《煤和岩石 比热容的测定 冷却混合法 编制说明》

《煤和岩石比热容的测定冷却混合法》

（报批稿）

编制说明

沈阳岩土工程技术测试开发有限公司

2022年9月

0

《煤和岩石比热容的测定冷却混合法》

编制说明

1、工作简况

1.1任务来源

《煤和岩石比热容的测定冷却混合法》由沈阳岩土工程技术测

试开发有限公司（原辽宁省东煤测试分析研究院有限责任公司）提出

并制定，经辽宁省国土资源厅推荐，入选了《2016年国土资源标准

制修订工作计划》（国土资厅发【2016】26号文件），计划号为2016045。

《煤和岩石比热容的测定冷却混合法》由全国自然资源与国土

空间规划标准化技术委员会勘查技术与实验测试分技术委员会归口。

1.2主要工作过程

（1）起草阶段

2014年3月，工作组召开工作会议，讨论标准的制定原则和技

术路线，根据前期的调研工作和测试经验，初步构建《煤和岩石比

热容的测定冷却混合法》标准草案的基本框架。

2014年3月-2014年8月，工作组在辽宁省地质矿产研究院有限

责任公司对《煤和岩石比热容的测定冷却混合法》进行试验、验证

和优化。

2014年8～9月，对实验数据进行统计分析，形成标准草案（工

作组讨论稿）。

2

2014年10月，工作组对标准草案进行讨论，对标准的内容等提

出建议和意见。

2014年10月，根据工作组建议和意见，对标准进行了修改，形

成标准征求意见稿。

（2）征求意见阶段

2016年7月，标准编制组向国内地矿、冶金、有色和能源等相

关行业的32家单位发送了征求意见通知、征求意见表及标准文本和

编制说明的征求意见稿。

2016年8月，各单位进行意见反馈，其中发送"征求意见稿"的

单位数31个，收到"征求意见稿"后回函的单位数28个，收到"征求

意见稿"后，回函并有建议或意见的单位数26个，没有回函的单位数

3个。

2016年9月，对各专家提出的宝贵意见进行了改正和回复，并

进行汇总，形成《征求意见汇总处理表》。

（3）送审阶段

2016年10月—2019年1月，对标准文本和编制说明进行了详细

的修改，形成标准文本、编制说明和征求意见汇总处理表的送审稿，

准备上会审查。

（4）报批阶段

2019年2月-2022年9月，根据审查意见对标准文本和编制说明

进行了详细的修改，形成标准文本和编制说明的报批稿以及会议纪

要，准备上报。

3

1.3参加方法重复性限和再现性限协作试验的单位

（1）中国建筑材料工业地质勘查中心辽宁总队测试研究所

（2）沈阳兴禹水利建设工程质量检测有限公司

（3）内蒙古煤田地质科研所

（4）江苏地质矿产设计研究院

（5）辽宁省有色地质测试中心

（6）山东泰安矿产资源检测研究院

（7）辽宁工程技术大学

（8）辽宁省东煤测试分析研究院有限责任公司

1.4主要编制人员情况

表1-1主要编制人员情况

专业工

序号姓名学历专业职称对制定标准的具体贡献

作年限

负责标准制定工作的组织

交通工高级工

1王福龙大学20年协调、技术问题以及标准

程程师

的起草。

负责标准制定工作的方案

岩土工

2唐丽娟研究生工程师10年设计、实验和数据分析及

程

标准起草。

教授级负责标准制定工作的管理

3李本军本科矿建24年

高工和监督。

岩土工负责标准制定工作的理论

4张树光博士教授24年

程指导和技术分析。

地质工负责标准制定工作的实验

5宫良永本科工程师9年

程和数据分析。

煤质煤教授级负责标准制定工作的管理

6洪军大学34年

化高工和监督。

教授级负责标准制定工作的管理

7赵炜本科测量31年

高工和监督。

地质工教授级负责标准制定工作的实验

8刘晓芳大学25年

程高工和数据分析。

4

负责标准制定工作的实验

地质工高级工

9许顺贵本科11年数据分析比对以及标准的

程程师

起草。

土木工高级工负责标准制定工作的实

10牛太勤本科14年

程程师验。

安全科

负责标准制定工作的理论

11王宏伟博士学与工教授20年

指导和技术分析。

程

土木工高级工负责标准制定工作的实验

12高洋洋本科15年

程程师和数据分析。

地质工高级工负责标准制定工作的实验

13刘静本科13年

程程师和数据分析。

2标准编制原则和定标准主要内容的依据

2.1标准编制的原则

分析方法标准编制依据的主要原则是分析方法计算成熟可靠，有

广泛的应用基础，同时具备适用性、先进性、可证实性及规范性原则。

本标准参照了GB/T23561.1-2009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/T50123-2019土工试验方法标准

