GBT 23561.11-2024 煤和岩石物理力学性质测定方法 第11部分：煤和岩石抗剪强度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11部分：煤和岩石抗剪强度测定方法标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:MethodsforDeterminingthePhysicalandMechanicalPropertiesofCoalandRock—Part11:MethodsforDeterminingShearStrengthofCoalandRock摘要煤和岩石抗剪强度是采矿工程、隧道工程、边坡治理及地下空间开发利用等领域的核心力学参数，直接关系到工程设计的安全性、经济性与科学性。随着我国矿产资源开发向深部延伸，复杂地质条件下的岩体力学特性研究对标准化试验方法提出了更高要求。GB/T23561《煤和岩石物理力学性质测定方法》是我国煤炭与岩体力学测试领域的基础性系列标准，其中第11部分专门针对煤和岩石抗剪强度测定方法进行规范。本报告系统回顾了GB/T23561.11-2024《煤和岩石物理力学性质测定方法第11部分：煤和岩石抗剪强度测定方法》的立项背景、编制历程、技术内容及推广应用前景。该标准由国家标准化管理委员会于2024年4月25日发布，于2024年8月1日正式实施，是对原有测试方法标准的一次全面修订与升级。本报告重点分析了标准修订的技术创新点，包括变角剪切试验、抗切试验等方法的精细化规定，试样制备与数据处理要求的规范化，以及与国内外相关标准的技术协调性。报告认为，该标准的实施将有效提升煤和岩石抗剪强度测试数据的准确性、可比性和适用性，为矿山安全生产、岩体稳定性评价及工程设计提供更加坚实的技术支撑。关键词：煤和岩石；抗剪强度；物理力学性质；标准修订；变角剪切试验；采矿工程Keywords:CoalandRock;ShearStrength;PhysicalandMechanicalProperties;StandardRevision;VariableAngleShearTest;MiningEngineering1引言1.1研究背景煤和岩石的物理力学性质是采矿工程、岩土工程、隧道与地下工程建设中不可或缺的基础参数。其中，抗剪强度反映了煤岩体抵抗剪切破坏的能力，是评价岩体稳定性、设计支护结构、分析边坡稳定性以及预测冲击地压等工程灾害的关键指标。准确测定煤和岩石的抗剪强度，对于保障矿山安全生产、优化工程设计、提高资源回收率具有重要意义。随着我国煤炭资源开发逐步向深部延伸，开采条件日趋复杂，高地应力、高瓦斯、强扰动等极端环境对煤岩力学参数的准确获取提出了更高要求。与此同时，岩石力学测试技术的快速发展，特别是试验设备的自动化、数字化和智能化升级，也要求标准对测试方法、数据处理和质量控制等环节进行相应更新和细化。GB/T23561系列标准是我国煤和岩石物理力学性质测定领域的基础性、通用性技术标准，自发布实施以来在煤炭行业及相关工程领域得到了广泛应用。其中，第11部分规定了煤和岩石抗剪强度的测定方法，是该系列标准的重要组成部分。随着技术进步和实践经验的积累，原有版本在某些技术细节上已难以满足当前工程实践和科学研究的需要，亟需进行系统性修订。1.2标准修订的意义本次修订工作具有以下重要意义：第一，适应工程技术发展需求。近年来，岩石力学测试设备的精度和自动化水平显著提升，数字式试验机、声发射监测系统等新技术逐渐普及，标准需要吸纳这些新技术条件，为行业提供更具操作性和前瞻性的技术规范。第二，提升数据准确性和可比性。抗剪强度试验受试样制备、加载速率、应力状态等多因素影响，不同实验室之间的测试结果可能存在较大差异。