GB-T 23561.11-2024 煤和巖石物理力學性質(zhì)測定方法 第11部分：煤和巖石抗剪強度測定方法

ICS73.010CCSD04中華人民共和國國家標準GB/T23561.11—2024代替GB/T23561.11—2010煤和巖石物理力學性質(zhì)測定方法第11部分:煤和巖石抗剪強度測定方法Methodsfordeterminingthephysicalandmechanicalpropertiesofcoalandrock—Part11:Methodsfordeterminingshearstrengthofcoalandrock2024-04-25發(fā)布2024-08-01實施國家市場監(jiān)督管理總局國家標準化管理委員會ⅠGB/T23561.11—2024本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分:標準化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。本文件是GB/T23561《煤和巖石物理力學性質(zhì)測定方法》的第11部分。GB/T23561已經(jīng)發(fā)布了以下部分:—第1部分:采樣一般規(guī)定;—第2部分:煤和巖石真密度測定方法;—第3部分:煤和巖石塊體密度測定方法;—第4部分:煤和巖石孔隙率計算方法;—第5部分:煤和巖石吸水性測定方法;—第6部分:煤和巖石含水率測定方法;—第7部分:單軸抗壓強度測定及軟化系數(shù)計算方法;—第8部分:煤和巖石變形參數(shù)測定方法;—第9部分:煤和巖石三軸強度及變形參數(shù)測定方法;—第10部分:煤和巖石抗拉強度測定方法;—第11部分:煤和巖石抗剪強度測定方法;—第12部分:煤的堅固性系數(shù)測定方法;—第13部分:煤和巖石點載荷強度指數(shù)測定方法;—第14部分:巖石膨脹率測定方法;—第15部分:巖石膨脹應力測定方法;—第16部分:巖石耐崩解性指數(shù)測定方法。本文件代替GB/T23561.11—2010《煤和巖石物理力學性質(zhì)測定方法第11部分:煤和巖石抗剪強度測定方法》,與GB/T23561.11—2010相比,除結(jié)構(gòu)調(diào)整和編輯性改動外,主要技術變化如下:a)更改了適用范圍(見第1章,2010年版的第1章);c)更改了制樣儀器設備(見6.1,2010年版的6.1);d)增加了“單面剪切強度測定”相關規(guī)定(見第7章)。請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構(gòu)不承擔識別專利的責任。本文件由中國煤炭工業(yè)協(xié)會提出并歸口。本文件起草單位:煤炭科學技術研究院有限公司、煤炭科學研究總院有限公司,中煤科工開采研究院有限公司。婁金福。本文件于2010年首次發(fā)布,本次為第一次修訂。ⅡGB/T23561.11—2024GB/T23561旨在描述在實驗室內(nèi)測定煤和巖石物理力學參數(shù)的方法,根據(jù)煤和巖石不同物理力學參數(shù)的測定需求,擬由16個部分構(gòu)成?！?部分:采樣一般規(guī)定。目的在于描述煤及與煤層相關巖層中巖石的基本物理力學性質(zhì)測定及沖擊傾向性測定所需煤和巖石樣的采樣方法?！?部分:煤和巖石真密度測定方法。目的在于采用比重瓶法或氣體膨脹法真密度分析儀測定煤和巖石的真密度?！?部分:煤和巖石塊體密度測定方法。目的在于采用密封法和量積法測定煤和巖石的塊體密度。—第4部分:煤和巖石孔隙率計算方法。目的在于測定煤和巖石的孔隙率?！?部分:煤和巖石吸水性測定方法。目的在于測定遇水不崩解、不溶解、不干縮濕脹的煤和巖石的吸水性?！?