本标准结构和文字依据GB/T1.1-2009《标准化工作导则第1部

分：标准的结构和编写规则》、GB/T20000.1-2002《标准化工作指南

第1部分：标准化和相关活动的通用词汇》、GB/T20000.3-2003《标

准化工作指南第3部分：引用文件》、GB/T20001.1~4-2003《标准

编写规则》以及GB/T6379.1~2-2004《测量方法与结果的准确度》等

规定的要求进行编写。标准起草工作开展后，主要查阅了国内外同类

产品标准和国内有关企业技术资料，进行收集、整理和比对分析。

5

2.2确定标准主要内容的依据

2.2.1比热容试验标准样品粒径的确定

对于土样而言，可以很容易的碾成0.5mm的细粒；对岩样而言，

干燥的岩样较难均匀破碎成0.5mm以下的细颗粒，如果采用机械强

制性破碎，可能会造成软弱颗粒先破碎，坚硬颗粒后破碎，从而造成

取样不具代表性。软质岩石，如砂岩、泥岩等多为开口孔隙，与水混

合后，通过孔隙，水可以较快地浸入岩样内部，达到温度平衡，因此

可以不必完全碾碎。但是，假若颗粒过大，可能造成试样与水混合后，

达到温度恒定的耗时过长，或将产生热流失，使结果失真。因此，选

择合适粒径，是比热容实验研究的关键之一，经反复实验，将岩样粒

径控制在10mm以下时所得比热容结果的平均标准差值最小，实验粒

径控制在10mm以下。选取不同粒径样品实验结果对比（见表2-1）

表2-1不同粒径样品实验结果对比

岩石样本比热容kJ/kg·℃

样品粒径

1砂岩2石灰岩3大理石4花岗岩5石灰质6灰质页7煤

0.830.840.850.91凝灰岩0.931.01岩1.11

0.920.860.840.920.921.021.12

0.910.890.880.880.90.971.14

5mm

0.840.90.830.860.940.991.11

0.860.830.870.90.891.021.12

0.90.880.820.920.90.961.10

标准差0.020.020.010.010.010.010.01

平均标准0.01

差0.810.880.820.880.90.991.13

0.820.890.810.90.890.991.10

0.810.870.840.870.91.011.11

10mm

0.830.860.830.90.910.991.12

0.820.870.820.880.891.011.14

0.820.880.830.890.911.11

标准差0.010.010.010.010.010.010.01

平均标准0.01

15mm差0.840.920.860.880.841.051.08

6

0.810.850.850.920.91.011.13

0.880.910.810.840.880.971.12

0.870.930.830.850.930.961.15

0.860.860.860.930.870.981.17

0.820.920.80.920.8611.13

标准差0.030.030.030.040.030.030.03

平均标准0.03

差0.810.930.840.950.860.971.13

0.860.910.850.90.921.021.17

0.890.860.810.920.9111.09

20mm

0.870.880.860.870.940.981.11

0.820.870.820.860.930.961.13

0.850.890.860.850.90.991.08

标准差0.030.030.020.040.030.020.03

平均标准0.03

差

2.2.2比热容试验标准样品质量的确定

比热容试验样品质量的选取：

（1）要保证样品的代表性。因为岩石样品的差异性极大，

如果选取的样品质量过小，会导致样品的代表性较差。

（2）要兼顾恒温速率适中。样品的热能传递是一个较缓

慢的过程，这期间既要保证避免热流失，又要保证恒温时间不宜过长。

（3）样品质量要与所采用试验设备的容积相适应。

基于以上几点，经过反复试验最终验证试验样品质量为

50g时实验结果标准差最小实验较为稳定，采用不同质量实验样品结

果对比（见表2-2）

表2-2不同质量实验样品结果对比

样品质岩石样本比热容kJ/kg·℃

量1砂岩2石灰岩3大理石4花岗岩5石灰质6灰质页7煤

0.810.890.840.88凝灰岩0.960.95岩1.09

0.870.840.880.820.850.941.17

0.80.860.830.930.860.991.22

30g

0.860.890.870.90.931.021.11

0.810.90.820.910.91.011.13

0.850.830.890.850.9211.23

7

标准差0.030.030.030.040.040.030.06

平均标0.04

准差0.790.890.860.90.910.991.11

