;(3):3–13. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2018-3-3-13 Golik V.I., Vernigor V.V., Kelekhsaev V.B., Mystrov Yu. Underground mining of ore deposits while keeping the earth’s surface. Mining Science and Technology (Russia). 2018;(3):3–13. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/2500-0632-2018-3-3-13

3. Сизин П.Е., Вознесенский А.С., Кидима Мбомби Л.К. Влияние длины трещин со случайными параметрами на электрическую проводимость горных пород. Горные науки и технологии. 2023;8(1):30–38. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2022-07-11 Sizin P.E., Voznesenskii A.S., Kidima-Mbombi L.K. Influence of random parameter joint length on rock electrical conductivity. Mining Science and Technology (Russia). 2023;8(1):30–38. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2022-07-11

4. Калашник А.И. Влияние водопритоков на прочностные характеристики пород Ловозерского редкометалльного месторождения. Горные науки и технологии. 2024;9(4):387-394. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2023-09-160 Kalashnik A.I. Effect of water inflows on the strength characteristics of the Lovozero rare-metal deposit rocks. Mining Science and Technology (Russia). 2024;9(4):387-394. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2023-09-160

5. Svetov S.A., Chazhengina S.Y., Stepanova A.V. Paleoproterozoic variolitic lavas from the onega basin, fennoscandian shield: Mineralogy, geochemistry and origin. Minerals. 2023;13(10):1320. https://doi.org/10.3390/min13101320

6. Svetova E.N., Svetov S.A., Lavrov O.B. Agate mineralization in paleoproterozoic organic carbon-rich sedimentary rocks of the onega basin (NW Russia): Insights into genesis. minerals. 2024;14(5):447. https://doi.org/10.3390/min14050447

7. Cao S., Xue G., Yilmaz E., Yin Z., Yang F. Utilizing concrete pillars as an environmental mining practice in underground mines. Journal of Cleaner Production. 2021;278:123433. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.123433

8. Жабко А.В. Фундаментальные проблемы практической геомеханики и возможные пути их преодоления. Известия Уральского государственного горного университета. 2018;(4):98–107. Режим доступа: https://iuggu.ru/download/2018-4-52-Zhabko.pdf (дата обращения: 07.02.2025). Zhabko A.V. Underlying problems of practical geomechanics and possible ways to overcome them. News of the Ural State Mining University. (In Russ.) Available at: https://iuggu.ru/download/2018-4-52-Zhabko.pdf (accessed: 07.02.2025).

9. Вознесенский А.С., Кидима-Мбомби Л.К. Формирование синтетических структур и текстур горных пород при их моделировании в среде COMSOL Multiphysics. Горные науки и технологии. 2021;6(2):65–72. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2021-2-65-72 Voznesensky A.S., Kidima-Mbombi L.K. Formation of synthetic structures and textures of rocks when simulating in COMSOL Multiphysics. Mining Science and Technology (Russia). 2021;6(2):65–72. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2021-2-65-72

10. Jing G., Montanari P.M., Lacidogna G. Study of Time-frequency domain of acoustic emission precursors in rock failure during uniaxial compression. Signals. 2024;5(1):105–117. https://doi.org/10.3390/signals5010006

11. Cai M., Kaiser P.K., Tasaka Y., Maejima T., Morioka H., Minami M. Generalized crack initiation and crack damage stress thresholds of brittle rock masses near underground excavations. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2004;41(5):833–847. https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2004.02.001

12. Esterhuizen G.S., Dolinar D.R., Ellenberger J.L. Pillar strength in underground stone mines in the United States. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2011;48(1):42–50. https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2010.06.003

13. Zheng Q., Qian J., Zhang H., Chen Y., Zhang S. Velocity tomography of cross-sectional damage evolution along rock longitudinal direction under uniaxial loading. Tunnelling and Underground Space Technology. 2024;143:105503. https://doi.org/10.1016/j.tust.2023.105503

14. Ma K., Peng Y., Liao Z., Wang Z. Dynamic responses and failure characteristics of the tunnel caused by rockburst: An entire process modelling from incubation to occurrence phases. Computers and Geotechnics. 2024;171:106340. https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2024.106340

15. Esterhuizen G.S., Tyrna P.L., Murphy M.M. A Case study of the collapse of slender pillars affected by through-going discontinuities at a limestone mine in Pennsylvania. Rock Mechanics and Rock Engineering. 2019;52(12):4941–4952. https://doi.org/10.1007/s00603-019-01959-6