通过细化试验条件、统一数据处理方法，可有效提高试验结果的准确性和实验室间可比性。第三，对标国际先进标准。参照国际岩石力学学会（ISRM）建议方法及ASTM等相关国际标准，完善试验技术细节，提升我国煤岩力学测试标准的国际化水平。第四，服务行业安全生产。煤和岩石抗剪强度参数是矿井设计、冲击地压防治、边坡稳定性评价等安全工作的基础依据，标准的科学性和适用性直接关系到矿山安全生产水平。2标准编制概况2.1标准基本信息|项目|内容||------|------||标准编号|GB/T23561.11-2024||标准名称|煤和岩石物理力学性质测定方法第11部分：煤和岩石抗剪强度测定方法||英文名称|Methodsfordeterminingthephysicalandmechanicalpropertiesofcoalandrock—Part11:Methodsfordeterminingshearstrengthofcoalandrock||标准状态|现行||发布机构|国家标准化管理委员会（国家标准）||分类号|采矿和矿产品综合（D04）||发布日期|2024年4月25日||实施日期|2024年8月1日||国别|中国||语言|中文（简体）|2.2标准适用范围本标准规定了煤和岩石抗剪强度测定的术语和定义、试验原理、试验设备、试样制备、试验步骤、结果计算和数据处理方法。适用于煤和岩石在常温条件下的抗剪强度测定，包括变角剪切试验和抗切试验两种方法。2.3编制原则本标准的编制遵循以下原则：（1）科学性原则。以岩石力学理论为基础，充分吸收近年来国内外在煤岩抗剪强度测试领域的研究成果和工程实践经验，确保技术内容的科学性和合理性。（2）适用性原则。兼顾不同级别实验室的设备条件和应用需求，在保证测试精度的前提下，提供灵活可操作的技术方案。（3）协调性原则。与GB/T23561系列标准的其他部分保持技术协调，在术语定义、试样制备要求、结果表达方式等方面保持一致性。同时，参照ISRM建议方法和ASTMD5607等相关国际标准，促进与国际接轨。（4）规范性原则。严格按照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》的要求进行编写，确保标准文本的规范性和可读性。3标准主要技术内容3.1术语和定义本标准对以下关键术语进行了明确界定：抗剪强度（shearstrength）：煤或岩石试样在剪切荷载作用下抵抗剪切破坏的最大应力，以剪切面上的正应力与剪应力的关系表示。变角剪切试验（variableanglesheartest）：通过改变剪切面与水平面的夹角，在不同法向应力条件下测定试样抗剪强度的方法。该方法依据摩尔-库仑强度准则，通过多个角度的剪切试验确定煤岩体的内摩擦角和黏聚力。抗切试验（anti-cuttest）：在无正应力或正应力很小条件下测定煤岩体抗剪强度的方法，主要用于确定煤岩体的纯剪切强度参数。3.2试验原理本标准规定的抗剪强度测定基于摩尔-库仑强度理论。该理论认为，煤岩体的剪切强度由黏聚力和内摩擦角两个参数共同决定，其表达式为：*τ*=*c*+*σ*·tan*φ*其中：*τ*为抗剪强度（MPa）；*c*为黏聚力（MPa）；*σ*为正应力（MPa）；*φ*为内摩擦角（°）。变角剪切试验通过在多个不同剪切角度下对试样施加剪切荷载，获取不同法向应力−剪应力组合数据点，经线性回归分析确定黏聚力和内摩擦角。3.3试验设备要求本标准对试验设备提出了明确要求：加载系统：采用伺服控制的压力试验机或岩石力学试验系统，加载能力应满足试样破坏所需最大荷载的要求，荷载测量精度不低于±1%，加载速率可调节且保持稳定。剪切夹具：变角剪切夹具的剪切面角度可调，角度范围一般为30°~70°，角度偏差不超过±0.5°。