0.830.90.850.820.880.961.15

0.850.830.90.880.870.971.08

40g

0.840.820.820.850.831.011.20

0.780.880.810.860.861.021.14

0.820.880.830.890.891.011.12

标准差0.030.030.030.030.030.020.04

平均标0.03

准差0.810.880.820.880.90.991.11

0.820.890.810.90.890.991.15

0.810.870.840.870.91.011.12

50g

0.830.860.830.90.910.991.12

0.820.870.820.880.891.011.14

0.820.880.830.890.911.16

标准差0.010.010.010.010.010.010.02

平均标0.01

准差0.810.820.840.950.940.971.12

0.780.860.850.90.850.941.14

0.850.90.810.920.840.991.11

60g

0.830.910.860.870.931.021.09

0.880.880.820.850.91.011.18

0.820.850.850.930.921.021.13

标准差0.030.030.020.040.040.030.03

平均标0.03

准差0.80.890.810.90.960.961.13

0.870.920.850.920.850.951.19

0.80.80.810.860.860.991.11

70g

0.840.810.860.850.931.021.09

0.810.850.820.930.91.011.21

0.880.860.860.870.9211.15

标准差0.040.050.020.030.040.030.05

平均标0.04

准差

2.2.3试验温度的确定

标准介质水的初温一般采用实验室的室温，样品的初温规定为

70℃，即保证试样初温与保温桶中水的初温有足够的温差，一般在

40～50℃，通过实验对比数据可以得出，温差过大，易造成不必要的

热流失，温差过小，则影响实验结果的精度。经过试验得出在样品初

温为70℃结果的平均标准差最小，不同岩样初始温度下测定的比热

8

容实验结果对比（见表2-3）

表2-3不同岩样初始温度下测定的比热容实验结果对比

（水温初温20℃）

样品初始温岩石样本比热容kJ/kg·℃

度1砂岩2石灰3大理4花岗5石灰质凝6灰质页岩7煤

0.810.81岩0.81石0.88岩灰岩0.950.951.11

0.880.890.870.920.910.991.06

0.860.90.820.930.921.041.12

50℃

0.850.820.890.950.881.051.15

0.870.860.830.890.860.971.16

0.820.850.880.870.91.041.13

标准差0.030.040.030.030.030.040.04

平均标准差0.03

0.820.880.850.860.940.931.15

0.870.840.870.820.840.941.18

0.810.860.830.930.860.981.09

60℃

0.860.830.860.90.921.021.22

0.860.90.820.910.91.011.15

0.850.880.890.870.911.011.13

标准差0.020.030.030.040.040.040.04

平均标准差0.03

0.810.880.820.880.90.991.11

0.820.890.810.90.890.991.13

0.810.870.840.870.91.011.10

70℃

0.830.860.830.90.910.991.12

0.820.870.820.880.891.011.14

0.820.880.830.890.911.12

标准差0.010.010.010.010.010.010.01

平均标准差0.01

0.820.820.840.960.930.961.14

0.790.840.830.880.850.941.12

0.850.910.810.910.820.991.11

80℃

0.830.910.870.870.9311.23

0.880.870.820.840.911.021.15

0.870.830.850.930.921.021.13

标准差0.030.040.020.040.050.030.04

平均标准差0.04

0.810.870.810.910.950.921.12

0.880.910.830.920.850.951.22

0.80.80.810.840.850.991.15

90°℃

