GBT 23561.8-2024 煤和岩石物理力学性质测定方法 第8部分：煤和岩石变形参数测定方法标准立项发展报告

煤和岩石物理力学性质测定方法第8部分：煤和岩石变形参数测定方法标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:MethodsforDeterminingthePhysicalandMechanicalPropertiesofCoalandRock—Part8:MethodsforDeterminingDeformationParametersofCoalandRock摘要煤炭资源的安全高效开发与地下工程稳定性评价高度依赖于对煤与岩石力学特性的精确掌握，其中变形参数是岩体工程设计、数值模拟和灾害预警的核心基础指标。随着我国矿山开采深度与强度的持续增加，以及深部岩体力学研究的不断深入，原有标准在试验条件控制、数据采集精度和结果处理方法等方面已难以完全满足当前工程实践和科学研究的需要。本报告围绕国家标准GB/T23561.8-2024《煤和岩石物理力学性质测定方法第8部分：煤和岩石变形参数测定方法》的立项背景、修订过程和技术内容展开系统论述。该标准由中华人民共和国国家市场监督管理总局和国家标准化管理委员会于2024年3月15日联合发布，于2024年7月1日正式实施。标准在充分继承原GB/T23561.8-2009技术框架的基础上，重点引入了全数字闭环伺服控制试验系统的应用规范，优化了轴向与径向变形测量的同步采集方案，细化并明确了弹性模量和泊松比的合理取值区间，补充了破坏后变形特性的测试指导，同时在试样制备精度、试验速率控制和结果有效性判定等方面做出了更为严格的规定。本报告详细阐述了标准的修订背景、技术要点、主要参与单位的工作以及标准实施后对行业技术进步的预期推动作用，旨在为相关领域的工程技术人员和科研工作者提供全面、系统的标准解读与参考。关键词：煤与岩石；物理力学性质；变形参数；弹性模量；泊松比；标准修订；岩石力学试验Keywords:Coalandrock;Physicalandmechanicalproperties;Deformationparameters;Elasticmodulus;Poisson'sratio;Standardrevision;Rockmechanicstesting1引言煤和岩石的物理力学性质参数是矿山工程设计、地下空间开发、边坡稳定性评价及油气资源开采等领域不可或缺的基础数据。其中，变形参数——主要包括弹性模量和泊松比——是表征岩体在受力条件下变形特征的关键指标，直接关系到巷道支护设计、采场围岩稳定性分析、冲击地压预测防治以及数值模拟计算中本构模型的参数选取。准确、规范地测定煤和岩石的变形参数，对于保障矿山安全生产、提高资源回收率和推动岩体力学学科发展具有重要的现实意义。我国于2009年首次发布了GB/T23561.8-2009《煤和岩石物理力学性质测定方法第8部分：煤和岩石变形参数测定方法》，该标准的实施为煤炭行业及相关领域的变形参数测试提供了统一的技术依据，对规范试验操作、保证数据质量发挥了不可替代的作用。然而，经过十余年的工程实践和技术发展，该标准在诸多方面已显现出一定的局限性，亟需修订。1.1修订的必要性（1）试验设备的技术升级。自2009年标准发布以来，岩石力学试验设备经历了从手动加载、机械式仪表测量向全数字闭环伺服控制、非接触式应变测量和计算机自动数据采集的技术跨越。新型试验系统在加载精度、采样频率和变形测量分辨率上均有显著提升，原有的标准已无法充分发挥新设备的性能优势，部分条款甚至与实际操作流程存在明显的不适应。（2）工程实践的新需求。