深部卸压工程常规三轴岩石力学测试规范(T-GRM 058—2023).pdf

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1、ICS 01.040.073D00/09T/GRM中 关 村 绿 色 矿 山 产 业 联 盟 团 体 标 准T/GRM 0582023深部卸压工程常规三轴岩石力学测试规范Specification for conventional triaxial rock mechanics test in deep stress relievingengineering2023-10-31 发布2023-10-31 实施中关村绿色矿山产业联盟发 布T/GRM 0582023I目次前言.III1范围.12规范性引用文件.13术语和定义.14试验原理.24.1初始高地应力状态还原阶段.24.2初始轴向应力恒定

2、-初始围压卸载阶段.24.3围压恒定,以初始轴向应力为起点的轴向持续加载阶段.25仪器设备.26试验试件.36.1规格.36.2加载方向.36.3数量.36.4加工精度及含水状态.37试验步骤.37.1地应力测量.37.2基础特征描述.37.3尺寸测量.37.4质量测量与密度计算.37.5波速测量.47.6组构辨识.47.7基础力学参数测量.47.8围压的选择.47.9试件安装.47.10加卸载程序设置.57.11变形参数测定.68试验结果分析.68.1轴向最大主应力.68.2绘制应力-应变曲线.78.3计算弹性模量和泊松比.78.4计算内摩擦角和内聚力C.88.5绘制莫尔圆及其包络线.9附录

3、 A(资料性)深部煤和岩石试件对应埋深的地应力测试结果记录表.11附录 B(资料性)深部煤和岩石试件的物理力学性质测试结果记录表.12T/GRM 0582023II附录 C(资料性)深部煤和岩石试件的基本力学参数测试结果记录表.13附录 D(资料性)三轴加卸载力学试验记录表.14附录 E(资料性)三轴加卸载变形参数试验记录表.15附录 F(资料性)试验数据整理方法.16T/GRM 0582023III前言本标准依据GB/T 1.1-2020 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规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中关村绿

4、色矿山产业联盟提出。本文件由中关村绿色矿山产业联盟标准工作委员会归口。本文件起草单位:中国矿业大学(北京)、北京科技大学、武汉大学、黑龙江龙煤矿业控股集团有限责任公司。本文件主要起草人:张俊文、李玉琳、宋治祥、卢海峰、于会军、范文兵、董续凯、张杨、吴少康、邓雪杰、陈见行、陈宇龙。本文件为首次发布。T/GRM 05820231深部卸压工程常规三轴岩石力学测试规范1范围本文件规定了深部卸压工程常规三轴岩石力学测试的试验原理、仪器设备、试件要求、试验步骤和试验结果整理等。本文件适用于在实验室条件下,深部煤和岩石试件在轴对称三向应力条件下,对深部煤和岩石试件强度和变形参数的测定。2规范性引用文件下列文

5、件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中,注日期的引用文件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T 23561.3 煤和岩石物理力学性质测定方法第3部分:煤和岩石块体密度测定方法GB/T 23561.4 煤和岩石物理力学性质测定方法第4部分:煤和岩石孔隙率计算方法GB/T 23561.7 煤和岩石物理力学性质测定方法第7部分:单轴抗压强度测定及软化系数计算方法GB/T 23561.8 煤和岩石物理力学性质测定方法第部分:煤和岩石变形参数测定方法GB/T 23561.9 煤和岩石物理力学性质测定方法第9部分:

6、煤和岩石三轴强度及变形参数测定方法GB/T 23561.10 煤和岩石物理力学性质测定方法第10部分:煤和岩石抗拉强度测定方法DB/T 14 原地应力测量水压致裂法和套芯解除法技术规范3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1围压 confining pressure深部煤和岩石试件在初始高地应力状态还原后,通过应力控制方式对初始轴向应力保持恒定,同时通过应力控制方式采用一定的卸载速率对初始围压(20=30)进行卸载至不同水平的预设值(2=3),该不同水平的预设值2=3即为三轴加卸载试验中的围压。3.2基于开挖效应下的三轴加卸载力学试验 triaxial loading and unloa

7、ding test based on theexcavation effect首先,对深部煤和岩石试件进行还原至深部煤和岩石试件对应埋深取样处的初始高地应力状态:10v,2030h;其次,保持初始轴向应力10v恒定,将2030h以一定的卸载速率卸载至不同水平的预设值2=3;再次,保持围压2=3恒定,以初始轴向应力10为起点,在不同水平的预设值(即围压23)下施加轴向应力直至深部煤和岩石试件破坏的过程。3.3三轴峰值强度 triaxial peak strengthT/GRM 05820232以初始轴向应力10为起点,在围压(23)作用下持续施加轴向应力,致使深部煤和岩石试件达到破坏时所能承受的

