Fracture Diagrams of Prismatic Specimens with a Refined Contact Stress Distribution Law

ENG: The extraction and further processing of minerals are associated with the improvement of existing and development of new resource-saving technological solutions for underground and open-cycle operationsThe most costly technology for processing mineral raw materials is destruction itself, which accounts for about 20% of total electricity production and up to 50% of total capital and operating costs. To determine the stability of the rock mass in an ultimate state, a stress-strain diagram of rock is used. To analyse these diagrams, it is necessary to know the distribution of contact normal and tangential stresses. According to classical solutions to this problem, the stress distribution was determined using the methods of L. Prandtl and E.P. Unksov. However, these methods did not account for the occurrence of stresses perpendicular to the compression vector. The article provides further development of the method for refining the distribution of contact stresses and constructing a “normal stress-longitudinal deformation” diagram and limit curves, taking into account contact friction under load. A comparative assessment of the proposed method with diagrams constructed using the classical method is carried out. The proposed method allows determining the strength limit and residual strength of rock samples based on parameters that can be easily established experimentally in the laboratories of mining enterprises. The results can be used to monitor the condition of the rock mass and ensure effective rock destruction. Therefore, an improved method for determining the distribution of contact normal and tangential stresses in prismatic samples of brittle, relatively homogeneous rocks under stress is proposed, which takes into account stresses perpendicular to the load vector and allows for a more accurate assessment of the stress-deformed state of the samples taking into account contact. It has been established that, especially at small angles of internal friction, the level of current stresses according to the proposed method is lower than that obtained using classical solutions. The developed approach allows avoiding the influence of the scale effect and transferring the results of laboratory studies to real, undamaged and relatively homogeneous arrays. The results are of practical importance for assessing the stability of rock masses and improving the efficiency of rock destruction during the extraction and processing of solid minerals.

UKR: Видобуток і подальша переробка корисних копалин пов’язані з удосконаленням існуючих та розробкою нових ресурсозберігаючих технологічних рішень з шахтним та відкритим циклом робіт. Найбільш витратною технологією переробки мінеральної сировини є власне дезінтеграція, на яку витрачається близько 20% загального виробництва електроенергії та до 50% загальних капітальних і експлуатаційних витрат. Для визначення стійкості породного масиву у позамежному стані використовують діаграму «напруження – поздовжня деформація» гірських порід. Для аналітичного визначення цих діаграм потрібно знати розподіл контактних нормальних і дотичних напружень. За класичними рішеннями цієї задачі розподіл напружень визначали за методами Л. Прандтля та Є.П. Унксова. Однак ці методи не враховували виникнення напружень, які перпендикулярні вектору стискання. В статті наведено подальший розвиток методу уточненого визначення розподілу контактних напружень та побудови діаграми «нормальне напруження - поздовжня деформація» і граничних кривих з урахуванням контактного тертя при навантаженні. Проведено порівняльну оцінку запропонованого методу з діаграмами, побудованими за класичним методом. Запропонований метод дозволяє визначати межу міцності та залишкову міцність зразків гірських порід за параметрами, які простими методами можуть бути встановлені експериментально в лабораторіях гірничодобувних підприємств. Результати можуть бути використані для контролю стану гірничого масиву та ефективного руйнування при дезінтеграції гірської породи. Таким чином запропоновано вдосконалений метод визначення розподілу контактних нормальних та дотичних напружень у призматичних зразках крихких, відносно однорідних гірських порід при стисканні, який враховує напруження, перпендикулярні до вектора навантаження та дозволяє точніше оцінити напружено-деформований стан зразків із урахуванням контактного. Встановлено, що при особливо при малих кутах внутрішнього тертя, рівень поточних напружень за запропонованим методом є нижчим порівняно з класичними рішеннями. Розроблений підхід дозволяє уникнути впливу масштабного ефекту і переносити результати лабораторних досліджень на реальні неушкоджені та відносно однорідні масиви. Результати мають практичне значення для оцінки стійкості гірських масивів та підвищення ефективності руйнування порід під час видобутку та дезінтеграції твердих корисних копалин.