On the methodology for considering scale effect of rock strength

Abstract

Purpose is to improve a methodology for considering the influence of scale effect by transferring to the evaluation of rock strength immediately within the rock mass. Methods. The research involves methods of critical analysis, theoretical and experimental research methods in the laboratory and full-scale conditions. In particular, there are statements of probabilistic and statistic theory, standard strength tests of rock specimens, laboratory studies of coal cutting resistance, and evaluation of rock strength by impact pulsing within the rock mass. Findings. It has been determined that rock strength depends considerably on the sizes of specimens being tested. That is stipulated by high porosity and fissility of the material. Measurement error decreases along with the increasing specimen size. There is the ultimate size, beginning from which its following increase does not results in considerable changes in the strength indices. For instance, in terms of Western Donbas coals, such an ultimate size is represented by a cube with the faces of not less than 100 mm. It has been shown that despite its high density, considerable scale effect is observed in hard rock as well; the effect is stipulated by the available zones with anomalously high porosity and coarse grains. It has been specified that minimum sizes of specimen faces for hard rock should be not less than 150-200 mm. Tests of such specimens are rather labour-intensive; they are often beyond the capacities of standard equipment. It has been concluded that structural anomalies of rocks require application of the methods which help evaluate their strength immediately within the rock mass; impact pulsing is one of those methods. Originality. Minimum sizes of hard rock specimens and rock formations, making it possible to exclude the influence of scale effect of strength, have been identified. Correlation dependences, connecting the informative parameter of the impact pulse method with the strength of different rock lithotypes, have been obtained. Practical implications. Methodologies for both considering scale effect of strength during laboratory studies and evaluating rock strength within the rock mass have been improved.

Мета. Удосконалення методики врахування впливу масштабного ефекту, шляхом переходу до оцінки міцності порід безпосередньо в масиві. Методика. У роботі використані методи критичного аналізу, теоретичні та експериментальні методи досліджень в лабораторних і шахтних умовах. Зокрема, положення ймовірносно-статистичної теорії, стандартні випробування зразків гірських порід на міцність, лабораторні дослідження опірності вугілля різанню, оцінка міцності порід в масиві методом ударного імпульсу. Результати. Встановлено, що міцність порід істотно залежить від розмірів досліджуваних зразків. Це обумовлено високою пористістю і тріщинуватістю матеріалу. Похибка вимірювань зменшується зі збільшенням розміру зразка. Існує граничний розмір, починаючи з якого подальше його збільшення не призводить до суттєвих змін показника міцності. Наприклад, для вугілля Західного Донбасу таким граничним розміром є куб з гранями не менше 100 мм. Показано, що незважаючи на високу щільність значний масштабний ефект спостерігається і в скельних породах, який обумовлений наявністю зон з аномально високою пористістю і великою зернистістю. Мінімальний розмір зразків для скельних порід має бути не менше 150-200 мм. Випробування таких зразків трудомісткі й часто виходять за межі можливостей серійного обладнання. Зроблено висновок, що структурні аномалії порід вимагають використання методів, які дозволять оцінювати їх міцність безпосередньо в масиві, одним з яких є метод ударного імпульсу. Наукова новизна. Визначено мінімальні розміри зразків скельних порід і порід вугільних формацій, що дозволяють виключити вплив масштабного ефекту міцності. Одержано кореляційні залежності, що зв'язують інформативний параметр методу ударного імпульсу з міцністю різних літотипів гірських порід. Практична значимість. Вдосконалено методику врахування масштабного ефекту міцності при лабораторних дослідженнях та оцінки міцності гірських порід в масиві.

Цель. Усовершенствование методики учета влияния масштабного эффекта, путем перехода к оценке прочности пород непосредственно в массиве. Методика. В работе использованы методы критического анализа, теоретические и экспериментальные методы исследований в лабораторных и шахтных условиях. В частности, положения вероятностно-статистической теории, стандартные испытания образцов горных пород на прочность, лабораторные исследования сопротивляемости углей резанию, оценка прочности пород методом ударного импульса в массиве. Результаты. Установлено, что прочность пород существенно зависит от размеров испытуемых образцов. Это обусловлено высокой пористостью и трещиноватостью материала. Погрешность измерений уменьшается с увеличением размера образца. Существует предельный размер, начиная с которого дальнейшее его увеличение не приводит к существенным изменениям показателя прочности. Например, для углей Западного Донбасса таким предельным размером является куб с гранями не менее 100 мм. Показано, что несмотря на высокую плотность значительный масштабный эффект наблюдается и в скальных породах, который обусловлен наличием зон с аномально высокой пористостью и крупной зернистостью. Определено, что минимальные размеры грани образцов для скальных пород должны быть не менее 150-200 мм. Испытания таких образцов трудоемки и часто выходят за пределы возможностей серийного оборудования. Сделан вывод, что структурные аномалии пород требуют использования методов, которые позволяют оценивать их прочность непосредственно в массиве, одним из которых является метод ударного импульса. Научная новизна. Определены минимальные размеры образцов скальных пород и пород угольных формаций, позволяющие исключить влияние масштабного эффекта прочности. Получены корреляционные зависимости, связывающие информативный параметр метода ударного импульса с прочностью различных литотипов горных пород. Практическая значимость. Усовершенствована методика учета масштабного эффекта прочности при лабораторных исследованиях и оценки прочности горных пород в массиве.