含复杂缺陷3D打印类岩石试件制备技术规范-编制说明

含复杂缺陷3D打印类岩石试件制备

技术规范

编制说明

起草单位：山东科技大学

参编单位：矿冶科技集团有限公司、安徽理工大学、

中国矿业大学太原理工大学、河南理工大学

太原理工大学、济宁学院

主要起草人：蒋力帅、赵阳、郭利杰、刘光生、袁安营、

李桂臣、贾后省、白锦文、黄万朋、武泉森

2022年11月28日

《含复杂缺陷3D打印类岩石试件制备技术规范》

团体标准编制说明

一、工作简况

1、任务来源

物理实验是当前岩石力学与工程研究的主要手段之一，而对于节理裂隙发育的围岩，

由于其软弱易碎、完整性差，在制备含预制节理、孔洞等缺陷的岩石试样进行力学试验时

局限较大，无法采用水力割缝等方式对原岩试样进行加工，被广泛应用的浇筑法同样难以

制作结构、形状复杂的试验试样，从而较难真实的反映微裂隙发育的岩体力学特性和节理

纵横的工程现场围岩状态。3D打印技术避免了试样的各向异性对试验结果造成的影响，

为制作均一化含复杂节理、孔洞等缺陷的类岩石试样提供了技术支持，也为岩体力学的研

究开辟了一条以此为基础的新道路。

为充分发挥市场主体的创新优势，促进绿色矿山技术进步、工艺水平提高以及综合服

务高质量发展，助力绿色矿山管理体系建设，落实自然资源部等六部委《关于加快建设绿

色矿山的实施意见》的有关要求。2022年中关村绿色矿山产业绿盟（以下简称中绿盟）

发布了《关于征集2022年度团体标准项目的通知》。项目组根据前期文献调查与试验研究，

经分析研讨后，决定向中绿盟提交《含复杂缺陷3D打印类岩石试件制备技术规范》的标

准制定方案，方案经中绿盟大会讨论后决定立项，并于2022年05月26日发布于《中绿

盟2022年度第一批团体标准立项计划》。

2、起草单位、参编单位

本文件起草单位：山东科技大学、河南理工大学、安徽理工大学、矿冶科技集团有限

公司、太原理工大学、济宁学院。

3、主要起草人

本文件主要起草人：蒋力帅、赵阳、郭利杰、刘光生、袁安营、李桂臣、贾后省、白

锦文、黄万朋、武泉森。

二、制定（修订）标准的必要性和意义

由于复杂的成岩作用和工程地质条件，矿山围岩体中均普遍存在节理、裂隙、孔洞等

形式各样的弱结构面和缺陷，致使围岩常表现出明显的非连续性和非均匀性，这也给围岩

稳定性的分析、判别、控制等带来了巨大困难。在岩石力学研究中，物理试验能够比较全

面、真实地反映岩石力学特性与行为，是当前岩石力学与工程研究的主要手段之一。而对

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于节理裂隙发育的围岩，由于其软弱易碎、完整性差，在制备含预制节理、孔洞等缺陷的

