Влияние масштабного фактора на прочность горных пород

Выполнен обзор исследований по определению предела прочности при одноосном сжатии разноразмерных образцов горных пород с анализом основных теорий, объясняющих влияние масштабного фактора на предел прочности. Многочисленные исследования данного вопроса показывают различные закономерности его проявления. При возрастании размера образцов горных пород их прочность может уменьшаться, возрастать, не изменяться или иметь переменный характер. С целью дополнения имеющихся знаний нами проведены экспериментальные работы по оценке масштабного фактора для осадочных, метаморфических и магматических пород на образцах кубической формы размером от 20×20×20 мм до 60×60×60 мм. Исследовано влияние попеременного замораживания и оттаивания на изменение предела прочности для 21 вида горных пород с учетом их средней плотности в сухом состоянии. Также исследовано изменение прочности образцов горных пород, вырезанных из различных высотных зон одного разностного слоя мячковского известняка. Рассмотрено влияние слоистости и неоднородности прочностных свойств в зависимости от направления прикладываемой нагрузки при прессовых испытаниях. На основе полученных результатов для повышения точности испытаний даны рекомендации по размерам образцов и их количеству в рамках методик испытаний, регламентированных ГОСТом 30629-2011. Сделаны выводы о применении полученных результатов прочностных показателей горных пород для оценки прочностных свойств массива горных пород.

Супрун В. И., Левченко Я. В., Колотовкин А. С., Ворошилин К. С. Влияние масштабного фактора на прочность горных пород // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2023. – № 10. – С. 5–19. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_10_0_5.

Супрун Валерий Иванович¹ — д-р техн. наук, директор Проектно-экспертного центра НИТУ «МИСиС», e-mail: labstone@mail.ru, ORCID ID: 0000-0003-4585-8003,
Левченко Ярослав Викторович¹ — канд. техн. наук, доцент, e-mail: levchenko.mggu@mail.ru, ORCID ID: 0000-0002-2080-6330,
Колотовкин Алексей Сергеевич¹ — аспирант, e-mail: kolotovkin1904@mail.ru,
Ворошилин Константин Сергеевич¹ — старший преподаватель, e-mail: k.voroshilin@yandex.ru,
¹ НИТУ «МИСиС».

Левченко Я. В., e-mail: levchenko.mggu@mail.ru.

1. Жабин А. Б., Поляков А. В., Аверин Е. А., Линник Ю. Н., Линник В. Ю. Комплексное влияние размеров образца горной породы на величину предела прочности на сжатие // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 8. — С. 5—13. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_8_0_5.

2. Султаналиева Р. М., Конушбаева А. Т., Турдубаева Ч. Б. Определение прочностных показателей горных пород при одноосном сжатии и растяжении // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. — 2021. — № 5. — С. 61—66.

3. Койфман М. И. Главный масштабный эффект в горных породах и углях / Проблемы механизации горных работ. — М.: Изд-во АН СССР, 1963. — С. 39—56.

4. Койфман М. И. О влиянии размеров на прочность горных пород / Исследование физико-механических свойств горных пород применительно к задачам управления горным давлением. — M.: Изд-во АН СССР, 1962. — C. 6—14.

5. Ермолович Е. А., Овчинников А. В., Аникеев А. А., Хаустов В. В. Влияние размеров образца на прочность мела // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. — 2020. — № 2. — С. 263—271.

6. Komurlu E. Loading rate conditions and specimen size effect on strength and deformability of rock materials under uniaxial compression // Geo-Engineering. 2018, vol. 9, no. 17, pp. 1—11. DOI: 10.1186/s40703-018-0085-z.

7. Honghua Songa, Yaodong Jiangb, Derek Elsworthd, Yixin Zhaoa, Jiehao Wangd, Bin Liua Scale effects and strength anisotropy in coal // International Journal of Coal Geology. 2018, vol. 195, pp. 37—46. DOI: 10.1016/j.coal.2018.05.006.

8. Барон Л. И., Курбатов В. М. К вопросу о влиянии масштабного фактора при испытании горных пород на раздавливание / Научные исследования по разработке угольных и рудных месторождений. — M.: Госгортехиздат, 1959. — С. 128—136.