8、最大轴向应力1cf。4试验原理4.1初始高地应力状态还原阶段开挖前,对深部煤和岩石试件进行初始高地应力状态还原,即通过偏应力恒定的方式,将初始轴向应力和初始围压分别还原至对应埋深的初始高地应力状态。4.2初始轴向应力恒定-初始围压卸载阶段开挖时,深部巷道围岩处于垂直主应力不变、最小水平主应力卸荷状态。试验时,需恒定深部煤和岩石试件的初始轴向应力,卸荷初始围压,且初始围压应卸荷至不同水平下的预设值。4.3围压恒定,以初始轴向应力为起点的轴向持续加载阶段开挖后,需保持卸载后的围压恒定,以初始轴向应力为起点,对深部煤和岩石试件进行持续轴向加载,直至深部煤和岩石试件进入残余变形阶段。5仪器设备5.1试

9、件加工设备如下:钻石机、锯石机、磨石机或磨床。5.2试验样品的检验工具如下:a)卡尺,最小分度值 0.02 mm;b)万能角度尺、百分表架及百分表;c)水平检测台;d)电子天平,最小分度值 0.01g;e)波速测试仪,最小分度值 0.01km/s。5.3试验仪器如下:a)三轴岩石力学试验机,包括加载框架、三轴腔室、轴压加载系统、围压增压系统、孔压增压系统、液压控制系统、液压动力源、计算机数据采集系统、金属刚性压头、耐高温高压热塑套、环向应变引伸计、轴向传感器。b)三轴岩石力学试验机精度不应低于一级,并应满足 0.5 MPa/s1.0 MPa/s 的速率加载。且加载范围应满足式(1):max0m

10、ax1.255PPP.(1)式中:P0三轴岩石力学试验机载荷量程,单位为牛(N);Pmax预计试件的最大破坏载荷,单位为牛(N)。c)三轴岩石力学试验机附属的三轴压力室及可保持围压稳定的围压增压系统。三轴压力室的上、下端多孔金属垫板的硬度应不低于 58 洛氏硬度,不平行度应小于 0.02 mm。5.4试验中所需其他材料如下:a)粘结剂:环氧树脂胶粘结剂或其他类似性能的粘结剂;b)防潮、防油剂:聚氯乙烯粘胶或聚乙烯缩醛胶;T/GRM 05820233c)清洁剂:纱布、脱脂棉等。6试验试件6.1规格标准的深部煤和岩石试件形状宜采用圆柱体,直径为承压板直径的(0.981.00)倍,一般取值范围在(4

11、856)mm,高径比范围宜为(1.82.2)。6.2加载方向深部煤和岩石试件层理一般应同轴向加载方向垂直,其他方向应说明。6.3数量同一工况下,每组深部煤和岩石试件应至少选3个试件进行三轴加卸载力学试验;每组深部煤和岩石试件应至少进行5个不同围压下的三轴加卸载力学试验。6.4加工精度及含水状态试件的加工精度及含水状态等应按GB/T 23561.7执行。7试验步骤7.1地应力测量7.1.1地应力测量可参照 DB/T 14 执行。7.1.2在深部煤和岩石试件的取样处应进行初始地应力测量与计算,将测量结果与计算结果填入记录表内,见附录。7.2基础特征描述测定前核对深部煤和岩石试件的名称和编号,对深部

12、煤和岩石试件的颜色、颗粒、层理、节理、裂隙、风化程度、含水状态、P-波波速、S-波波速、加载方向等进行准确描述,并填入记录表内,见附录B。7.3尺寸测量检查深部煤和岩石试件的加工精度,测量深部煤和岩石试件的直径和高度并填入记录表内,见附录B。7.3.1直径量测应在深部煤和岩石试件的上下端面附近以及中央附近的断面,测定相互垂直的两个方向的直径,取其算术平均值为深部煤和岩石试件的直径。7.3.2高度量测应在深部煤和岩石试件的过中心轴的两个相交的平面内各取两点,测定两个高度值,取其算术平均值作为深部煤和岩石试件的高度。T/GRM 058202347.4质量测量与密度计算7.4.1测量深部煤和岩石试件