随着我国煤炭资源开发逐步向深部延伸，深部岩体所处的高应力、高温度、高渗透压环境对变形参数的测定提出了更高的要求。此外，煤炭地下气化、CO₂地质封存等新兴技术领域的兴起，也迫切需要更加精确和全面的岩石变形特性数据。工程实践中出现的应变软化、扩容等复杂变形现象，需要标准提供更为细致的试验指导和数据处理方法。（3）国际标准的协调需求。国际岩石力学学会（ISRM）建议方法和美国材料与试验协会（ASTM）标准在变形参数测定方面已有多轮修订和完善。为促进我国试验方法与国际接轨，提高试验数据的国际可比性，有必要参照国际先进标准对现有国家标准进行更新。2标准修订过程概述GB/T23561.8-2024的修订工作由全国煤炭标准化技术委员会矿山岩层与地表移动工作组归口管理，多家科研院所、高等院校和检测机构参与了修订工作。修订工作遵循《中华人民共和国标准化法》和GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的要求，按照标准制修订程序，经历了提出立项申请、起草工作组组建、草案编制、公开征求意见、技术审查、报批等阶段。修订工作于2022年正式启动，起草工作组在全面收集和整理国内外相关技术资料和标准文献的基础上，结合近年来煤和岩石变形参数测试领域的研究成果和工程实践经验，经过多轮研讨和修改完善，形成了标准送审稿。2023年底，标准经技术审查通过后报请国家标准化管理委员会审批，最终于2024年3月15日发布。标准的发布与实施体现了国家对煤炭行业技术标准体系建设的高度重视，也是我国岩石力学试验技术持续进步的重要标志。3标准主要技术内容3.1范围与规范性引用文件本标准规定了煤和岩石变形参数测定的试验原理、仪器设备、试样要求、试验步骤、结果计算与数据处理方法，适用于煤与岩石在单轴压缩和常规三轴压缩条件下的变形参数测定，包括弹性模量和泊松比等指标的计算。标准规范性引用了GB/T23561.1（煤和岩石物理力学性质测定方法第1部分：采样一般规定）、GB/T23561.2（煤和岩石物理力学性质测定方法第2部分：煤和岩石样品采集和制备方法）以及GB/T50266（工程岩体试验方法标准）等文件，保证了标准体系的协调性和一致性。3.2术语和定义标准对变形参数测定涉及的核心术语进行了明确定义。其中，"弹性模量"定义为岩石在弹性变形阶段内应力与应变的比值，依据取值方式的不同，进一步区分为初始模量、割线模量和切线模量；"泊松比"定义为岩石在单轴受压条件下，横向应变与轴向应变之比的绝对值。此外，标准还对"应力-应变曲线""破坏强度""残余强度"等基本概念进行了界定，统一了行业术语的表述和理解。3.3试验原理与设备要求（1）试验原理。标准的试验原理为：通过对规则形状的煤或岩石试样施加轴向载荷（单轴或三轴），利用轴向和径向变形测量系统同步连续记录加载过程中的变形数据，从而获得完整的应力-应变关系曲线，在此基础上计算试样的弹性模量和泊松比。（2）设备要求。标准对试验设备提出了明确的技术要求，主要包括：-加载系统：推荐采用全数字闭环伺服控制的电液伺服或电子式试验机，载荷测量精度不低于±1%，加载速率可在规定的范围内连续可调，能够实现恒速率加载和恒速率应变控制两种模式。-变形测量系统：轴向变形和径向变形应分别采用高精度引伸计或非接触式光学测量装置进行测量，测量分辨率不低于0.001mm。标准特别强调了轴向与径向变形测量的同步性要求，确保数据的时序一致性。-数据采集系统：数据采集频率应满足试验精度要求，推荐不低于10Hz，能够实时存储和显示载荷-位移-应变数据，具备完整的试验过程追溯能力。