部分:煤和巖石含水率測定方法。目的在于采用烘干法測定煤和巖石的含水率?！?部分:單軸抗壓強度測定及軟化系數(shù)計算方法。目的在于測定能夠加工成標準試件的煤和巖石的單軸抗壓強度和計算軟化系數(shù)?！?部分:煤和巖石變形參數(shù)測定方法。目的在于測定能夠加工成標準試件的煤和巖石單軸壓縮條件下的變形參數(shù)?！?部分:煤和巖石三軸強度及變形參數(shù)測定方法。目的在于測定能夠加工成標準試件的煤和巖石在軸對稱三向應力條件下的強度和變形參數(shù)?！?0部分:煤和巖石抗拉強度測定方法。目的在于測定能夠加工成標準試件的煤和巖石的抗拉強度?！?1部分:煤和巖石抗剪強度測定方法。目的在于測定煤和巖石的抗剪強度?！?2部分:煤的堅固性系數(shù)測定方法。目的在于測定煤的堅固性系數(shù)?！?3部分:煤和巖石點載荷強度指數(shù)測定方法。目的在于測定煤和巖石的點載荷強度指數(shù)?！?4部分:巖石膨脹率測定方法。目的在于測定巖石的自由膨脹率和側(cè)向約束膨脹率?！?5部分:巖石膨脹應力測定方法。目的在于測定巖石的側(cè)向約束膨脹應力。—第16部分:巖石耐崩解性指數(shù)測定方法。目的在于測定遇水易崩解巖石的耐崩解指數(shù)。1GB/T23561.11—2024煤和巖石物理力學性質(zhì)測定方法第11部分:煤和巖石抗剪強度測定方法1范圍本文件描述了煤和巖石抗剪強度測定方法中標準試件抗剪強度測定、非標準試件抗剪強度測定、雙面剪切強度測定和單面剪切強度測定的方法。本文件適用于煤和巖石抗剪強度測定。其中標準試件抗剪強度測定適用于能加工成標準試件的煤和巖石;非標準試件抗剪強度測定適用于不能加工成標準試件的軟弱煤和巖石;雙面剪切強度測定和單面剪切強度測定適用于只測定煤和巖石剪切強度。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中,注日期的引用文件,僅該日期對應的版本適用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T23561.7—2009煤和巖石物理力學性質(zhì)測定方法第7部分:單軸抗壓強度測定及軟化系數(shù)計算方法3術語和定義下列術語和定義適用于本文件?？辜魪姸萻hearstrength煤或巖石試件的某截面在一定的法向應力作用下所承受的最大剪應力。4標準試件抗剪強度測定4.1儀器設備儀器設備主要有:a)鉆石機、鋸石機、磨石機或磨床;b)變角剪切夾具,見圖1;2GB/T23561.11—2024標引序號和符號說明:1—鋼墊板;2—變角剪切夾具上座;3—標準試件;4—圓柱體標準試件剪切模具;5—變角剪切夾具下座;6—滾柱;P—試件剪斷破壞載荷;AB—剪切破壞面;α—剪切面與水平面的夾角。圖1變角剪切夾具c)游標卡尺,最小分度值0.02mm;d)鋼板尺;e)萬能角度尺、百分表架及百分表;f)水平檢測臺;g)材料試驗機:精度不應低于0.5級,載荷傳感器量程范圍應滿足公式(1):1.25Pmax<P0<5Pmax…………(1)式中:Pmax—預計最大破壞載荷,單位為千牛(kN);P0—材料試驗機量程最大值,單位為千牛(kN)。4.2試件規(guī)格4.2.1標準試件規(guī)格標準試件宜采用直徑為48mm~56mm,高度為50mm的圓柱體試件。4.2.2加工精度標準試件規(guī)格按GB/T23561.7—2009中5.2規(guī)定執(zhí)行。4.2.3試件數(shù)量試件數(shù)量應根據(jù)試驗方式確定。當取5個以上的剪切角度,每個角度下做1個試件的剪切試驗時,所需試件最少數(shù)量為5個;當取3個剪切角度,每個角度下做4個試件的剪切試驗,取其抗剪強度的3GB/T23561.11—2024算術平均值時,所需試件最少數(shù)量為12個;當采取第二種試驗方式時,在計算抗剪強度的平均值的同時,應計算偏離度。