Исследование прочностных свойств слабых хрупких горных пород при испытании образцов сосредоточенной нагрузкой

Проведены сопоставительные испытания пород средней и слабой прочности методами сосредоточенной нагрузки образцов, с реализацией многофункционального и упрощенного подходов к определению прочности. Установлено, что в пределах одного литологического типа влияние прочности и плотности породы на величину коэффициента хрупкости по прочности незначительно. Учитывая это, предлагается распространить методы испытаний образцов сосредоточенной нагрузкой на слабые хрупкие породы прочностью на растяжение менее 0,5 МПа. Выполнены исследования прочностных свойств горных пород угленосной толщи и коренных пород Солнцевского буроугольного месторождения по данным испытаний сосредоточенной нагрузкой. Определены средние значения коэффициента хрупкости слабых хрупких горных пород месторождения в состоянии природной влажности. Показано, что повышение влажности пород месторождения вызывает снижение прочности и уменьшение их хрупкости (уменьшение коэффициента хрупкости, в среднем, на 1–1,5). Разработана расчётная методика перехода от показателей прочности, определяемых методом Point Load Strength Test, к показателям, определяемым методом разрушения образцов сферическими инденторами. Предлагаются два варианта методики перехода. Первая направлена на реализацию схемы испытаний сферическими инденторами при замене нагрузочных элементов усеченными конусами с закруглениями. Вторая, упрощенная, основана на использовании данных испытаний методом Point Load Strength Test, которые дополняются сведениями о литологическом типе породы и построением корреляционных зависимостей для усредненных параметров. При этом допускается испытание образцов неправильной формы.

Коршунов В. А., Шоков А. Н., Дорджиев Д. Ю., Черских О. И. Исследование прочностных свойств слабых хрупких горных пород при испытании образцов сосредоточенной нагрузкой // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2024. — № 11−1. — С. 97—115. DOI: 10.25018/0236_1493_2024_111_0_97.

Коршунов Владимир Алексеевич — канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник, Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II, СанктПетербург, Россия, maok@bk.ru, https://orcid.org/0009−0002−6330−0230;
Шоков Анатолий Николаевич — канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник, СанктПетербургский горный университет императрицы Екатерины II, Санкт-Петербург, Россия), ntl2000@yandex.ru;
Дорджиев Дмитрий Юрьевич — канд. техн. наук, руководитель геомеханической службы, ООО «Восточная горнорудная компания», Москва, Россия, dordzhievd@ eastmining.ru;
Черских Олег Иванович — канд. техн. наук, директор, ООО «Солнцевский угольный разрез», Шахтерск, Россия.

Коршунов В. А., e-mail: maok@bk.ru.

1. Barton N., Shen B. Risk of shear failure and extensional failure around over-stressed excavations in brittle rock. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2017. Vol. 9, Iss. 2. pp. 210–225.

2. Ismail M. K. A., Mohd-Nordin M. M., Hasan A. S. Md., Albar A., Razali M. N. Shear strength behaviour of rock joint material influenced by different weathering grade. Journal of Physics: Conference Series. 2019. Vol. 1349. Iss. 1. N 012069. DOI: 10.1088/1742−6596/1349/1/012069.

3. The ISRM Suggested Methods for Rock Characterization, Testing and Monitoring: 2007–2014. International Society for Rock Mechanics, Ulusay R. (editor). Springer International Publishing Switzerland. 2015. DOI 10.1007/978−3-319−07713−0.

4. Карташов Ю. М., Матвеев Б. В., Михеев Г. В., Фадеев А. Б. Прочность и деформируемость горных пород // М., Недра, 1979, 269 с.

5. Грищенко А. И., Семенов А. С., Мельников Б. Е. Моделирование процессов деформирования и разрушения керна при его извлечении с больших глубин // Записки Горного института. 2021. Т. 248. С. 243–252. DOI:10.31897/PMI.2021.2.8.

6. Li Y., Oh J., Mitra R., Canbulat I. A Fractal Model for the Shear Behaviour of LargeScale Opened Rock Joints. Rock Mechanics and Rock Engineering. 2017. Vol. 50. Iss. 1, pp. 67–79. DOI: 10.1007/s00603−016−1088−8.