13、的质量,结合测量的直径与高度,计算出深部煤和岩石试件的密度,并填入记录表内,见附录 B。此部分按 GB/T 23561.3 中的测定方法进行。7.4.2质量测量在质量测量过程中,应采用镊子或指定夹具夹取深部煤和岩石试件进行质量测量,测量过程保证电子天平水平,精确读取质量读数,精确值 0.01g。每个深部煤和岩石试件质量测量重复三次,取其算术平均值作为深部煤和岩石试件的质量。7.4.3密度计算结合质量算术平均值(g)、直径算术平均值(mm)以及高度的算术平均值(mm),计算出深部煤和岩石试件的密度(g/mm3)。计算过程注意单位换算。7.5波速测量测量深部煤和岩石试件的 P-波波速和 S-波波速

14、并填入记录表内,见附录 B。其中,波速差异大的深部煤和岩石试件进行剔除(P 波与 S 波波速差异均不宜超过 0.5km/s),不参与三轴加卸载力学试验。7.6组构辨识7.6.1深部煤和岩石试件进行空间组构辨识,并填入记录表内,见附录 B。7.6.2组成成分的测量,X-射线衍射测试。7.6.3原始孔洞结构辨识,电镜扫描测试或 CT 扫描测试。7.6.4初始孔隙度测量,采取压汞试验测量。此部分参考 GB/T 23561.4 方法进行。7.7基础力学参数测量7.7.1深部煤和岩石试件基本力学参数测量,并填入记录表内,见附录 C。7.7.2测量深部煤和岩石试件基本力学参数:单轴抗压强度、弹性模量、泊松

15、比以及单轴抗拉强度。此部分参考 GB/T 23561.7、GB/T 23561.8、GB/T 23561.10 方法进行。7.8围压的选择最大围压可根据实际情况选定,围压等级可按等差级数或等比级数选择。7.9试件安装拭净上、下端多孔金属垫块,将深部煤和岩石试件置于上、下端多孔金属垫块中,使三者中心成一直线。上、下端多孔金属垫块应符合 GB/T 23561.8 中 7.4 的规定。再将深部煤和岩石试件与上、下端多孔金属垫块套上耐高温高压的热塑套;之后用高温热气枪对深部煤和岩石试件进行整体均匀加热,进而达到均匀且完整地封闭深部煤和岩石试件的效果,深部煤和岩石试件安装见图 1。必要时,热塑套与上、下

16、端多孔金属垫块的接口处可涂上聚氯乙烯粘胶以增强封闭效果。在此之后,将密封好的深部煤和岩石试件置于三轴岩石力学试验机的上、下端压头之间,并使三轴压缩腔室的轴线与上、下端压头的轴线相重合,同时慢慢降低上端压头,直至上端压头与密封好的深部煤和岩石试件接近贴合状态。在此之后,启动三轴岩石力学试验机,施加 0.1 kN0.5 kN 的轴向压力,以固定深部煤和岩石试件。待深部煤和岩石试件固定后,将三轴压缩腔室的封闭圈慢慢下放,使其压缩腔下端平面与底部固定端完全封闭密封。在此之后,打开压力室的排气孔,将三轴压缩腔室的空气排净后拧紧排气孔。之后,启动围压增压系统,向三轴压缩腔室持续注油,直至注满整个三轴压缩腔

17、室为止。T/GRM 05820235标引序号说明:1上端压头;2环向变形引伸计(径向);3上端多孔金属垫块;4环向变形引伸计(径向)固定杆;5耐高温高压的热塑套;6轴向变形传感器;7深部煤和岩石试件;8下端多孔金属垫块;9下端压头。图 1深部煤和岩石试件安装示意7.10加卸载程序设置7.10.1初始高地应力状态还原阶段此阶段采用偏应力恒定(10-30)加载方式进行即,(3,1)的应力状态由(0,10-30)加载至(30,10),加载速率为 0.5 MPa/s,加载时间t0为(30/0.5)。7.10.2初始轴向应力恒定-初始围压卸载阶段此阶段采用应力控制方式进行,而对应的应力状态则由(30,1

18、0)卸载至(3,10),卸载速率为0.5 MPa/s,卸载时间t1为(30-3)/0.5)。在此过程中使初始轴向应力10始终保持恒定,变动范围不应超过0.5。7.10.3围压恒定,以初始轴向应力为起点的轴向持续加载阶段保持围压恒定,以初始轴向应力为起点,以 0.5 MPa/s1.0 MPa/s 的稳定加载速率施加轴向应力直至深部煤和岩石试件进入残余变形阶段。在此过程中,记录下深部煤和岩石试件的破坏载荷值。同时,三轴岩石力学试验机的数据采集系统自动记录深部煤和岩石试件的三轴加卸载变形全过程的相关数据。7.10.4最后将轴向应力及围压卸载至 0。卸载完成后,取出深部煤和岩石试件,记录其破坏状况。7