0.830.810.850.850.931.021.11

0.810.850.820.930.911.011.13

0.860.840.870.860.921.011.10

标准差0.030.040.020.040.040.040.04

平均标准差0.04

9

3、主要试验（或验证）的分析综述报告及技术的必要性论

证

3.1煤和岩石比热容重复性限和再现性限验证

3.1.1背景

a）测量方法

用冷却混合法测定煤和岩石的比热容。

b）简述

8个实验室参与试验，根据引用的资料来源中所描述的标准化的

测量方法对测试结果进行分析。对每个水平实验室都报告了2个试验

结果。

3.1.2原始数据

表3-1原始数据：煤和岩石比热容

水平j

实验室

5石灰质凝灰6灰质页

i1砂岩2石灰岩3大理石4花岗岩7煤

岩岩

0.840.920.850.910.931.011.14

1

0.850.910.840.920.921.021.13

0.810.880.820.880.900.991.11

2

0.820.890.810.900.891.011.13

0.870.940.860.940.941.051.09

3

0.860.930.870.920.951.021.11

0.830.900.830.920.911.021.12

4

0.850.930.840.900.921.031.13

0.860.890.840.920.901.061.13

5

0.840.910.860.930.931.041.15

0.850.900.850.910.921.031.13

6

0.860.880.860.930.911.051.15

0.810.890.850.920.911.021.12

7

0.830.910.870.900.931.041.14

10

0.820.910.840.910.891.031.12

8

0.840.920.860.930.911.051.14

3.1.3单元平均值、单元内绝对差的计算

表3-2单元平均值计算

水平j

实验室i

1234567

10.850.920.850.920.931.021.14

20.820.890.820.890.901.001.12

30.870.940.870.930.951.041.10

40.840.920.840.910.921.031.13

50.850.900.850.930.921.051.14

60.860.890.860.920.921.041.14

70.820.900.860.910.921.031.13

80.830.920.850.920.901.041.13

表3-3单元内绝对差计算

水平j

实验室i

1234567

10.010.010.010.010.010.010.01

20.010.010.010.020.010.020.02

30.010.010.010.020.010.030.02

40.020.030.010.020.010.010.01

50.020.020.020.010.030.020.02

60.010.020.010.020.010.020.02

70.020.020.020.020.020.020.02

80.020.010.020.020.020.020.02

3.1.4一致性和离群值的检查

n=2，p=8，柯克伦检验5%临界值为0.680;1%临界值为0.794。

对水平1，实验室4的s最大：∑s2=0.00200；检验统计量值

=0.200

对水平2，实验室4的s最大：∑s2=0.00250；检验统计量值

=0.360

对水平3，实验室5的s最大：∑s2=0.00170；检验统计量值

11

=0.235

对水平4，实验室2的s最大：∑s2=0.00260；检验统计量值

=0.154

对水平5，实验室5的s最大：∑s2=0.00220；检验统计量值

=0.409

对水平6，实验室3的s最大：∑s2=0.00310；检验统计量值

=0.290

对水平7，实验室2的s最大：∑s2=0.00260；检验统计量值

=0.154

表3-4将格拉布斯检验应用于单元平均值

水平单个低值单个高值两个低值两个高值检验类型

11.441.440.4260.404

21.351.730.5150.424

32.021.150.2080.594

格拉布斯检验

42.041.220.2390.575

统计量

51.391.880.4070.296

61.851.300.1680.672

72.100.950.1170.738

歧离值2.1262.1260.11010.1101格拉布斯检验

离群值2.2742.2740.05630.0563临界值

mˆj

3.1.5，srj和sRJ的计算

以水平1为例，实验室数p=8

Ty

1i6.7200

T(y)2

2i5.6469

T(yy)