7. Akram Deiminiat, Li Li, Feitao Zeng, Pabst T., Chiasson P., Chapuis R. Determination of the Shear Strength of Rockfill from Small-Scale Laboratory Shear Tests: A Critical Review. Hindawi Advances in Civil Engineering. 2020. Vol. 2020. ID 8890237. DOI: 10.1155/2020/8890237.

8. Molina S. L., Bradfield L., Fityus S. G., Simmons J. V., Lizcano A. Design of a 720-mm Square Direct Shear Box and Investigation of the Impact of Boundary Conditions on LargeScale Measured Strength. Geotechnical Testing Journal. 2020. Vol. 43. Iss. 6. DOI: 10.1520/ GTJ20190344.

9 Протосеня А. Г., Иовлев Г. А. Прогноз пространственного напряженно-деформированного состояния физически нелинейного грунтового массива в призабойной зоне тоннеля / Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), 2020. No 5, С. 128–139. DOI: 10.25018/0236−1493−2020−5-0−128−139.

10. Nguyen Tai Tien, Karasev M. A., Vilner M. A. Study of the stress-strain state in the subrectangular tunnel. Geotechnics for Sustainable Infrastructure Development: Conference Proceedings. Series: Lecture Notes in Civil Engineering. Singapore: Springer, 2020. Vol. 62. pp. 383–388.

11. Господариков А. П., Трофимов А. В., Киркин А. П. Оценка деформационных характеристик хрупких горных пород за пределом прочности в режиме одноосного сервогидравлического нагружения // Записки Горного института. 2022. Т. 256. С. 539–548. DOI: 10.31897/PMI.2021.2.8.

12. Козырев А. А., Кузнецов Н. Н., Макаров А. Б. О критериях удароопасности горных пород. Горная промышленность. 2023; (S1):00–00. https://doi.org/10.30686/1609−9 192−2023-S1−00−00.

13. Noskov V. A., Tsirel S. V., Korchak P. A. Investigation of the impact of geodynamic risk on the financial and economic activities of mining enterprises, Rock Mechanics for Natural Resources and Infrastructure Development — Proceedings of the 14th International Congress on Rock Mechanics and Rock Engineering, ISRM 2019, 2020, С. 330–335.

14. Trushko V. L., Protosenya A. G., Ochkurov V. I. Prediction of the geomechanically safe parameters of the stopes during the rich iron ores development under the complex mining and geological conditions // International Journal of Applied Engineering Research. 2016. Vol. 11. Iss. 22. pp. 11095−11103.

15. Жабко А. В. Фундаментальные проблемы практической геомеханики и возможные пути их преодоления. Известия Уральского государственного горного университета 2018. Вып. 4(52). С. 90–107 doi.org/10/21440/2307−2091−2018−4-98−107.

16. Franklin J. A. Suggested Methods for Determining Points Load Strength // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts. 1985. Vol. 22. Iss. 2. Pp. 51–60. DOI: 10.1016/0148−9062(85)92327−7.

17. Kong F., Shang J. A Validation Study for the Estimation of Uniaxial Compressive Strength Based on Index Tests. Rock Mechanics and Rock Engineering. 2018. Vol. 51 (7). 2289–2297. doi.org/ 10.1007/s00603−018−1462−9.

18. Bieniawski Z. T. Estimating the strength of rock materials. Journal of the South African Institute of Mining and Metallurgy. 1974. Vol. 74. Nо 8, pp. 312−320.

19. 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, No 5, С. 11–18. DOI: 10.17580/gzh.2023.05.02.

20. Wang M., Zhang C., Xu W. Study on the mechanical properties of anisotropic red sandstone under point load strength test and uniaxial compression strength. Journal of Civil Engineering and Environmental Sciences 2023. 9(2): 025−032. DOI: 10.17352/2455−488X.000064.