19、.10.5当有完整的宏观主破坏面时,依据万能角度尺来量测宏观主破坏面与轴向应力作用面(水平面)之间的夹角。其中,为平均破裂角,(),其值为1,2和3的算术平均数。另外,见图 2,用于检验求得的内摩擦角。整个测试过程由测试系统全程自动记录测试数据,相应的三轴加卸载试验记录表见附录 D。T/GRM 05820236标引序号说明:1轴向应力/MPa;3围压/MPa;A宏观主破裂线起始端;B宏观主破裂线起伏度最高点;C宏观主破裂线起伏度最低点;D宏观主破裂线终末端;1破裂角 1/,其值为直线 AD 与水平线的夹角;2破裂角 2/,其值为直线 AB 与水平线的夹角;3破裂角 3/,其值为直线 AC 与水

20、平线的夹角;图 2深部煤和岩石试件的破坏状态及破裂角示意7.11变形参数测定此三轴加卸载力学试验采用电液伺服三轴岩石力学试验机进行,载荷、位移、应变测试仪器与数据采集处理系统间通过外接接头或传感器相互连接,测试系统全程自动记录测试数据,亦包含三轴加卸载变形参数数据记录,相应的三轴加卸载变形参数数据记录表见附录 E。8试验结果分析8.1轴向最大主应力在一定围压作用下的深部煤和岩石试件的三轴峰值强度按式(2)计算:1cfcfPS.(2)式中:1cf在一定围压作用下的深部煤和岩石试件的三轴峰值强度,单位为兆帕(MPa);Pcf深部煤和岩石试件的三轴破坏载荷,单位为牛(N);S深部煤和岩石试件的初始承

21、压面积,单位为平方毫米(mm2)。T/GRM 058202378.2绘制应力-应变曲线以轴向应力1为纵坐标,轴向应变1为横坐标,绘制轴向应力与轴向应变的关系曲线,在每条曲线上标出深部煤和岩石试件对应埋深的初始高地应力状态(30,10),不同水平的围压值3,以及不同水平的围压值3相对应下三轴峰值强度1cf,见图 3。如试验结果呈现较大离散时,可按附录 F 处理。图 3 中,轴向应力1按式(3)计算:1PS.(3)式中:1轴向应力,单位为兆帕(MPa);P轴向载荷,单位为牛(N);S深部煤和岩石试件的初始承压面积,单位为平方毫米(mm2)。图 3深部煤和岩石试件的应力-应变曲线8.3计算弹性模量和

22、泊松比8.3.1三轴加卸载下的深部煤和岩石试件的弹性模量计算按式(4)或式(5),泊松比的计算按式(6),此过程仅限于依托第三阶段(即围压恒定,以初始轴向应力为起点的轴向持续加载阶段中的峰前弹性变形阶段)的数据进行:3131331311(2)()10(2)E .(4)3131210E.(5)T/GRM 05820238113131333()2.(6)式中:E三轴应力状态下深部煤和岩石试件的弹性模量,单位为(GPa);泊松比;1轴向应力增量,单位为兆帕(MPa);3围压增量,单位为兆帕(MPa);1轴向应变增量;3径向应变增量。8.3.2弹性模量计算精确至小数点后两位;泊松比计算精确至 0.01

23、。8.4计算内摩擦角和内聚力C8.4.1以围压3为横坐标,三轴峰值强度1cf为纵坐标,将同组深部煤和岩石试件的围压与三轴峰值强度的关系在图上标出,见图 4。图 4围压与三轴峰值强度关系示意图8.4.2通过上述各点绘制平均曲线,再从实际情况出发,在曲线上选取最适当的线段绘一条直线或在曲线上选取不同的线段绘出几条直线。对每条直线都要计算出它们的斜率m和纵轴上的截距b。各段直线方程的表达式见式(7):13cfbm.(7)m,b可分别用式(8)、式(9)计算:2313132233()cfcfbn.(8)31312233()cfcfnmn .(9)n为该直线段内的点数,1cf,3分别为该直线段内各点相对

24、应的三轴峰值强度与围压值。利用参数m和b,计算内摩擦角和内聚力C的公式分别按式(10)、式(11)计算:1arcsin1mm.(10)T/GRM 05820239(1 sin)2cosbC.(11)8.5绘制莫尔圆及其包络线取纵横坐标比例相同的坐标纸,采用以压应力为正的直角坐标系,首先,根据三轴加卸载应力路径,确定好每个阶段的莫尔圆的圆心和半径并依次绘出莫尔圆簇。其次,根据实际情况在所研究的范围内选定 35 个3值,再依据直线方程求出相对应的1cf,以(1cf+3)/2,0为圆心,(1cf-3)/2 为半径绘出一组莫尔圆及其包络线,此包络线即为该组深部煤和岩石试件的强度曲线,见图 5,包络线在