3.4试样要求（1）试样规格：标准规定标准试样为圆柱体，直径宜为50mm（也允许采用φ25mm、φ75mm等规格），高径比宜为2.0~2.5。对于煤等软弱、松散、节理发育的材料，允许采用较大直径的试样（如φ75mm）以减少尺寸效应影响。（2）试样制备精度：试样两端面的不平行度应不大于0.02mm，端面应与试样轴线垂直，垂直度偏差不大于0.05rad。对于煤试样，由于煤体本身较为软弱且容易在加工过程中产生损伤，标准对试样制备工艺提出了更细化的要求，包括采用专用取芯钻具、控制钻取速度、减少冷却液对试样性质的影响等。（3）含水状态控制：试样应在制备完成后妥善保存，防止水分蒸发或吸湿。标准规定试样制备完成后至试验开始的时间间隔不宜超过7天，在存放期间应保持环境湿度稳定。对于需要测定天然含水状态变形参数的试样，应在取样后立即密封保存并尽快制备和试验。3.5试验步骤标准对试验步骤作出了系统而明确的规定，主要包括：（1）试样描述与尺寸测量：试验前应详细记录试样的外观特征（层理方向、裂隙发育情况等），使用精度不低于0.02mm的量具测量试样直径和高度，沿试样高度方向分别在多个位置测量直径并取平均值。（2）试验环境条件：记录试验时的环境温度和湿度，如无特殊要求，试验应在室温条件下进行。对于需要模拟现场环境条件的特殊试验，应在报告中加以注明。（3）预加载与调整：正式加载前应先对试样施加少量预载荷（建议不超过预估破坏强度的5%~10%），以消除试样端面与压头之间的接触间隙，并检查各测量通道的工作状态。（4）加载方式与加载速率：这是本次修订的重点更新内容之一。标准推荐采用应变控制方式加载（即恒应变速率加载），加载速率宜控制在0.05%~0.10%/min的应变速率范围内，且在加载过程中应保持恒定。特殊情况下允许采用应力控制方式，但加载速率应使试样在5~15分钟内达到破坏，以保证试验结果的可靠性。（5）数据记录：从加载开始至试样完全破坏的整个过程中，应连续记录轴向载荷、轴向变形和径向变形数据。标准特别强调，数据记录应包括峰值后阶段（应变软化段），建议记录至试样承载力降至峰值强度的70%以下或变形达到预设限值为止。这一要求有助于获得完整的应力-应变全程曲线，为研究岩石峰后力学行为提供数据支撑。3.6结果计算与数据处理（1）应力与应变计算：按试样初始截面面积和初始标距计算名义应力和名义应变。标准同时对大变形条件下的真实应力-应变计算方法提供了附录性指导。（2）弹性模量取值方法：标准规范了三种弹性模量的取值方法：①初始切线模量——取应力-应变曲线起始段线性部分的斜率；②割线模量——取应力从零至某一规定应力水平（通常取峰值强度的50%）的割线斜率；③切线模量——取应力-应变曲线上某一规定应力点处的切线斜率。标准推荐以峰值强度50%对应的割线模量作为标准弹性模量报告值，同时可根据工程或研究需要提供其它取值方法的结果。（3）泊松比计算：泊松比按轴向应变与径向应变的比值计算确定。标准对径向应变的取值区间作出了具体规定，推荐在应力-应变曲线的弹性段内（通常取峰值强度20%~50%对应的区间）计算平均泊松比，避免受端部效应和微裂隙闭合阶段的干扰。（4）试验有效性判定与结果处理：标准详细规定了试验结果的有效性判定准则。每组有效试样的数量不应少于3个。当同一组试样中某个试样的结果与平均值偏差超过±15%时，应查明原因并决定是否舍弃该数据；舍弃后有效数据不应少于3个。最终结果以有效试样的算术平均值表示，并给出标准差和变异系数，以反映测试数据的离散程度。3.7试验报告标准对试验报告的内容提出了明确要求，应包括：试样编号及取样位置描述、试样尺寸及制备情况说明、试验条件（加载方式、加载速率、环境条件等）、应力-应变曲线图、弹性模量和泊松比的计算结果、试验异常情况的记录及处理说明等。