9. Ширко Г. И. О расчетах междукамерных целиков при камерной системе разработки / Исследования соляных месторождений и минеральных вод. Труды Всесоюзного научно-исследовательского института металлургии, вып. XXVIII. — M.: Госхимиздат, 1953. — 152 с.

10. Меликидзе И. Г. О влиянии формы и размеров образцов на их механические свойства // Горный журнал. — 1955. — № 9. — С. 35—39.

11. Ильницкая Е. И., Тедер Р. И., Ватолин Е. С., Кунтыш М. Ф. Свойства горных пород и методы их определения. — М.: Недра, 1969. — 392 с.

12. Alejano L. R., Walton G., Gaines S. Residual strength of granitic rocks // Tunnelling and Underground Space Technology. 2021, vol. 118, article 104189. DOI: 10.1016/j.tust.2021. 104189.

13. Вербило П. Э. Оценка прочности и деформирования междукамерных целиков в блочном горном массиве. Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук. — СПб., 2018. — 150 с.

14. Вербило П. Э., Вильнер М. А. Изучение анизотропии прочности и масштабного эффекта трещиноватого массива горных пород // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 6-2. — С. 47—59. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_62_0_47.

15. Кузнецов Н. Н., Пак А. К. О влиянии отношения размеров образцов скальных горных пород на результаты определения их прочности при одноосном сжатии // Вестник МГТУ. — 2014. — Т. 17. — № 2. — С. 246—253.

16. Kun Du, Xuefeng Li, Rui Su, Ming Tao, Shizhan Lv, Jia Luo, Jian Zhou Shape ratio effects on the mechanical characteristics of rectangular prism rocks and isolated pillars under uniaxial compression // International Journal of Mining Science and Technology. 2022, vol. 32, pp. 347—362. DOI: 10.1016/j.ijmst.2022.01.004.

17. Durmeková T., Bednarik M., Dikejová P., Adamcova R. Influence of specimen size and shape on the uniaxial compressive strength values of selected Western Carpathians rocks // Environmental Earth Sciences. 2022, vol. 81, no. 9. DOI: 10.1007/s12665-022-10373-1.

18. Усольцева О. М., Цой П. А., Семенов В. Н. Влияние размера образцов на деформационно-прочностные свойства горных пород // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. — 2020. — Т. 7. — № 2. — С. 53—59. DOI: 10.15372/FPVGN2020070209.

19. Sefer Beran Çelik The effect of cubic specimen size on uniaxial compressive strength of carbonate rocks from Western Turkey // Arabian Journal of Geosciences. 2017, vol. 10, no. 19. DOI: 10.1007/s12517-017-3218-3.

20. Барях А. А., Асанов В. А., Паньков И. Л., Токсаров В. Н., Кирисюк М. А. Изучение масштабного эффекта в соляных породах // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2010. — № 10. — С. 141—144.

21. Цай Б. Н. Масштабный фактор при оценке прочности горных пород // Известия вузов. Горный журнал. — 2009. — № 3. — С. 59—64.

22. Шашенко А. Н., Сдвижкова Е. А., Кужель С. В. Масштабный эффект в горных породах: Монография. — Донецк: Изд-во «Норд-Пресс», 2004. — 126 с.

23. Zingano A. C. Estimating coal strength based on historical laboratory tests and geomechanics classification // Aspects in Mining & Mineral Science. 2020, vol. 5, no. 4, article 000618. DOI: 10.31031/AMMS.2020.05.000618.

24. Борщ-Компониец В. И. Практическая механика горных пород. — М.: Изд-во «Горная книга», 2013. — 322 с.

25. Супрун В. И., Артемьев В. Б., Опанасенко П. И. Перспективная техника и технологии для производства открытых горных работ. — М.: Киммерийский центр, 2017. — 208 с.

26. Фотография борта карьера по добыче мрамора [Электронный ресурс]. URL: http:// www.detaymarble.com/?p=361 (дата обращения: 21.01.2023).

27. Фотография борта карьера по добыче травертина [Электронный ресурс]. URL: http://tekmarble.com/sayfa/galeri/ (дата обращения: 21.01.2023).

28. Рид Д., Стейси П. Руководство по проектированию бортов карьера. — Екатеринбург: Правовед: Полиметалл, 2015. — 527 с.

29. Руппенейт К. В. Деформируемость массивов трещиноватых горных пород. — М.: Недра, 1975. — 223 с.