16. Rafiei Renani H., Martin C.D. Modeling the progressive failure of hard rock pillars. Tunnelling and Underground Space Technology. 2018;74:71–81. https://doi.org/10.1016/j.tust.2018.01.006

17. Zhou J., Zhang Y., Li C., He H., Li X. Rockburst prediction and prevention in underground space excavation. Underground Space. 2023;14:70–98. https://doi.org/10.1016/j.undsp.2023.05.009

18. Zhang Y., Qi H., Li C., Zhou J. Enhancing safety, sustainability, and economics in mining through innovative pillar design: A state-of-the-art review. Journal of Safety and Sustainability. 2024;1(1);53–73. https://doi.org/10.1016/j.jsasus.2023.11.001

19. Kaiser P.K., Moss A. Deformation-based support design for highly stressed ground with a focus on rockburst damage mitigation. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2022;14(1):50–66. https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2021.05.007

20. Ma J., Li T., Shirani Faradonbeh R., Sharifzadeh M., Wang .J, Huang Y. et al. Data-driven approach for intelligent classification of tunnel surrounding rock using integrated fractal and machine learning methods. Fractal and Fractional. 2024;8(12):677. https://doi.org/10.3390/fractalfract8120677

21. Bieniawski Z.T. Engineering classification of jointed rock masses. Transaction of the South African Institution of Civil Engineers. 1973;15:335–344. Available at: https://journals.co.za/doi/pdf/10.10520/AJA10212019_17397 (accessed: 12.05.2024).

22. Hoek E., Martin C.D. Fracture initiation and propagation in intact rock – A review. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2014;6(4):287–300. https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2014.06.001

23. Fakhimi A., Hemami B. Axial splitting of rocks under uniaxial compression. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2015;79:124–134 https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2015.08.013

24. Perras M.A., Diederichs M.S. A review of the tensile strength of rock: Concepts and testing. Geotechnical and Geological Engineering. 2014;32:525–546. https://doi.org/10.1007/s10706-014-9732-0

25. Askaripour M., Saeidi A., Mercier-Langevin P., Rouleau A. A review of relationship between texture characteristic and mechanical properties of rock. Geotechnics. 2022;2(1):262–296. https://doi.org/10.3390/geotechnics2010012

26. Hong Z., He M., Ding M., Yu X., He L., Zhang Y., Wen Z. A direct measurement method for the uniaxial tensile strength of rock. Buildings. 2024;14(12):3903. https://doi.org/10.3390/buildings14123903

27. Hu X., Lacidogna G., Xie N., Montanari P.M., Gong X. Tensile microcracking behavior of granites after high temperature treatment by considering the effect of grain size and mineralogical composition. Rock Mechanics and Rock Engineering. 2024;57(12):10583–10609. https://doi.org/10.1007/s00603-024-04108-w

28. Кузьмин С.В., Шнайдер И.В., Кыштымов И.В. Выявление опасных зон при проходке подготовительных выработок в сложных горно-геологических условиях. Горный журнал. 2024;(1):45–49. https://doi.org/10.17580/gzh.2024.01.07 Kuzmin S.V., Shnaider I.V., Kyshtymov I.V. Detection of hazardous zones in development headings in difficult geological conditions. Gornyi Zhurnal. 2024;(1):45–49. (In Russ.) https://doi.org/10.17580/gzh.2024.01.07

29. Shekov V., Kolesnikov G. Modeling the conditions of occurrence and state of radial cracks in rock specimens under axial compression with lateral pressure. Applied Sciences. 2024;14(24):11552. https://doi.org/10.3390/app142411552

30. Хакимов Ш.И., Уринов Ш.Р. Подэтажная система с искусственными целиками из твердеющей закладки для разработки жил в сложных геомеханических условиях. Горные науки и технологии. 2021;6(4):252–258. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2021-4-252-258 Khakimov Sh.I., Urinov Sh.R. Sublevel stoping with applying artificial hardening stowing pillars for extraction of veins in complicated geotechnical conditions. Mining Science and Technology (Russia). 2021;6(4):252–258. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/2500-0632-2021-4-252-258

31. Zhu C., Huang M., Cai Q., Zuo Y., Tang S., Yin Q. Complex rock mechanics problems and risk prevention solutions. Applied Sciences. 2025;15(2):755. https://doi.org/10.3390/app15020755