含復雜缺陷3D打印類巖石試件制備

技術規范

編制說明

起草單位：山東科技大學

參編單位：礦冶科技集團有限公司、安徽理工大學、

中國礦業大學太原理工大學、河南理工大學

太原理工大學、濟寧學院

主要起草人：蔣力帥、趙陽、郭利杰、劉光生、袁安營、

李桂臣、賈后省、白錦文、黃萬朋、武泉森

2022年11月28日

《含復雜缺陷3D打印類巖石試件制備技術規范》

團體標準編制說明

一、工作簡況

1、任務來源

物理實驗是當前巖石力學與工程研究的主要手段之一，而對于節理裂隙發育的圍巖，

由于其軟弱易碎、完整性差，在制備含預制節理、孔洞等缺陷的巖石試樣進行力學試驗時

局限較大，無法采用水力割縫等方式對原巖試樣進行加工，被廣泛應用的澆筑法同樣難以

制作結構、形狀復雜的試驗試樣，從而較難真實的反映微裂隙發育的巖體力學特性和節理

縱橫的工程現場圍巖狀態。3D打印技術避免了試樣的各向異性對試驗結果造成的影響，

為制作均一化含復雜節理、孔洞等缺陷的類巖石試樣提供了技術支持，也為巖體力學的研

究開辟了一條以此為基礎的新道路。

為充分發揮市場主體的創新優勢，促進綠色礦山技術進步、工藝水平提高以及綜合服

務高質量發展，助力綠色礦山管理體系建設，落實自然資源部等六部委《關于加快建設綠

色礦山的實施意見》的有關要求。2022年中關村綠色礦山產業綠盟（以下簡稱中綠盟）

發布了《關于征集2022年度團體標準項目的通知》。項目組根據前期文獻調查與試驗研究，

經分析研討后，決定向中綠盟提交《含復雜缺陷3D打印類巖石試件制備技術規范》的標

準制定方案，方案經中綠盟大會討論后決定立項，并于2022年05月26日發布于《中綠

盟2022年度第一批團體標準立項計劃》。

2、起草單位、參編單位

本文件起草單位：山東科技大學、河南理工大學、安徽理工大學、礦冶科技集團有限

公司、太原理工大學、濟寧學院。

3、主要起草人

本文件主要起草人：蔣力帥、趙陽、郭利杰、劉光生、袁安營、李桂臣、賈后省、白

錦文、黃萬朋、武泉森。

二、制定（修訂）標準的必要性和意義

由于復雜的成巖作用和工程地質條件，礦山圍巖體中均普遍存在節理、裂隙、孔洞等

形式各樣的弱結構面和缺陷，致使圍巖常表現出明顯的非連續性和非均勻性，這也給圍巖

穩定性的分析、判別、控制等帶來了巨大困難。在巖石力學研究中，物理試驗能夠比較全

面、真實地反映巖石力學特性與行為，是當前巖石力學與工程研究的主要手段之一。而對

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于節理裂隙發育的圍巖，由于其軟弱易碎、完整性差，在制備含預制節理、孔洞等缺陷的