21. Sahin M., Ulusay C., Karaki H. Point load Strength Index of Half-Cut Core Specimens and Correlation with Uniaxial Compressive Strength. Journal of Rock Mechanics and Rock Engineering, April 2020. 53 (8), 3745−3760. doi.org/10.1007/s00603−020−02137−9.

22. Zhao R., Tao M., Cao W. Strength and failure characteristics of marble spheres subjected to paired point loads. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, September 2023. 15 (9). 2282−2290. doi.org / 10.1016/ jrmge. 2022. 11. 019.

23. Ильинов М. Д., Петров Д. Н., Колонтаевский Е. В., Страупник И. А. Исследование возможности применения акрилатов в качестве заполнителя кейлькранца при разработке соляных толщ на больших глубинах. Горный журнал. 2023. No 8. С. 77–87. DOI: 10.17580/gzh.2023.08.10.

24. Дашко Р. Э., Лохматиков Г. А. Верхнекотлинские глины Санкт-Петербургского региона как основание и среда уникальных сооружений: инженерно-геологический и геотехнический анализ// Записки Горного института. 2022. Т. 254. С. 180–190. DOI:10.31897/PMI.2022.13.

25. Kolapo P., Munemo P. Investigation the correlations between point load strength index, uniaxial compressive strength and Brazilian tensile strength of sandstones. A case study of QwaQwa sandstone deposit. International Journal of Mining Engineering, 2021. Vol. 12, No. 1, pp. 67–83. DOI: 10.1504/IJMME. 2021. 114915.

26 Singh H. K., Basu A. Evaluation of existing criteria in estimating shear strength of natural rock discontinuities. Engineering Geology. 2018. Vol. 232. pp. 171–181.

27. Hoek E. Rock Mechanics Laboratory Testing in the Context of a Consulting Engineering Organization. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. and Geotech. Abstract 14 (1977), pp. 93−101.

28. Ovalle C., Linero S., Dano C., Bard E.,Hicher P.-Y., Osses R. Data Compilation from Large Drained Compression Triaxial Tests on Coarse Crushable Rockfill materials. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 2020. Vol. 146, Iss. 9. 06020013. DOI: 10.1061/(ASCE)GT.1943−5606.0002314.

29. Зуев Б. Ю., Истомин Р. С., Обожина Е. П. Физическое моделирование нелинейных геомеханических процессов при разработке калийных месторождений Горный журнал, 2023, No 5, С. 75–80 DOI: 10.17580/gzh.2023.05.11.

30. Stigsson M., Mas Ivars D. A Novel Conceptual Approach to Objectively Determine JRC Using Fractal Dimension and Asperity Distribution of Mapped Fracture Traces. Rock Mechanics and Rock Engineering. 2019. Vol. 52, pp. 1041−1054. DOI: 10.1007/ s00603−018−1651−6.

31. Kohno M., Maeda H. Correlation between Point Load Strength Index and Physical Properties of Hydrothermally Altered Rocks. International Journal of Mining Engineering and Mineral Processing, 2018; 7(1): 1−13 doi: 10.5923/j.mining 2018 070.01.

32. Alitalesh M., Mollaali M., Yazdani M. Correlation between uniaxial strength and point load index of rocks. Japanese Geotechnical Special Publication. January 2016, 2(12): pp. 504–507. DOI: 10.3208/jgssp.IRN-08.

33. Endait M., Juneja A. New correlations between uniaxial compressive strength and point load strength of basalt. International Journal of Geotechnical Engineering. 2015. Vol. 9, pp. 348–353 doi:.org/ 10.1179/1939787914Y.0000000073.

34. Zingano A. C. Estimating Coal Strength Based on Historical Laboratory Tests and Geomechanics Classification. Aspects Min. Miner. Sci. 5(4). 2020. pp. 620−625. DOI: 10.31031/ AMMS: 2020.05.000618.

35. Якубовский М. М., Михайлова Е. А., Бажуков А. А. Обоснование эффективности применения фрезерных комбайнов селективной выемки для разработки угольных месторождений в условиях низких температур // Горный информационно-аналитический бюллетень — 2021. — No 10. — С. 42–57. 10.25018/0236_1493_2021_10_0_42.