时间: 2024-03-30 12:26:05 | 作者: 贝博在线登录案例
作为新世纪先进制造的标志性技术，3D打印技术现已被大范围的应用于工业和我们正常的生活中，包括但不限于工业设计、建筑工程、航空航天、医疗产业等领域。而在矿业工程领域，3D打印技术具有不受形状和尺寸限制的优势，在标准试件和实际工程之间能够更好的起到桥梁作用，因此在岩体力学领域具有大范围的应用前景。
山东科技大学能源与矿业工程学院蒋力帅教授，作为新一代青年科研人员，主要是做巷道围岩控制、矿山岩体力学、矿山压力与岩层控制等方向的研究工作。近年来，他将先进的3D打印技术应用于岩体力学和矿业领域，取得了一系列重大创新科研成果，为我国的矿业事业的未来提供了新的发展思路。
作为支撑我们国家的国民经济的主体能源，煤炭被称为“工业的粮食”，是经济稳定发展和国家安全的重要支撑和保障。根据中国工程院《中国煤炭清洁高效可持续开发利用战略研究》，我国预测的煤炭资源总量约5．57万亿吨，其中埋藏深度大于1000米的约占53％，大于600米的约占73％。随着煤炭资源的不断开采，浅部资源日益枯竭，深部开采正慢慢的变成为我国煤炭资源开发的常态。
2007年，蒋力帅考入山东科技大学计算机科学与技术专业，大学期间受到煤炭行业“黄金十年”和学校“因煤而生、因煤而兴”的影响，对“运用计算机为工具，解决煤炭行业科技难题”产生了兴趣。2011年，本科毕业后，蒋力帅考入了中国矿业大学（北京）攻读采矿工程研究生，从此硕博连读，全力投入矿山岩体力学、巷道围岩控制的科学研究中。
2014年，为了接触国际前沿的先进的技术，蒋力帅前往国际顶尖高校加拿大麦吉尔大学留学深造，在此期间，他全身心投入学习和研究中，并多次在国内外顶级学术刊物发表科研成果，获得了中国岩石力学与工程学会优秀博士学位论文奖。2016年6月，蒋力帅进入山东科技大学从教从研，他结合自己在计算机与采矿领域的知识基础，采用“层次递进、尺度升级、方法融合、学科交叉”的研究思路，围绕工程岩体破裂劣化机制与模拟方法、深部巷道破裂致灾机理与控制技术等方向展开研究。
截至目前，蒋力帅负责主持国家自然科学基金面上项目等国家级课题3项、山东省自然科学基金优青项目等省部级纵向课题7项、作为研究骨干参与国家重点研发计划2项。发表高水平学术论文67篇，其中SCI检索48篇，9篇入选ESI 热点／高被引论文；首位出版专著2部；并获中国岩石力学与工程学会科学技术一等奖、中国煤炭工业协会科学技术二等奖等奖励10项；2019年入选中国科协“青年人才托举工程”，2022年获得中国煤炭青年科技奖、泰山学者青年专家称号。
从2020年开始，蒋力帅带领团队开创性的采用砂型3D打印技术探讨研究复杂裂隙岩体力学问题。他介绍说：“岩石经过亿万年的地质演变和多次复杂的构造运动，内部含有不同阶次的随机分布的微观孔隙和裂纹，岩体所具有的这些缺陷会直接影响其变形、强度、渗流等特征，并必然的联系到岩体工程中的稳定性。因此岩体的力学行为特征一直是国内外学术界和工程界关注的热点问题，对于资源开采利用、工程建设安全、灾害预防等都具备极其重大意义。”
蒋力帅表示，深部巷道在“多裂隙、高应力、强扰动”的多重作用下，围岩动态损伤破坏机制、失稳致灾机理、控制响应与技术等复杂关键科学问题，仍有待深入探索，其中裂隙岩体力学试验存在着重要“卡脖子”问题：现场工程中的围岩内部节理裂隙很复杂，受试样制备技术的限制，在进行室内试验时难以制备出差异性小、内部具有复杂裂隙的试样，从而使得试验结果很难准确反映和应用于工程中，进而很难针对千差万别的地下工程给出科学合理的围岩稳定性分析。