标准特别强调应提供完整的应力-应变全程曲线（包含峰后段），以满足岩体工程数值模拟和理论分析的需要。4主要修订与技术进步内容相较于GB/T23561.8-2009版本，本次修订在以下几个方面实现了显著的技术进步：（1）试验设备的技术升级。修订后标准明确推荐采用全数字闭环伺服控制试验系统，规定了载荷和变形传感器的精度等级要求，增加了数据自动采集系统功能要求，使标准更加适应当前试验设备的技术发展水平。（3）加载速率控制方式的优化。将应变控制加载作为优先推荐的加载方式，对应变速率范围进行了科学界定。这一修订与国际岩石力学学会（ISRM）的推荐方法保持了良好的一致性，有利于提高试验结果的国际可比性。（4）峰后变形测试的补强。增加了对峰后变形行为测试的指导性规定。深部开采中岩体的峰后承载特性和应变软化行为对围岩稳定性控制至关重要，采集完整的峰后数据具有重要的工程价值，这一补充体现了标准对深部开采工程需求的积极回应。（5）数据处理与质量控制的完善。细化了弹性模量和泊松比的取值方法，增加了数据有效性判定规则和统计处理要求，提高了试验结果的可靠性和可重复性。5主要参与起草单位及工作进展本标准修订工作汇聚了国内煤炭和岩石力学领域的优势技术力量。主要起草单位包括中国煤炭科工集团有限公司（煤炭科学研究总院）、中国矿业大学、北京科技大学、煤炭科学技术研究院有限公司以及多家大型煤炭企业的技术中心等。5.1归口管理单位简介全国煤炭标准化技术委员会（TC42）是国家标准化的专业标准化技术组织之一，负责煤炭行业国家标准和行业标准的归口管理。其下设的矿山岩层与地表移动工作组具体负责煤炭开采相关的岩层移动、矿山压力与岩体力学试验方法等领域的标准制修订工作。在本标准的修订过程中，该委员会组织协调各起草单位开展多轮技术讨论和意见征询，广泛听取行业用户和科研机构的反馈意见，为标准技术内容的科学性、严谨性和可操作性提供了有力保障。5.2牵头起草单位介绍煤炭科学研究总院（现属中国煤炭科工集团有限公司）成立于1957年，是中国煤炭行业规模最大、综合实力最强的综合性研究机构，长期致力于煤与岩石力学特性测试技术、矿山岩层控制理论与方法的研究。作为中国煤炭科工集团的核心研发力量，该院建设有煤矿安全技术国家工程研究中心等多个国家级科研平台，拥有国际先进水平的岩石力学试验装备和一支经验丰富的科研团队。早在20世纪60年代，煤炭科学研究总院的前身机构便开始开展煤岩力学性质测试方法的研究工作，逐步建立了适合我国煤炭赋存条件的试验技术体系。改革开放以来，该院先后主持或参与制定和修订了数十项煤炭行业和岩石力学领域的国家标准及行业标准，为我国煤炭工业的技术标准体系建设作出了突出贡献。在煤和岩石变形参数测定方法的研究方面，该院积累了长达数十年的试验数据和实践经验，培养了一大批专业技术人才，是国内煤岩力学试验领域公认的技术权威机构。在本标准修订过程中，煤炭科学研究总院牵头负责了标准修订技术方案的总体设计，组织了针对不同煤种、不同岩性试样的系统性对比试验验证工作，并对加载速率、试样尺寸、端部效应等关键影响因素进行了深入的试验研究和理论分析，为标准中关键技术指标的确定提供了充分的科学依据。5.3其他主要起草单位6标准实施的意义与展望6.1实施意义GB/T23561.8-2024的发布和实施，对推动我国煤炭行业和岩体工程领域的技术进步具有多方面的重要意义：（1）为工程设计提供可靠参数支撑。精确的变形参数是矿山巷道支护设计、采场参数优化、边坡稳定性评价等工程实践的基础。新标准对试验方法和数据处理提出了更严格的要求，将有效提高变形参数的测试精度和数据质量，为工程设计提供更加可靠的依据。（2）推动试