若偏離度超過20%,則應增補試件數(shù)量,使偏離度不大于20%。4.2.4試件含水狀態(tài)試件含水狀態(tài)按GB/T23561.7—2009中5.4規(guī)定執(zhí)行。4.3測定步驟4.3.1測定前應核對巖樣名稱和編號,對試件顏色、顆粒、層理、節(jié)理、裂隙、風化程度、含水狀態(tài)以及加工過程中出現(xiàn)的問題應按照附錄A進行描述。4.3.2在38°~65°范圍內(nèi)選擇3個或5個以上剪切角度。按照不同的剪切角度將試件分組編號,并在試件上畫出剪切線。4.3.3檢查試件加工精度,測量試件尺寸,對于圓柱體試件按剪切面的直徑、長度各測量兩次,取算術平均值,并填入記錄表內(nèi)。4.3.4調(diào)整材料試驗機度盤指針為零,使材料試驗機處于工作狀態(tài)。將已調(diào)好角度的變角剪切夾具下座放在材料試驗機上,使其中心線與承壓板中心線重合,裝上試件并安裝好夾具上座,調(diào)整承壓板球形座,使變角剪切夾具受力均勻。啟動材料試驗機,施加0.1kN~0.5kN的壓力,檢查試件及變角夾具放置位置是否良好,若產(chǎn)生偏離卸載重新調(diào)整。4.3.5夾具與試件調(diào)整好后,以0.5MPa/s~1.0MPa/s的速率加載直至破壞。加載時,人員應離開工作臺,并采取適當?shù)谋Ｗo措施。4.3.6記錄破壞載荷及加載過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象,對試件的破壞形態(tài)進行描述。4.3.7非干燥試件破壞后,應取出部分碎塊立即用塑料袋封存,并盡快測定其含水率,填入記錄表內(nèi)。4.4數(shù)據(jù)計算4.4.1計算剪切破壞面AB上正應力(σ)和剪應力(τ)4.4.1.1單個試件剪切破壞面AB上的正應力(σ)和剪應力(τ)分別按公式(2)和公式(3)計算:·cosα…………(2)·sinα…………(3)式中:σ—正應力,單位為兆帕(MPa);P—試件剪斷破壞載荷,單位為牛(N);F—剪切面面積,單位為平方毫米(mm2);α—剪切面與水平面的夾角,單位為度(°);τ—剪應力,單位為兆帕(MPa)。4.4.1.2每個剪切角度下試件破壞時剪切面上平均正應力(σP)和平均剪應力(τP)分別按公式(4)和公式(5)計算:…………(4)…………(5)式中:σP—每個剪切角度下試件破壞時剪切面上的平均正應力,單位為兆帕(MPa);4GB/T23561.11—2024n—每個剪切角度下一組試件的個數(shù);σi—每個剪切角度下第i個試件破壞時,剪切面上的正應力,單位為兆帕(MPa);τP—每個剪切角度下試件破壞時剪切面上的平均剪應力,單位為兆帕(MPa);τi—每個剪切角度下第i個試件破壞時,剪切面上的剪應力,單位為兆帕(MPa)。4.4.2計算每個試驗角度下測定結(jié)果的偏離度正應力偏離度和剪應力偏離度分別按公式(6)和公式(7)計算:×100%…………(6)×100%…………(7)式中:Vσ—正應力偏離度;Mσ—正應力的標準差,按公式(8)計算;Vτ—剪應力偏離度;Mτ—剪應力的標準差,按公式(9)計算。(8)(9)若偏離度超過20%,則應增補試件數(shù)量,使偏離度不大于20%。當測定3個剪切角度,每個角度下做4個試件時,應同時計算抗剪強度的平均值和偏離度;當測定角度在5個以上,每個角度下只做1個試件時,則不計算測量值的平均值和偏離度。4.4.3繪制煤和巖石抗剪強度曲線4.4.3.1根據(jù)各測定角度下的平均正應力值和平均剪應力值,繪制煤和巖石抗剪強度曲線,見圖2。A、B、E、D各點分別為不同角度下的平均測量值。