夹具应采用高强度合金钢制造，确保在试验过程中不发生明显变形。测量系统：位移测量精度不低于0.01mm，荷载传感器应经过计量检定并在有效期内。3.4试样制备标准对试样制备提出了详细规定：-试样应采用钻孔岩芯或人工制备的规则试样，推荐采用圆柱体或长方体形状-试样尺寸应符合标准规定的径高比要求，直径不宜小于50mm（煤样）或30mm（岩石样）-试样两端面应平整且相互平行，不平行度不超过0.05mm-试样在制备过程中应避免产生微裂隙和扰动，保持天然含水状态或按试验要求进行饱和处理-每组试验的试样数量不少于6个，以保证数据的统计有效性3.5试验步骤标准详细规定了试验的操作流程，主要包括：1.试样编号、外观描述和基本尺寸测量2.按预定剪切角度安装试样于剪切夹具中3.设定加载速率（推荐采用0.5~1.0MPa/s的应力速率或相应的位移速率控制）4.连续加载直至试样剪切破坏，记录峰值荷载5.描述试样破坏形态并拍照存档6.重复上述步骤直至完成所有角度的试验3.6结果计算与数据处理标准规定了以下数据处理方法：剪应力计算：按公式*τ*=*P*·sin*α*/*A*计算各试样的剪应力值；正应力计算：按公式*σ*=*P*·cos*α*/*A*计算各试样的正应力值；其中：*P*为破坏荷载（N）；*α*为剪切面与水平面的夹角（°）；*A*为剪切面积（mm²）。强度参数确定：将各试样的正应力与剪应力数据点在*σ*-*τ*坐标系中绘制散点图，采用最小二乘法进行线性拟合，拟合直线的截距即为黏聚力*c*，斜率即为内摩擦系数tan*φ*，从而求得内摩擦角*φ*。拟合相关系数不应低于0.90，否则应检查试验数据的合理性。3.7试验报告标准对试验报告的内容和格式提出了要求，应包括：试样基本信息、试验条件、试验设备信息、各试样破坏荷载、计算结果、强度参数、破坏形态描述及必要的图示等。4主要修订内容与技术亮点4.1主要修订内容本次修订相比原版本，在以下方面进行了重要调整：（1）试验设备要求的更新。结合当前试验设备的技术水平，增加了对伺服控制加载系统和数字化数据采集系统的要求，取消了已逐渐淘汰的机械式加载设备的相关条款。（2）试样制备规格的优化。根据大量试验数据分析结果，对试样的尺寸公差、平行度要求等进行了细化和微调，提高了试样制备的可操作性和一致性。（3）数据处理方法的完善。增加了异常数据剔除的原则性规定，明确了回归分析的具体方法和精度要求，提高了试验结果的可靠性。（4）增加试验质量控制要求。增加了试验过程中的质量控制条款，包括设备校准周期、试样制备质量检验、试验结果合理性判据等。4.2技术亮点亮点一：强化了标准与工程实践的衔接。修订过程中充分调研了煤矿设计、冲击地压防治、边坡稳定性评价等工程应用场景对参数的需求，有针对性地优化了试验方法的规定，使测定结果更贴近工程实际需要。亮点二：注重试验方法的系统性和完整性。将变角剪切试验和抗切试验统一纳入标准体系，明确了不同方法的适用范围和选用原则，为不同工程场景提供了灵活选择的空间。亮点三：提升了标准的可操作性。在条文编写上更加注重操作层面的细节规定，增加了附图、示例和说明性内容，便于不同层次的试验人员理解和执行。亮点四：与国际标准接轨。积极参考了ISRM关于岩石抗剪强度测定的建议方法、ASTMD5607等国际标准的技术框架，促进了我国标准与国际通行做法的协调一致。5主要起草单位介绍5.1煤炭科学技术研究院有限公司煤炭科学技术研究院有限公司（以下简称“煤科院”）是中国煤炭科工集团所属的重点科研机构，是我国煤炭行业综合性科学技术研究开发机构之一。煤科院成立于1957年，经过六十余年的发展，已形成覆盖煤炭地质、开采、安全、洁净利用等全产业链的科研创新体系。