3i1i20.0020

12

2T3

sr

2p0.0001

22

2T2pT1sr

sL[]

p(p1)20.0002

222

sRsLsr0.0004

T

mˆ1

p0.8400

sr0.0112

sR0.0190

r22Sr0.0316

R22S

R0.0539

类似的对水平2,3,4,5,6和7进行计算，其结果列于表3-5

水平jPjmˆrjRj

180.84000.03160.0539

280.90690.03540.0523

380.84690.02920.0492

480.91500.03610.0430

580.91630.03310.0492

681.02940.03940.0529

781.12750.03590.0450

3.1.6结论

对表3-5中的数据进行检查，没有显示出他们与m有任何依赖关

系。因而可用他们的平均值。

测量方法精密度（以质量的百分数表示）可引述如下：

重复性限：r=0.03

再现性限：R=0.05

13

3.2标准制定的必要性和意义

现代施工工艺的发展，矿山、地铁、水利等工程施工中，冻结法

施工因其自身的诸多优势，而越来越多的被采用、推广，而冻结法施

工的有效施行，提高冻结效率是关键，这就要求施工者充分了解施工

场地的岩土比热容等指标。我国现阶段有一标准为《岩石物理力学性

质试验规程第13部分:岩石比热试验》DZ/T0276.13-2015，由于该

标准方法对样品质量的规定量过少，依据这一方法在实际工程中煤和

岩石的代表性较差。本工作组通过我们的大量实验研究，可以提供一

套完整、实用的煤和岩石比热容测试方法标准，具有重要的理论意义

和现实意义。

4、采用国际标准和国外先进标准的程度以及与国际、国外

同类标准水平的对比情况

与现行的《岩石物理力学性质试验规程第13部分:岩石比热试

验》DZ/T0276.13-2015（以下简称0276.13标准）进行详细比较，

如下：

4.1试验原理

（1）0276.13标准：岩石试样在温度程序控制下，与标准样品

（或已知比热值）的热量信号进行比对，从而确定试样的比热值。具

体来讲，其基本原理是在同一条件下保证待测岩石与标准样品热量变

14

化后具有相同的温差，利用温差相同热量不同，进行热量比较得出待

测岩石与标准样的比热容之比，进而得出待测岩石的比热容。

（2）本工作组拟报标准：以水作为标准介质，利用热能守衡法则，

将煤或岩石试样升高到一定的温度，使试样与介质水之间有一个温度

差，形成一定的温度梯度，利用温度梯度的存在，通过测定已知重量

的水的初温，待测岩（煤）试样的初温，及二者混合冷却后的恒定温

度，计算出被测岩（煤）试样的比热容。具体来讲，就是利用能量守

恒定律，待测样品放出的热量等于标准用水吸收的热量，即利用放出

和吸收热量相等的原理，进而求出待测样品的比热容。

4.2标准物质

（1）0276.13标准：需要AL2O3标准物质，在测天然岩石的比热

容时，还需要标准用水的比热容。而对于实际工程应用中，大部分都

需要测试天然状态下岩石的比热容，因此在矿标准需要两个标准物质

的比热容。

（2）本工作组拟报标准：只需要标准用水的比热容。此标准直接

利用待测试样放出的热量等于标准用水吸收的热量，参考样品是标准

用水。

4.3样品质量

（1）0276.13标准：试验样品质量为0.02g~0.03g，样品质

量较少。

15

（2）本工作组拟报标准：样品质量为50g，岩石多为块状样品，

整体均匀性较差，岩石常有斑晶个别岩石有包体存在。取较多样品相

对比较有代表性，便于实验室操作。

4.4实验过程

（1）0276.13标准：主要通过仪器绘制的三个DSC曲线来确定同

一温差条件下，待测样品与标准样的热量。

（2）本工作组拟报标准：主要通过测试待测样品与水的初温与终

温，来测试得所放出（吸收）的热量。

4.5计算公式推导

两个标准计算得出的比热容基于的基本公式，都是热量公式

cmt公式1