岩石试样进行力学试验时局限较大，无法采用水力割缝等方式对原岩试样进行加工，因此

国内外学者通常采用石膏等类岩石材料通过浇筑法制备含节理试样，但该方法的主要局限

是难以制作结构、形状复杂的试验试样，从而较难真实的反映微裂隙发育的岩体力学特性

和节理纵横的工程现场围岩状态。

近年来快速发展的3D打印技术，能够配合岩芯CT扫描获得现场原岩岩芯内部裂隙

构造，通过三维数字模型重构导入3D打印系统，可以精准制作与原岩内部构造相同的试

样，突破了传统浇筑法无法制作复杂节理裂隙结构的局限，鞠杨教授曾采用3D打印技术

与CT扫描技术相结合的方式，成功复刻出了含复杂裂隙结构的煤岩体。同时，对同批次

重复打印的试样，在精度、尺寸、性能等特征上具有高度的一致性，3D打印技术避免了

试样的各向异性对试验结果造成的影响，为制作均一化含复杂节理、孔洞等缺陷的类岩石

试样提供了技术支持，也为岩体力学的研究开辟了一条以此为基础的新道路。3D打印技

术对于含复杂缺陷试样的“复刻”具有极大的优势和不可替代性，然而目前对于含复杂缺陷

类岩石试件的制备尚缺乏统一规范。

通过本标准项目的编制，能够规范采用3D打印技术进行含复杂缺陷类岩石试件的相

关工艺与参数，对所制得试件、模型中节理、空洞等缺陷精度、力学特性能否合理仿真岩

石等提供参考依据。由于岩石力学试验研究的普遍性和含复杂缺陷类岩石试件制取的复杂

性，本标准项目的预期成果能够为岩体力学与工程领域的试验研究提供重要参考依据，能

够为岩体力学相关矿山（井）围岩控制工程分析与设计提供关键手段，对促进矿井安全高

效生产具有重要的应用价值和广阔的应用前景。

三、主要起草过程

2020年8月至2022年4月，项目组已开展大量关于3D打印的资料收集和研究工作，

在此过程中，项目组认识到3D打印技术因其具有高度的可控性和重复性，在今后的岩体

力学试验特别是含复杂缺陷岩体试验中将发挥重要作用，因此项目组根据文献资料对基于

3D打印技术的含复杂缺陷类岩石试件制备进行了系统的分析和总结，在中绿盟发布《关

于征集2022年度团体标准项目的通知》后，项目组立即开展准备工作，并按照中绿盟要

求提交了《含复杂缺陷3D打印类岩石试件制备技术规范》的可行性研究报告。2022年5

月，本项目立项后，项目负责人组织成立标准起草组，并召开专题会议，拟定标准编制工

作方案，对标准编制工作进行总体任务部属和任务分工，力求科学性和实用性。下面是本

项目的主要起草过程：

1、资料整理与初稿拟定

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2022年5月-6月，根据前期开展的研究和收集的资料，通过调研、分析，对3D打印

的制备方法进行综合分析整理，对目前含复杂缺陷类岩石试件的制备方法进行更为细致的

分析和总结，探讨项目的必要性和结构要点，搭建含复杂缺陷类岩石试件制备的标准编制

的框架，进行起草并完成标准初稿。

2、试验论证

2022年6月-2022年9月，针对含复杂缺陷类岩石试件的制备方法进行试验验证，研

究材料及工艺选择、打印流程、后处理、试验验证等对试样强度的影响，并对标准初稿进

行内容填充和细节完善。

3、内部研讨

2022年9月，标准起草组就标准初稿召开内部讨论会，根据试验结果与最新文献对

标准进行反复修改，形成标准工作组讨论稿与编制说明。

4、征求意见

2022年10月，项目组向高校、研究所、国家重点实验室等单位及专家发送《含复杂

缺陷3D打印类岩石试件制备技术规范》的工作组讨论稿，根据专家意见对讨论稿进行进

一步的完善，形成征求意见稿。

5、确定终稿

2022年11月，在相关讨论和修改的基础上，结合试验结果、数据统计，确定标准终

稿。

四、制定（修订）标准的原则和依据

1、标准编制原则

文件编写按照GB/T1.1—2020《标准化文件的结构和起草规则》，并力求标准具有

“简洁性、通用性、指导性、引导性和可扩展性”的特点。

2、标准制定参考的主要依据

①材料选择及检验方法参考JGJ52-2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标

准》；

②类岩石试样的单轴抗压强度和弹性模量测试参考DZ/T0276.18-2015《岩石物理力

学性质试验规程第18部分：岩石单轴抗压强度试验》；

③类岩石试样的抗拉强度测试参考DZ/T0276.21-2015《岩石物理力学性质试验规程

第21部分：岩石的抗拉强度试验》；

④类岩石试样的粘聚力和内摩擦角测试参考DZ/T0276.20-2015《岩石物理力学性质

试验规程第20部分：岩石三轴压缩强度试验》。

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五、与现行有关法律、法规和标准的关系

本标准符合GB/T1.1-2020的规定，与现行有关法律、法规和标准具有协调性，不存

在任何抵触现象。

六、标准主要内容说明

1、打印后静置时间确定

本文件中规定了试件制备完成后在打印机工作缸内静置时间要求，该时间为通过试验

所得经验时间，可根据试件大小适当延长，其目的是使粘结剂充分固化，保证试件的强度，

防止试件在取出时产生破裂。

2、打印过程环境温度与环境湿度确定

本文件中规定了试样制备过程中的环境温度与环境湿度，此处所设温度与湿度由试验

和文献调研综合得到。

3、打印方向确定

经过试验验证与测试，垂直打印能够避免因打印过程中砂粉的分层对试样力学参数和

破坏形态的影响，其他的打印方向（尤其是平行打印）所制备的试件会受层理效应影响，

无法保证试样力学参数的稳定。

4、缺陷参数确定

本文件中规定了试件模型内所设的缺陷尺寸，此处所设缺陷尺寸根据试验和文献调研

综合得到。

5、贮藏时间确定

本文件中规定了试件制备完成后贮藏的最长时间，此时间通过试验所得，试验证明在

试件贮藏超过1年时会逐渐酥化，极大影响试件强度。

七、分歧意见的处理过程、依据和结果

本文件的制定过程中未出现重大的分歧意见。

八、采用国际标准或国外先进标准情况

目前，国内外尚无用于含复杂缺陷类岩石试件制备的标准。

九、贯彻标准的措施建议

组织措施：在中关村绿色矿山产业联盟的组织协调下，以标准起草单位和起草人员为

主，成立标准宣贯小组。

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技术措施：积极在矿山企业开展标准宣贯培训工作和标准技术应用实践。

十、废止现行有关标准的建议

本文件是首次发布，现行标准中没有关于含复杂缺陷类岩石试件制备技术的相关标准，

不存在