25、纵轴上的截距为内聚力C,与横轴的夹角为内摩擦角。图 5深部煤和岩石试件的莫尔圆簇及其包络线标引序号说明:1-初始高地应力状态还原阶段对应的莫尔圆,圆心(10+30)/2,0,半径 R1为(10-30)/2,10与30分别为初始高地应力状态对应的初始轴向应力和初始围压,MPa;2-初始轴向应力恒定-初始围压卸载阶段对应的莫尔圆,圆心(10+3)/2,0,半径 R2为(10-3)/2,10为初始高地应力状态对应的初始轴向应力,3为以初始围压30为起点,卸载至一定的围压预设值,MPa;3-围压恒定-以初始轴向应力为起点的轴向持续加载阶段对应的莫尔圆,圆心(1cf+3)/2,0,半径 R3为(1cf-

26、3)/2,1cf为深部煤和岩石试件的三轴峰值强度,3为围压,MPa。a)深部煤和岩石试件在三轴加卸载过程中对应的莫尔圆簇;b)深部煤和岩石试件在三轴加卸载条件下对应的应力包络线。T/GRM 058202310AA附录A(资料性)深部煤和岩石试件对应埋深的地应力测试结果记录表测试单位:测试地点:测试人员名单:煤和岩石试件种类对应埋深/m对应测试点编号对应测试点位置孔深/m方位角/仰角/安装角/测量的主应力分量/MPa测量的剪应力分量/MPa计算得到的最终三向主应力/MPa测量日期计算日期xyzxyyzzxhvH试验:计算:校核:T/GRM 058202311BB附录B(资料性)深部煤和岩石试件的

27、物理力学性质测试结果记录表测试单位:测试地点:测试人员名单:试件编号直径/mm高度/mm截面积S/mm2质量/g密度/(gmm-3)含水状态描述外观层理、节理、割理等描述P 波波速/(kms-1)S 波波速/(kms-1)初始孔隙度成分组成内部原始孔洞分布描述试验:计算:校核:T/GRM 058202312CC附录C(资料性)深部煤和岩石试件的基本力学参数测试结果记录表测试单位:测试地点:测试人员名单:试件编号直径/mm高度/mm截面积S/mm2单轴压缩破坏载荷PUCS/N单轴拉伸破坏载荷PUTS/N单轴抗压强度UCS/MPa单轴抗拉强度UTS/MPa弹性模量E/GPa泊松比备注试验:计算:校

28、核:T/GRM 058202313DD附录D(资料性)三轴加卸载力学试验记录表测试单位:测试地点:测试人员名单:试件编号截面积S/mm2受力方向初始轴向应力10/MPa初始围压30/MPa三轴加卸载过程三轴压缩破坏载荷Pcf/N三轴峰值强度1cf/MPa围压3/MPa初始高地应力还原阶段初始轴向应力恒定-初始围压卸载阶段围压恒定,以初始轴向应力为起点的轴向加载阶段加载速率/(MPas-1)或(mmmin-1)控制模式卸载速率/(MPas-1)或(mmmin-1)控制模式加载速率/(MPas-1)或(mmmin-1)控制模式试验:计算:校核:T/GRM 058202314EE附录E(资料性)三轴

29、加卸载变形参数试验记录表测试单位:测试地点:测试人员名单:试件编号直 径/mm高度/mm截 面积S/mm2三轴压缩破坏载荷Pcf/N轴向应变1/%径向应变3/%体积应变V/%初始轴向应力10/MPa初始围压30/MPa轴向应力1/MPa围压3/MPa偏应力(1-3)/MPa备注试验:计算:校核:T/GRM 058202315FF附录F(资料性)试验数据整理方法由于深部煤和岩石的非均质性、不连续性甚至是各向异性,深部煤和岩石的三轴加卸载试验结果往往呈现较大的分散性。当采用上述方法整理出直线方程1cfb+m3,其相关系数太小(例如小于0.95)时,可根据具体情况,作如下处理:a)根据深部煤和岩石试件的初始条件及试验过程中的异常情况,舍弃可疑的数据或个别的异常值,然后再绘制13关系曲线。b)将所有得出的1cf,按其偏大、偏小值分为两类,分别绘制两条13关系曲线及莫尔圆包络线(包含三个阶段),其中一条代表深部煤和岩石三轴峰值强度的上限,另一条代表下限,然后根据试验的具体目的分别选用上限或下限。c)增加深部煤和岩石试件的个数,尤其是同一个围压下的深部煤和岩石试件的个数。_

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