Изменение коэффициента трещиностойкости горных пород при умеренном тепловом воздействии

Приведены результаты лабораторных испытаний определения коэффициента трещиностойкости горных пород различных генотипов при умеренном (до 100 °С) тепловом воздействии. Испытания проводились на образцах гранита, известняка и мрамора с различной крупностью зерен. Для этих целей были подготовлены образцы в виде балок длиной 90 мм (L), шириной 20 мм (b) и толщиной 10 мм (t), отклонение от параллельности граней образца не превышало 0,5% соответствующего линейного размера образца с пропилом глубиной 7 мм (h) и толщиной не более 1,2 мм (e) в средней части, имитирующим краевую трещину. После всех этапов подготовки образцы проходили контроль на наличие внутренних дефектов с помощью ультразвуковой дефектоскопии. В ходе исследования была сконструирована установка, позволяющая производить нагрев образцов непосредственно во время их испытания на трехточечный изгиб. При температурах от 20 до 80 °С отслеживалось изменение критического коэффициента интенсивности напряжений KIC (коэффициента трещиностойкости) – силовой характеристики трещиностойкости материала. В исследованиях не учитывались результаты, полученные при испытании образцов, плоскость магистральной трещины которых отклонялась от плоскости пропила на 2 мм и более. Также не учитывались результаты, отклоняющиеся от среднего арифметического на 30%. Исследования воздействия теплового поля на способность образцов сопротивляться росту трещин показали снижение этой способности с повышением температуры для всех исследуемых горных пород.

Винников В. А., Павлов И. А. Изменение коэффициента трещиностойкости горных пород при умеренном тепловом воздействии // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2024. – № 3. – С. 5–16. DOI: 10.25018/0236_1493_2024_3_0_5.

Винников Владимир Александрович¹ — д-р физ.-мат. наук, доцент, зав. кафедрой, e-mail: evgeny.vinnikov@gmail.com, ORCID ID: 0000-0002-3011-053X,
Павлов Илья Алексеевич¹ — аспирант, e-mail: 3.14alekseevich@gmail.com, ORCID ID: 0009-0005-1011-9819,
¹ Университет науки и технологий МИСИС.

Павлов И.А., e-mail: 3.14alekseevich@gmail.com.

1. Першин Г. Д., Пшеничная Е. Г., Мажитов А. М. Энергетические критерии квазихрупкого разрушения горных пород в технологических процессах их добычи и первичной переработки // Горная промышленность. — 2022. — № 2. — С. 84—89. DOI: 10.30686/1609-9192-2022-2-84-89.

2. Трофимов В. А., Кубрин С. С., Филиппов Ю. А., Харитонов И. Л. Численное моделирование напряженно-деформированного состояния вмещающего массива и пологого мощного угольного пласта при завершении отработки выемочного столба // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2019. — № 8. — С. 42—56. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-08-0-42-56.

3. Хлопцов Д. В., Винников В. А. Определение давления горных пород на крепь скважины // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2019. — № 8. — С. 74—82. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-08-0-74-82.

4. Sas I. E., Cherepetskaya E. B., Pavlov I. A. Solving problems in geomechanics: Comparison of the fidesys strength analysis system and the plaxis software package // Key Engineering Materials. 2017, vol. 755, pp. 238—332. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.755.328.

5. You W., Tubing Y., Dengdeng Z., Qiang L., Yongjun C. Research on the effect of thermal treatment on the crack resistance curve of marble using notched semi-circular bend specimen // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. 2022, vol. 119, article 103344. DOI: 10.1016/j.tafmec.2022.103344.

6. Кашников Ю. А., Ашихмин С. Г., Кухтинский А. Э., Шустов Д. В. О связи коэффициентов трещиностойкости и геофизических характеристик горных пород месторождений углеводородов // Записки Горного института. — 2020. — Т. 241. — С. 83—90. DOI: 10.31897/PMI.2020.1.83.

7. Feng Z., Zhao Y., Liu D. Permeability evolution of thermally cracked granite with different grain sizes // Rock Mechanics and Rock Engineering. 2021, vol. 54, pp. 1953—1967. DOI: 10.1007/s00603020-02361-3.

8. Guo Q., Su H., Liu J., Yin Q., Jing H., Yu L. An experimental study on the fracture behaviors of marble specimens subjected to high temperature treatment // Engineering Fracture Mechanics. 2020, vol. 225, article 106862. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2019.106862.

9. Ouchterlony F. Suggested methods for determining the fracture toughness of rock // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts. 1988, vol. 25, no. 2, pp. 71—96.

10. Черепецкая Е. Б., Безруков В. И. Оценка коэффициента трещиностойкости при циклическом воздействии температурными полями // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2023. — № 1. — С. 49—58. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_1_0_49.

11. Su H., Jing H., Yu L., Yin Q., Han G. Mode I fracture behaviour of sandstone after heat treatment // Géotechnique Letters. 2017, vol. 7, no. 1, pp. 47—52. DOI: 10.1680/jgele.16.00136.

12. Shihao Y., Qiang S., Pengfei L., Jishi G., He Z. Fracture properties and dynamic failure of three-point bending of yellow sandstone after subjected to high-temperature conditions // Engineering Fracture Mechanics. 2022, vol. 256, article 108366. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2022.108366.

13. Fowell R. J. Suggested method for determining mod. I fracture toughness using cracked chevron notched Brazilian disc (CCNBD) specimens // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts. 1995, vol. 32, no. 1, pp. 57—64. DOI: 10.1016/0148-9062(94)00015-U.

14. Kuruppu M. D., Obara Y., Ayatollahi M. R., Chong K. P., Funatsu T. ISRM-suggested method for determining the mode i static fracture toughness using semi-circular bend specimen // Rock Mechanics and Rock Engineering. 2013, vol. 47, no. 1, pp. 267—274. DOI: 10.1007/s00603-013-0422-7.

15. Ulusay R. The ISRM suggested methods for rock characterization, testing and monitoring: 2007—2014 // Bulletin of Engineering Geology and the Environment. 2015, vol. 74, pp. 1499—1500. DOI: 10.1007/s10064-015-0780-3.

16. Schmidt R. A. Fracture-toughness testing of limestone // Experimental Mechanics. 1976, vol. 16, pp. 161—167.

17. Дерюгин Е. Е., Богданов А. А. Определение трещиностойкости образцов с шевронным надрезом с использованием трехточечного изгиба // Письма в Журнал технической физики. — 2021. — Т. 47. — № 20. — С. 35—37. DOI: 10.21883/PJTF.2021.20.51612.18936.

18. Jianping Z., Yulin L., Xiaoyan Z., Zhihong Z., Tingzheng W. The effects of thermal treatments on the subcritical crack growth of Pingdingshan sandstone at elevated high temperatures // Rock Mechanics and Rock Engineering. 2018, vol. 51, pp. 3439—3454. DOI: 10.1007/s00603-018-1527-9.

19. Fan X., Lin H., Cao R. Bending properties of granite beams with various section-sizes in threepoint bending tests // Geotechnical and Geological Engineering. 2019, vol. 37, pp. 1—11. DOI: 10.1007/ s10706-018-0504-0.

20. Павлов И. А., Винников В. А., Павлов К. А. Лабораторная установка для исследования трещиностойкости пород-коллекторов // Ашировские чтения. — 2023. — Т. 2. — № 15. — С. 13—23.