Определение длительной прочности при сжатии горных пород нагружением образцов сферическими инденторами

Представлены результаты экспериментальных исследований прочностных свойств горных пород при кратковременных и длительных механических испытаниях в условиях одноосного и объемного сжатия. Для определения длительной прочности пород по результатам испытания образцов сферическими инденторами предлагается использовать традиционный подход, учитывающий влияние структурных изменений в деформируемой породе. Разработан ускоренный метод определения предела длительной прочности при одноосном сжатии, основанный на измерении напряжений в образце на границе зоны интенсивной трещиноватости вблизи контактов со сферическими инденторами. Исследованы закономерности изменения показателей длительной прочности пород при объемном сжатии. Установлено, что сцепление при объемном сжатии и максимальное касательное напряжение отличаются от аналогичных значений при кратковременных испытаниях в одинаковой мере, определяемой коэффициентом длительной прочности. При этом соответствующие углы внутреннего трения при кратковременных и длительных испытаниях равны. Разработан расчетный метод определения показателей длительной прочности пород при объемном сжатии нагружением образцов сферическими инденторами. Метод основан на подобии процессов структурных изменений при кратковременном и длительном режимах нагружения в различных напряжённых состояниях. Изучена взаимная связь показателей длительной прочности при объемном сжатии с прочностью на сжатие и хрупкостью пород, на основе которой предложены зависимости для вычисления показателей паспорта длительной прочности при объемном сжатии.

Петраков Д. Г., Коршунов В. А., Шоков А. Н., Карманский Д. А. Определение длительной прочности при сжатии горных пород нагружением образцов сферическими инденторами // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2025. — № 11-1. — С. 38—56. DOI: 10.25018/0236_1493_2025_111_0_38.

Работа выполнена в рамках исследований термодинамических процессов Земли с позиции генезиса углеводородов на больших глубинах — FSRW-2024-0008

Петраков Дмитрий Геннадьевич¹ — канд. техн. наук, проректор по образовательной деятельности, Petrakov_DG@pers.spmi.ru, https://orcid.org/0000-0002-0461-1621;
Коршунов Владимир Алексеевич¹ — канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник, Korshunov_VA@pers.spmi.ru, https:^orcid.org/0009-0002-6330-0230;
Шоков Анатолий Николаевич¹ — канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник, Shokov_AN@pers.spmi.ru, https://orcid.org/0000-0002-0735-2063;
Карманский Даниил Александрович¹ — ведущий инженер, Karmanskiy_DA@pers. spmi.ru, https://orcid.org/0000-0002-3214-5322.
¹ Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II, Санкт- Петербург, Россия.

Коршунов В. А., e-mail: Korshunov_VA@pers.spmi.ru.