當測定角度在5個以上,每個測角下只作一個試件的剪切強度測定時,煤和巖石抗剪強度曲線各點為各測角下單個試件的測量值。圖2煤和巖石抗剪強度曲線5GB/T23561.11—20244.4.3.2為便于工程上的應用,可將煤和巖石抗剪強度曲線簡化為直線,簡化后可用公式(10)表示:τ=C+σ·tanφ…………(10)式中:C—凝聚力,煤和巖石抗剪強度曲線在τ軸上的截距,單位為兆帕(MPa);φ—內(nèi)摩擦角,煤和巖石抗剪強度曲線的傾角,單位為度(°)?？辜魪姸惹€的簡化方法:最小二乘法。利用計算機,對A、B、E、D……各點做線性擬合,使得誤差的平方和最小,所獲得直線即為煤和巖石抗剪強度曲線。4.4.4C和φ值的確定簡化后的直線在τ軸上的截距即為C值,直線斜率的反正切即為φ值。C值計算結(jié)果取3位有效數(shù)字,φ值計算結(jié)果保留到分(')。5非標準試件抗剪強度測定5.1儀器設備儀器設備主要有:a)材料試驗機精度應不低于0.5級,載荷傳感器測量范圍應滿足公式(1);b)變角剪切夾具,見圖1;c)70.7mm×70.7mm×70.7mm立方體模具;d)游標卡尺,最小分度值0.02mm;e)玻璃板或透明紙;f)求積儀或坐標紙;g)鋼板尺;h)高鋁水泥或高強度水泥(其強度應高于巖石強度);i)云母片或云母粉;j)防水油漆或防水套。5.2試件規(guī)格5.2.1試件應近似于圓柱體,不應采用圓錐體或雙錐體,表面應平滑。試件直徑宜為48mm~56mm,高度不宜超過50mm。5.2.2試件數(shù)量和含水狀態(tài)按4.2.3和4.2.4規(guī)定執(zhí)行。5.3測定步驟5.3.1制作襯模:將非標準試件表面涂以防水油漆后風干(或用防水套扎緊),然后用高強度水泥膠固在立方體襯模模具中,在模具中部平面上鋪一層約1mm厚的云母片或云母粉,作為試件的剪切面,見圖3。經(jīng)24h后拆模,用濕毛巾覆蓋,噴水養(yǎng)護28d。6GB/T23561.11—2024標引序號說明:1—立方體襯模模具;2—非標準試件;3—云母粉或云母片;4—膠固在模具中的高鋁水泥或高強度水泥砂漿;5—模具底座。圖3非標準試件模具制作示意圖5.3.2將制作好的非標準試件襯模加工成70mm×70mm×70mm的立方體試件。5.3.3其余測定步驟按4.3規(guī)定進行。非標準試件抗剪強度測定方法見圖4。標引序號和符號說明:1—鋼墊板;2—變角剪切夾具上座;3—非標準試件;4—軟夾層;5—立方體襯模;6—變角剪切夾具下座;7—滾柱;P—試件剪斷破壞載荷;R—剪切面與水平面的夾角。圖4非標準試件抗剪強度測定方法5.4數(shù)據(jù)計算5.4.1計算非標準試件剪切面積:利用玻璃板或透明紙,將非標準試件的剪切面用筆描下來,然后用求7GB/T23561.11—2024積儀或者用坐標紙畫出的方格網(wǎng),計算剪切面積。5.4.2測定結(jié)果計算和數(shù)據(jù)計算,按4.4進行。6雙面剪切強度測定6.1儀器設備儀器設備主要有:a)材料試驗機精度不應低于0.5級,載荷傳感器測量范圍應滿足公式(1);b)雙剪夾具,見圖5;c)取芯機,切割機,磨石機或磨床;d)游標卡尺,最小分度值0.02mm。標引序號和符號說明:1—壓桿;2—夾具座;3—試件;4—受剪切面;P—試件剪斷時的載荷。圖5雙剪夾具6.2試件規(guī)格6.2.1標準試件為圓柱體,直徑為25.0mm±0.1mm,長約120mm。6.2.2試件數(shù)量和含水狀態(tài)按4.2.3和4.2.4規(guī)定執(zhí)行。6.3測定步驟6.3.1測定前應核對巖樣名稱和編號,對試件的顏色、顆粒、層理、節(jié)理、裂隙、風化程度、含水狀態(tài)以及加工過程中出現(xiàn)的問題應按照附錄B進行描述。