Влияние условий водонасыщения на прочность карбонатных пород при сжатии

Изучение влияния воды на механические свойства горных пород необходимо для практики их разработки, в частности, при добыче полезных ископаемых, сооружении плотин, прокладывании туннелей, захоронении отходов. Присутствие воды в поровом пространстве материала наряду с наличием самих пор, трещин, каверн оказывает существенное влияние на механические свойства материала. Представлены результаты экспериментального исследования влияния условий водонасыщения на прочность при сжатии образцов доломита и известняка, представляющих вмещающие породы на месторождениях алмазов трубки «Ботуобинская» и трубки «Дальняя». В соответствии с разработанной методикой исследования осуществлен выбор режимов водонасыщения и проведены механические испытания образцов, насыщенных до определенного уровня и затем выдержанных в течение различного времени. По результатам трех серий испытаний построены зависимости прочности доломита при сжатии от времени выдержки и установлено существенное влияние времени выдержки на прочность материала, которое может приводить как к снижению, так и к увеличению прочности. Высказана гипотеза о том, что такое поведение материала связано с неравномерным распределением влаги и образованием «сухого» ядра в образце. Показано, что в рамках модели «сухого» ядра в материале могут быть реализованы различные сценарии разрушения, и это отразится на характере зависимости прочности образца от времени выдержки во влажном состоянии, включая ее немонотонное поведение. Полученные результаты имеют не только фундаментальное значение для понимания и соответствующего описания механизмов воздействия воды на породу, но также и практическое значение для оценки устойчивости и длительной прочности обводненных горных выработок.

1. Erguler Z.A., Ulusay R. Water-induced variations in mechanical properties of clay-bearing rocks. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2009;46(2):355–370. https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2008.07.002

2. Zhou Z., Cai X., Cao W., et al. Influence of water content on mechanical properties of rock in both saturation and drying processes. Rock Mechanics and Rock Engineering. 2016;49(8):3009–3025. https://doi.org/10.1007/s00603-016-0987-z

3. Wong L.N.Y., Maruvanchery V., Liu G. Water effects on rock strength and stiffness degradation. Acta Geotechnica. 2016;11(4):713–737. https://doi.org/10.1007/s11440-015-0407-7

4. Reviron N., Reuschlé T., Bernard J.-D. The brittle deformation regime of water-saturated siliceous sandstones. Geophysical Journal International. 2009;178(3):1766–1778. https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.2009.04236.x

5. Wasantha P.L.P., Ranjith P.G. Water-weakening behavior of Hawkesbury sandstone in brittle regime. Engineering Geology. 2014;178:91–101. https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2014.05.015

6. Pan Y., Wu G., Zhao Z., He L. Analysis of rock slope stability under rainfall conditions considering the water-induced weakening of rock. Computers and Geotechnics. 2020;128:103806. https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2020.103806

7. Cai X., Zhou Z., Liu K., et al. Water-weakening effects on the mechanical behavior of different rock types: phenomena and mechanisms. Applied Sciences. 2019;9(20):4450. https://doi.org/10.3390/app9204450

8. Zhao K., Yang D., Zeng P., et al. Effect of water content on the failure pattern and acoustic emission characteristics of red sandstone. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2021;142:104709. https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2021.104709

9. Маджид Я., Абу Бакар М.З. Влияние водонасыщенности на механические свойства осадочных пород Пакистана. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2018;(6):37–55. https://doi.org/10.15372/FTPRPI20180605

10. Li D., Sun Z., Zhu Q., Peng K. Triaxial loading and unloading tests on dry and saturated sandstone specimens. Applied Sciences. 2019;9(8):1689. https://doi.org/10.3390/app9081689

11. Lashkaripour G.R. Predicting mechanical properties of mudrock from index parameters. Bulletin of Engineering Geology and the Environment. 2002;61(1):73–77. https://doi.org/10.1007/s100640100116

12. Hsu S.C., Nelson P.P. Characterization of Eagle Ford shale. Engineering Geology. 2002;67(1-2):169–183. https://doi.org/10.1016/S0013-7952(02)00151-5

13. Erguler Z.A., Ulusay R. Water-induced variations in mechanical properties of clay-bearing rocks. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2009;46(2):355–370. https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2008.07.002

14. Ferrari A., Minardi A., Ewy R., Laloui L. Gas shales testing in controlled partially saturated conditions. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2018;107:110–119. https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2018.05.003

15. Li Z., Liu S., Ren W., et al. Multiscale laboratory study and numerical analysis of water-weakening effect on shale. Advances in Materials Science and Engineering. 2020;2020:5263431. https://doi.org/10.1155/2020/5263431

16. Huang S., He Y., Liu G., et al. Effect of water content on the mechanical properties and deformation characteristics of the clay-bearing red sandstone. Bulletin of Engineering Geology and the Environment. 2021;80(2):1767–1790. https://doi.org/10.1007/s10064-020-01994-6

17. Vásárhelyi B. Statistical analysis of the influence of water content on the strength of the Miocene limestone. Rock Mechanics and Rock Engineering. 2005;38(1):69–76. https://doi.org/10.1007/s00603-004-0034-3

18. Ciantia M.O., Castellanza R., Di Prisco C. Experimental study on the water-induced weakening of calcarenites. Rock Mechanics and Rock Engineering. 2015;48(2):441–461. https://doi.org/10.1007/s00603-014-0603-z

19. Wong L.N.Y., Maruvanchery V., Liu G. Water effects on rock strength and stiffness degradation. Acta Geotechnica. 2016;11(4):713–737. https://doi.org/10.1007/s11440-015-0407-7

20. Сукнев С.В. Влияние условий водонасыщения на статические упругие свойства карбонатных пород. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2024;(1):15–25. https://doi.org/10.15372/FTPRPI20240102

21. Zhou Z., Cai X., Cao W., et al. Influence of water content on mechanical properties of rock in both saturation and drying processes. Rock Mechanics and Rock Engineering. 2016;49(8):3009–3025. https://doi.org/10.1007/s00603-016-0987-z

22. Tang S. The effects of water on the strength of black sandstone in a brittle regime. Engineering Geology. 2018;239:167–178. https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2018.03.025

23. Сукнев С.В. Влияние температуры и степени водонасыщения на изменение упругих свойств скальных пород при переходе из талого в мерзлое состояние. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2019;(2):14–22. https://doi.org/10.15372/FTPRPI20190202

24. Rabat Á., Tomás R., Cano M. Advances in the understanding of the role of degree of saturation and water distribution in mechanical behaviour of calcarenites using magnetic resonance imaging technique. Construction and Building Materials. 2021;303:124420. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.124420

25. Сукнёв С.В. Изменение упругих свойств частично насыщенного известняка в процессе высыхания. Природные ресурсы Арктики и Субарктики. 2023;28(1):172–178. https://doi.org/10.31242/2618-9712-2023-28-1-172-178