1. Ягодкин Г. И., Мохначёв М. П., Кунтыш М. Ф. Прочность и деформируемость горных пород в процессе их нагружения. — М.: Недра, 1971. — 148 с.
2. Фисенко Г. Л. Предельное состояние горных пород вокруг выработок. — М.: Недра, 1976. — 272 с.
3. Титов Б. В. Исследование и разработка метода определения длительной прочности соляных горных пород при сжатии: автореф. дисс. … канд. техн. наук. — Березники: ВНИИГ, Уральский филиал, 1983. — 18 с.
4. Zafar S., Hedayat A., Moradian O. Energy budget of brittle fracturing in granite under stress relaxation and creep // Rock Mechanics and Rock Engineering. 2024, vol. 57(2), pp. 921–943.
5. Чжао Х., Ван Х., Лю Ш., Чен Х., Чен Ч. Характеристики разрушения при сдвиговой ползучести мягких трещиноватых пород // ФТПРПИ. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2024. — № 5. — С. 61–72. DOI: 10.15372/FTPRPI20240506.
6. Nyungu D., Stacey T. R. Time-dependent tensile strengths of Bushveld Complex rocks and implications for rock failure around mining excavations // The Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy. 2014, vol. 114, pp. 765–772.
7. Павлович А. А., Хорева А. Ю. Определение прочностных свойств отвальной массы для оценки устойчивости откосов отвалов // Горный журнал. — 2023. — № 5. — С. 55–61. DOI: 10.17580/gzh.2023.05.08.
8. Karasev M. A., Protosenya A. G., Katerov A. M., Petrushin V. V. Analysis of shaft lining stress state in anhydrite-rock salt transition zone // Rudarsko-geološko-naftni zbornik. 2022, vol. 37 (1), pp. 151–162. DOI: 10.17794/rgn.2022.1.13.
9. Коврижных А. М., Барышников В. Д., Хмелинин А. П. Определение времени разрушения горных пород по деформационному критерию длительной прочности // ФТПРПИ. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2023. — № 6. — С. 42–51. DOI: 10.15372/FTPRPI20230604.
10. Зуев Б. Ю., Истомин Р. С., Обожина Е. П. Физическое моделирование нелинейных геомеханических процессов при разработке калийных месторождений // Горный журнал. — 2023. — № 5. — С. 75–80. DOI: 10.17580/gzh.2023.05.11.
11. Shabarov A. N., Kuranov A. D., Kiselev V. A. Assessing the zones of tectonic fault influence on dynamic rock pressure mani festation at Khibiny deposits of apatite-nepheline ores // Eurasian Mining. 2021, no. 2(36), pp. 3–7. DOI: 10.17580/em.2021.02.01.
12. Поспехов Г. Б., Норова Л. П., Изотова В. А. Сравнение методов определения гранулометрического состава гипсосодержащих отходов нейтрализации серной кислоты известняком // Устойчивое развитие горных территорий. — 2024. — Т. 16. — № 4. — С. 1729–1742. DOI: 10.21177/1998-4502-2024-16−4-1729−1742.
13. 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.
14. Hou R., Cui Q., Wu H., Shi Y. Creep behavior and long-term strength characteristics of pre-peak damaged sandstone under conventional triaxial compression // Scientific Reports. 2023, vol. 13, 3850. https://doi.org/10.1038/s41598-023-31028-6.
15. Wang J., Zhang Q., Song Z., Feng S., Zhang Y. Nonlinear creep model of salt rock used for displacement prediction of salt cavern gas storage // Journal of Energy Storage. 2022, vol. 48, article 103951. DOI: 10.1016/j.est.2021. 103951.
16. Bieniawski Z. T. The mechanism of brittle fracture of rock, parts I, II, III // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 1967, vol. 4, pp. 396–435.
17. Карташов Ю. М., Матвеев Б. В., Михеев Г. В., Фадеев А. Б. Прочность и деформируемость горных пород. — М.: Недра, 1979. — 269 с.
18. Гудман Р. Механика скальных пород. — М.: Стройиздат, 1987. — 232 с.
19. 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.
20. Асанов В. А., Паньков И. Л. Изучение особенностей деформирования соляных пород при длительном нагружении // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2010. — № 1. — С. 105–109.
21. Барях А. А., Ударцев А. А., Паньков И. Л. К оценке длительной прочности соляных пород // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2024. — № 11. — С. 5–22. DOI: 10.25018/0236_1493_2024_11_0_5.
22. Осипов Ю. В., Вознесенский А. С. Исследование реологических свойств горных пород в экспериментах по ступенчатому нагружению цилиндрических образцов // Прикладная механика и техническая физика. — 2022. — Т. 63. — № 2(372). — С. 197—206. DOI: 10.15372/ PMTF20220219.
23. Шкуратник В. Л., Кравченко О. С., Филимонов Ю. Л. Экспериментальное исследование зависимостей акустико-эмиссионных и реологических характеристик каменной соли от напряжений и температуры // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2019. — № 4. — С. 20—26. DOI: 10.15372/FTPRPI20190403.
24. Zha E., Zhang Z., Zhang R., Wu S., Li C., Ren L., Gao M., Zhou J. Long-term mechanical and acoustic emission characteristics of creep in deeply buried jinping marble considering excavation disturbance // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2021, vol. 139, art. 104603.
25. Aghajanzadeh M., Masoumi H., Heidarpour A., Alejano L. R. Estimating Time-to-Failure and Long-Term Strength of Rocks Based on Creep Strain Rate Model // Rock Mechanics and Rock Engineering. 2024, pp. 1–17. https://doi.org/10.1007/s00603−024−04088-x.
26. Ударцев А. А., Паньков И. Л. Изучение характера деформирования сильвинита в условиях одноосного сжатия при различных режимах нагружения // Горное эхо. — 2022. — № 4(89). — С. 54—59. DOI: 10.7242/echo.2022.4.9.
27. Lin H., Oh J., Canbulat I., Hebblewhite B., Masoumi H., Walsh S. Experimental study on borehole size effect and prediction of breakout initiation stress // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2021, vol. 142, art. 104762.
28. Wang Z., Shen M., Ding W., Jang B., Zhang Q. Time-dependent behavior of rough discontinuities under shearing conditions // Journal of Geophysics and Engineering. 2018, vol. 15, issue 1, pp. 51–61. https://doi.org/10.1088/1742−2140/aa83e9.
29. Ильницкая Е. И., Тедер Р. И., Ватолин Е. С., Кунтыш М. Ф. Свойства горных пород и методы их определения. — М.: Недра, 1969.
30. Протодьяконов М. М. Обобщенное уравнение огибающих к предельным кругам напряжений Мора // Исследование физико-механических свойств горных пород применительно к задачам управления горным давлением. — М.: Изд-во Академии наук СССР, 1962. — С. 82–89.
31. Багаутдинов И. И., Беляков Н. А., Севрюков В. В., Рассказов М. И. Применение модели упрочняющегося грунта для прогноза зоны пластических деформаций массива слабоустойчивых пород Яковлевского железорудного месторождения // Горный журнал. — 2022. — № 12. — C. 16–21. DOI: 10.17580/gzh.2022.12.03.
32. Korshunov V. A., Solomoichenko D. A., Bazhukov A. A. Strength Estimation of Fractured Rock Using Compression — A Specimen with Spherical Indenters // ISRM European Rock Mechanics Symposium — EUROCK 2018, 22–26 May 2018, Saint Petersburg, Russia. 2018, vol. 1, pp. 299–305.
33. 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. — № 10. — С. 42–57. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_10_0_42.
34. 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.2022.87.
35. Агеенко В. А. Обоснование оптимальных параметров экспресс-метода определения характеристик ползучести каменной соли: автореф. дисс. … канд. техн. наук. — М., 2020. — 25 с.