6.3.2在試件受剪處用紅鉛筆畫上記號,用游標卡尺測量試件受剪處直徑兩次,取算術平均值。6.3.3將試件置于雙剪夾具中,見圖5,再將雙剪夾具放在材料試驗機的承壓板中心,調(diào)整承壓板的球形座,使材料試驗機的上承壓板平行于雙剪夾具受壓面。6.3.4調(diào)整材料試驗機度盤指針為零,啟動材料試驗機,以0.03MPa/s~0.05MPa/s的速率平穩(wěn)加載直至試件被剪斷。6.3.5記錄破壞載荷及加載過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象,對試件破壞狀況進行描述。非干燥狀態(tài)試件破壞8GB/T23561.11—2024后,應立即取出部分碎塊用塑料袋封存嚴防失水,并盡快測定其含水率,填入記錄表內(nèi)。6.4數(shù)據(jù)計算6.4.1雙面剪切強度按公式(11)計算:τ0=…………(11)式中:τ0—試件的抗剪強度,單位為兆帕(MPa);P—試件剪斷時的載荷,單位為牛(N);D—試件直徑,單位為毫米(mm)。6.4.2采用算術平均值計算并確定雙面剪切強度。計算結(jié)果取3位有效數(shù)字。試驗報告中列出每個試件的測量值。7單面剪切強度測定7.1儀器設備儀器設備主要有:a)材料試驗機:精度不應低于0.5級,載荷傳感器加載范圍應滿足公式(1);b)單剪夾具,見圖6;c)取芯機,切割機,磨石機或磨床;d)游標卡尺,最小分度值0.02mm。標引序號和符號說明:1—壓板;2—滾珠;3—夾板;4—試件;P—作用于剪切面上的法向載荷;Q—作用于剪切面上的剪切載荷。圖6單剪夾具7.2試件規(guī)格7.2.2試件數(shù)量和含水狀態(tài)按4.2.3和4.2.4規(guī)定執(zhí)行。9GB/T23561.11—20247.3測定步驟7.3.1測定前應核對煤巖樣名稱和編號,對試件的顏色、顆粒、層理、節(jié)理、裂隙、風化程度、含水狀態(tài)以及加工過程中出現(xiàn)的問題應按照附錄B進行描述。7.3.2在試件受剪處用紅鉛筆畫上記號,用游標卡尺測量試件受剪處長度兩次,取算術平均值。7.3.3將試件置于單剪夾具中,見圖6,再將單剪夾具放在材料試驗機的承壓板中心,保證法向力和切向力的合力通過剪切面的中心。7.3.4試件上的法向應力,在設計的正應力區(qū)間內(nèi),分5個等級,每個等級選擇對應的整數(shù)值加載。7.3.5法向載荷分五次施加,每5min加載一次,加載前后讀取豎向變形,達到預定載荷之后,豎向變形5min的讀數(shù)不超過0.01mm時,開始施加剪切載荷。7.3.6剪切載荷分級施加,試驗按預估最大剪切載荷的8%~10%施加,剪切載荷的施加采用時間控制,每5min加載一次,并記錄加載前后的切向和法向位移值,在剪切過程中,法向應力保持恒定。7.3.7測定結(jié)束后,觀察破壞狀態(tài)是否沿預定剪切面破壞,當不滿足測定設計方案要求時,測定數(shù)據(jù)無效,當滿足測定設計方案要求時,對剪切面進行素描或拍照,記錄節(jié)理裂隙與剪切面的關系,測量剪斷面積。7.4數(shù)據(jù)計算7.4.1單面剪切強度按公式(12)、公式(13)計算:…………(12)…………(13)式中:σ—作用于剪切面上的法向應力,單位為兆帕(MPa);P—作用于剪切面上的法向載荷,單位為千牛(kN);A—實測剪切面積,單位為平方厘米(cm2);τ—作用于剪切面上剪應力,單位為兆帕(MPa);Q—作用于剪切面上的剪切載荷,單位為千牛(kN)。7.4.2計算單面剪切強度,取算術平均值。計算結(jié)果取3位有效數(shù)字。試驗報告中列出每個試件的測量值。10GB/T23561.11—2024附錄A(規(guī)范性)抗剪強度測定