巖石試樣進行力學試驗時局限較大，無法采用水力割縫等方式對原巖試樣進行加工，因此

國內外學者通常采用石膏等類巖石材料通過澆筑法制備含節理試樣，但該方法的主要局限

是難以制作結構、形狀復雜的試驗試樣，從而較難真實的反映微裂隙發育的巖體力學特性

和節理縱橫的工程現場圍巖狀態。

近年來快速發展的3D打印技術，能夠配合巖芯CT掃描獲得現場原巖巖芯內部裂隙

構造，通過三維數字模型重構導入3D打印系統，可以精準制作與原巖內部構造相同的試

樣，突破了傳統澆筑法無法制作復雜節理裂隙結構的局限，鞠楊教授曾采用3D打印技術

與CT掃描技術相結合的方式，成功復刻出了含復雜裂隙結構的煤巖體。同時，對同批次

重復打印的試樣，在精度、尺寸、性能等特征上具有高度的一致性，3D打印技術避免了

試樣的各向異性對試驗結果造成的影響，為制作均一化含復雜節理、孔洞等缺陷的類巖石

試樣提供了技術支持，也為巖體力學的研究開辟了一條以此為基礎的新道路。3D打印技

術對于含復雜缺陷試樣的“復刻”具有極大的優勢和不可替代性，然而目前對于含復雜缺陷

類巖石試件的制備尚缺乏統一規范。

通過本標準項目的編制，能夠規范采用3D打印技術進行含復雜缺陷類巖石試件的相

關工藝與參數，對所制得試件、模型中節理、空洞等缺陷精度、力學特性能否合理仿真巖

石等提供參考依據。由于巖石力學試驗研究的普遍性和含復雜缺陷類巖石試件制取的復雜

性，本標準項目的預期成果能夠為巖體力學與工程領域的試驗研究提供重要參考依據，能

夠為巖體力學相關礦山（井）圍巖控制工程分析與設計提供關鍵手段，對促進礦井安全高

效生產具有重要的應用價值和廣闊的應用前景。

三、主要起草過程

2020年8月至2022年4月，項目組已開展大量關于3D打印的資料收集和研究工作，

在此過程中，項目組認識到3D打印技術因其具有高度的可控性和重復性，在今后的巖體

力學試驗特別是含復雜缺陷巖體試驗中將發揮重要作用，因此項目組根據文獻資料對基于

3D打印技術的含復雜缺陷類巖石試件制備進行了系統的分析和總結，在中綠盟發布《關

于征集2022年度團體標準項目的通知》后，項目組立即開展準備工作，并按照中綠盟要

求提交了《含復雜缺陷3D打印類巖石試件制備技術規范》的可行性研究報告。2022年5

月，本項目立項后，項目負責人組織成立標準起草組，并召開專題會議，擬定標準編制工

作方案，對標準編制工作進行總體任務部屬和任務分工，力求科學性和實用性。下面是本

項目的主要起草過程：

1、資料整理與初稿擬定

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2022年5月-6月，根據前期開展的研究和收集的資料，通過調研、分析，對3D打印

的制備方法進行綜合分析整理，對目前含復雜缺陷類巖石試件的制備方法進行更為細致的

分析和總結，探討項目的必要性和結構要點，搭建含復雜缺陷類巖石試件制備的標準編制

的框架，進行起草并完成標準初稿。

2、試驗論證

2022年6月-2022年9月，針對含復雜缺陷類巖石試件的制備方法進行試驗驗證，研

究材料及工藝選擇、打印流程、后處理、試驗驗證等對試樣強度的影響，并對標準初稿進

行內容填充和細節完善。

3、內部研討

2022年9月，標準起草組就標準初稿召開內部討論會，根據試驗結果與最新文獻對

標準進行反復修改，形成標準工作組討論稿與編制說明。

4、征求意見

2022年10月，項目組向高校、研究所、國家重點實驗室等單位及專家發送《含復雜

缺陷3D打印類巖石試件制備技術規范》的工作組討論稿，根據專家意見對討論稿進行進

一步的完善，形成征求意見稿。

5、確定終稿

2022年11月，在相關討論和修改的基礎上，結合試驗結果、數據統計，確定標準終

稿。

四、制定（修訂）標準的原則和依據

1、標準編制原則

文件編寫按照GB/T1.1—2020《標準化文件的結構和起草規則》，并力求標準具有

“簡潔性、通用性、指導性、引導性和可擴展性”的特點。

2、標準制定參考的主要依據

①材料選擇及檢驗方法參考JGJ52-2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標

準》；

②類巖石試樣的單軸抗壓強度和彈性模量測試參考DZ/T0276.18-2015《巖石物理力

學性質試驗規程第18部分：巖石單軸抗壓強度試驗》；

③類巖石試樣的抗拉強度測試參考DZ/T0276.21-2015《巖石物理力學性質試驗規程

第21部分：巖石的抗拉強度試驗》；

④類巖石試樣的粘聚力和內摩擦角測試參考DZ/T0276.20-2015《巖石物理力學性質

試驗規程第20部分：巖石三軸壓縮強度試驗》。

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五、與現行有關法律、法規和標準的關系

本標準符合GB/T1.1-2020的規定，與現行有關法律、法規和標準具有協調性，不存

在任何抵觸現象。

六、標準主要內容說明

1、打印后靜置時間確定

本文件中規定了試件制備完成后在打印機工作缸內靜置時間要求，該時間為通過試驗

所得經驗時間，可根據試件大小適當延長，其目的是使粘結劑充分固化，保證試件的強度，

防止試件在取出時產生破裂。

2、打印過程環境溫度與環境濕度確定

本文件中規定了試樣制備過程中的環境溫度與環境濕度，此處所設溫度與濕度由試驗

和文獻調研綜合得到。

3、打印方向確定

經過試驗驗證與測試，垂直打印能夠避免因打印過程中砂粉的分層對試樣力學參數和

破壞形態的影響，其他的打印方向（尤其是平行打印）所制備的試件會受層理效應影響，

無法保證試樣力學參數的穩定。

4、缺陷參數確定

本文件中規定了試件模型內所設的缺陷尺寸，此處所設缺陷尺寸根據試驗和文獻調研

綜合得到。

5、貯藏時間確定

本文件中規定了試件制備完成后貯藏的最長時間，此時間通過試驗所得，試驗證明在

試件貯藏超過1年時會逐漸酥化，極大影響試件強度。

七、分歧意見的處理過程、依據和結果

本文件的制定過程中未出現重大的分歧意見。

八、采用國際標準或國外先進標準情況

目前，國內外尚無用于含復雜缺陷類巖石試件制備的標準。

九、貫徹標準的措施建議

組織措施：在中關村綠色礦山產業聯盟的組織協調下，以標準起草單位和起草人員為

主，成立標準宣貫小組。

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技術措施：積極在礦山企業開展標準宣貫培訓工作和標準技術應用實踐。

十、廢止現行有關標準的建議

本文件是首次發布，現行標準中沒有關于含復雜缺陷類巖石試件制備技術的相關標準，

不存在