煤科院设有国家煤矿掘进机械质量监督检验中心、国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室等多个国家级和行业级科研平台，在煤岩力学特性测试领域具有深厚的研究积累和技术优势。煤科院长期从事煤和岩石物理力学性质测试技术研究，主持或参与制修订了GB/T23561系列标准等多项煤炭行业重要技术标准，是煤炭行业标准化工作的核心力量之一。在煤和岩石抗剪强度测试领域，煤科院建有专业的岩石力学实验室，配备了国际先进的伺服控制岩石力学试验系统、声发射监测系统等设备，具备开展多种复杂条件下煤岩力学特性试验研究的能力。多年来，煤科院依托自身研究积累和工程实践经验，为本标准的修订提供了大量基础试验数据和技术支撑。此外，煤科院积极参与国际学术交流与技术合作，与国内外多所高校和科研机构建立了长期合作关系，持续跟踪岩石力学测试技术的国际前沿动态，为标准的技术内容保持先进性和国际接轨提供了保障。6标准的应用与推广6.1应用领域GB/T23561.11-2024的应用领域主要包括：（1）煤矿设计与开采。在矿井设计阶段，需要利用煤岩抗剪强度参数进行采场围岩稳定性分析、巷道支护设计和开采方案优化。在开采过程中，抗剪强度参数是预测和防治冲击地压、煤与瓦斯突出等动力灾害的基础数据。（2）岩土工程与边坡治理。露天矿边坡稳定性评价、公路铁路边坡设计、水利水电工程坝基稳定性分析等均依赖于可靠的岩体抗剪强度参数。（3）隧道与地下工程。隧道围岩分级、支护参数设计、地下洞室稳定性评价等均需使用抗剪强度指标。（4）科学研究与教学。岩石力学学科的基础研究和高等教育中，标准化的测试方法是保证科研数据可比性和教学规范性的基本前提。6.2推广措施为促进标准的推广应用，建议采取以下措施：-组织开展标准宣贯培训活动，面向煤炭企业、检测机构、高校和科研院所的相关技术人员进行系统培训-编制标准的配套实施指南或解读材料，帮助使用者准确理解和执行标准条款-鼓励检测实验室按照新标准的要求更新设备、完善操作规程-建立标准实施反馈机制，持续收集实施过程中发现的问题和建议，为后续修订提供参考7未来发展展望7.1技术发展趋势随着岩石力学测试技术向智能化、精细化方向发展，煤和岩石抗剪强度测定方法也面临新的技术变革：（1）真三轴试验技术的完善。传统的变角剪切试验仅能近似模拟特定应力状态下的剪切行为，难以全面反映复杂应力路径下的真实力学响应。真三轴试验技术的发展和成熟，有望为煤岩抗剪强度测定提供更接近工程实际的手段。（2）非接触式测量技术的应用。数字图像相关（DIC）技术等非接触式全场应变测量方法，可实现剪切破坏全过程的应变场演化监测，为深入理解剪切破坏机制提供丰富信息。（3）数值仿真与物理试验的融合。基于离散元法（DEM）、有限元法（FEM）的数值仿真技术可在物理试验基础上进行参数反演和扩展分析，两者结合将有效拓展试验数据的使用价值。（4）智能化试验系统的开发。人工智能和机器学习技术的引入，有望实现试验过程的智能控制、数据自动处理和分析结果智能判读。7.2标准未来发展方向面向未来，GB/T23561.11标准可在以下方向持续完善：-适时增补真三轴剪切试验、空心圆柱扭转剪切试验等新方法的技术内容-加强与工程实践的联系，建立基于统计分析的抗剪强度参数的经验估算方法-探索与数字孪生、智能矿山等新技术体系的衔接路径-进一步推进标准的国际化进程，争取在国际标准化组织（ISO）框架下推动相关国际标准的制定8结论GB/T23561.11-2024《煤和岩石物理力学性质测定方法第11部分：煤和岩石抗剪强度测定方法》是对煤岩抗剪强度测定技术的一次系统性修订和升级。该标准的发布实施，将进一步规范我国煤和岩石抗剪强度测试的技术要求，提高试验数据的准确性、可比性和工程适用性，为矿山安