因此，如何高效、精确、可重复地制备与岩体力学特性与结构特性相符试样，是突破传统岩体力学试验瓶颈的关键。近年来加快速度进行发展的3D打印技术，在制造方式上具有非常明显优势，有助于解决岩石试验所面临的问题，如：3D打印技术能方便快捷的制造出大量完全相同的试样，解决了岩石试验重复性低的问题；3D打印技术配合CT扫描可以重构岩体的内部结构，使得岩体内部裂隙或孔隙网络的研究更加直观化；3D打印技术还能发挥其个性化设计的长处，制作出传统制样方法所不能制造出的试样。既保证了打印试样尺寸、精度、质量、性能的一致，又保证了试验过程的可重复性和试验结果的可靠性，为裂隙岩体试验研究提供了关键技术与方法。
目前，国内外学者已初步将3D打印技术应用于岩石力学试验领域的模具制作、试样制备、模型打印等领域，但是3D打印材料能否广泛用作类岩石（体）材料，蒋力帅课题组认为需符合以下特征：（1）物性相近：有没有与天然岩石相符或相近的物理力学特性是其用作类岩石材料的关键前提；（2）强度可控：矿山开采中围岩岩性千差万别，强度差距显著，要实现对试样力学特性的可控，进而针对不一样的目标岩石能够制备与其力学特性相符的类岩石试样；（3）结构相符：采用3D打印制备类岩石试样的根本目的是制作符合原岩内部裂隙、孔洞等缺陷结构的岩体试样，如何根据现场实际裂隙空间特征制备裂隙岩体试件，是开展相关裂隙岩体力学研究的关键问题。
针对前述问题，蒋力帅带领团队已经取得了创新性的阶段成果：他率先提出了高强度砂型3D打印类岩石试样制备方法，分别从砂粉类型、成型参数、后处理工艺三个方面入手，揭示了成型材料、参数和后处理对成型试样力学特性的影响机制，得到了合理表征并模拟煤岩力学特性的成型参数和流程工艺，将打印成型的标准试样单轴抗住压力的强度提升为常规砂型打印试样强度的5－8倍，成功制作出了较好反映煤、泥岩等软弱岩性的试件，为进一步研究适用煤系地层的增强复合砂型3D打印材料和参数提供了有力基础，破解了原岩切割／浇筑法难以制备复杂裂隙试样的难题，为裂隙岩体力学试验提供了创新方法。
蒋力帅表示，展望3D打印技术在岩体力学和矿业领域的应用，依然存在很多难题和挑战，如：3D打印材料种类非常之多，但可用于岩体力学试验研究中的应用相对有限，且在模拟自然界复杂多样的岩石材料特性时存在一定的局限性，未来还需要开发更多的打印材料，进一步研究材料的加工、结构和性能之间的关系，明确材料的优势和局限性，提供规范的标准；打印精度还需进一步提升，并且印刷精度和印刷速度之间有着严重的冲突，在不降低印刷速度的前提下提高印刷精度是迫切地需要解决的问题；此外，还需进一步研究打印层厚、打印材料的粒径大小、粘结剂饱和度、打印成型角度等会对打印试样的力学性能产生怎样的影响。
最后，当前制备的含缺陷试样多为简单、规则、均匀的裂隙，尚未发挥3D打印技术在制备复杂裂隙及还原天然岩体真实结构方面的优势。这一些难题和挑战激励着蒋力帅不断奋进、开拓创新，未来，他将带领团队加强对复杂天然岩体的研究工作，助力我国矿产开采事业向着绿色、安全、智能化发展。（文／王超）
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