煤岩动力灾害模型试验灾变地层模拟材料研制现状与展望

    作者：

    袁亮1，马衍坤2，黄勤豪3，陈佩圆1，罗吉安1，龚彦华1，王庆平1

    单位：

    1. 安徽理工大学 深部煤炭安全开采与环境保护全国重点实验室

    2. 安徽理工大学 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室

    3. 安徽理工大学 煤矿深井开采灾害防治技术科技研发平台

01 摘要

    基于相似理论开展三维大尺度物理模型试验是研究揭示煤岩动力灾害机理的一种有效手段，在岩爆、冲击地压、煤与瓦斯突出等典型动力灾害机理研究中得到广泛应用。灾变地层模拟材料是开展灾害物理模型试验的物质基础，与浅部显著不同，深地工程面对的是具有多相多场耦合特征的复杂孕灾环境，材料性能也应具有多相多场耦合响应的能力。为科学指导深地工程煤岩动力灾害物理模型试验，分类梳理了典型动力灾害模拟材料研制的历史脉络，分析了材料配制方法、性能评价、试验应用方面的优点与问题，提出了应对深地工程复杂孕灾环境新应用场景的科技挑战与展望。分析认为，模拟材料的应用场景呈现由“单相到多相、单场到多场”的变化趋势，配制由单一固相材料转向具备气体吸附、流体渗流功能的流固两相或三相材料，对材料性能评价则从单一的“静力学”性能，转向兼顾“动力学、热力学及渗流力学”等多类性能评价或分析，以满足应力场、温度场及渗流场的多场耦合需求。然而，多相多场耦合相似理论还不完善，尤其是动静载叠加下多相多场相似准则还未建立，导致物理模型试验材料的多场性能参数确定还缺乏科学依据。现有模拟材料配制体系很难满足多相多场耦合的需求，亟需研发新型骨料、胶结剂与外加剂，以实现在低强度条件下再现煤岩动力灾变现象的目的。大尺寸物理模型构建需从人工转向3D智能打印，需研制适用于多相材料的智能打印系统,开发复杂地质模型3D智能打印算法,解决非均质岩层打印、结构面打印、智能控制等关键难题。

02 创新点

    大尺度物理模型试验是研究揭示煤岩动力灾害机理的一种有效手段，在岩爆、冲击地压、煤与瓦斯突出等典型动力灾害机理研究中得到广泛应用。灾变地层模拟材料是开展灾害物理模型试验的物质基础，与浅部显著不同，深地工程面对的是具有多相多场耦合特征的复杂孕灾环境，材料性能也应具有多相多场耦合响应的能力。为科学指导深地工程煤岩动力灾害物理模型试验，梳理了典型动力灾害模拟材料研制的历史脉络，分析了现有模拟材料优点与问题，提出了应对深地工程复杂孕灾环境新应用场景的科技挑战与展望。

    取得的主要成果如下：

    （1）梳理了典型动力灾害模拟材料研制的历史脉络，面向软岩变形、突水等工程灾害，岩爆、冲击地压、煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害的模拟试验材料，凝练出“单相到多相、单场到多场”的模拟材料研制发展趋势。

    （2）分析了现有模拟材料的优点与问题，以静力学相似理论和以单轴压缩试验为核心的材料性能评价方法已难以适用于复杂的新应用场景，急需在多场耦合相似理论、材料配制与评价方法方面取得突破；3D打印技术的引入虽然能够较好的应对大尺度复杂地层或地质结构高效、精准铺设，但也对模拟材料的流动性、凝结性等性能指标提出了更高的要求。

    （3）提出了应对深地工程复杂孕灾环境新应用场景的科技挑战与展望，首先，需要推导或建立多物理场耦合的相似准则，为研发多场响应型模拟材料提供理论支撑；其次，需从成分调控和结构调控角度出发突破现有配比体系，寻找调控材料物理力学性能的新型骨料、胶结剂或外加剂；最终，明晰模拟材料流动性、凝结性等性能特征,突破多地层材料协同供料、多喷头协同打印和打印过程精确感知的技术挑战，实现大型物理模型智能3D打印铺设。

03 部分图表 

模拟材料研制领域共现知识图谱
 

模拟材料研制相关文献中突现关键词表

灾变地层模拟材料研制的关键节点

灾变层模拟材料的多相多场响应需求

灾害地层模拟选取的典型材料

第一作者介绍
 

袁亮

    煤炭开采及瓦斯治理专家，煤与瓦斯共采理论主要奠基人，中国工程院院士，博士生导师，全国高校黄大年式教师团队负责人。安徽理工大学党委副书记、校长，中国工程科技发展战略安徽研究院院长，煤炭开采国家工程技术研究院院长，煤矿瓦斯治理国家工程研究中心主任。第十三、十四届全国人大代表。获国家科技进步二等奖6项（排名第一3项）、中国专利金奖1项、省部级科技进步特等及一等奖12项（均排名第一）、首届全国创新争先奖状、安徽省重大科技成就奖、安徽省突出贡献人才奖、世界采矿大会“突出贡献奖”等奖励，享受国务院政府特殊津贴。被授予“全国优秀科技工作者”、“国家有突出贡献的中青年专家”等荣誉称号。2009年当选为中国工程院院士。

    研究方向:

    深地工程多场耦合动力灾变机理与防控、煤炭安全智能精准开采、工业粉尘防控与职业安全健康。

    主要成果：

    开创性提出卸压开采抽采瓦斯、无煤柱煤与瓦斯共采技术原理，开展了基于应力场、裂隙场、瓦斯场多场耦合基础研究，提出了煤与瓦斯共采“高位环形体”理论，实现了煤矿瓦斯治理理论的重大突破。开发出煤矿瓦斯治理全套工艺技术，破解了低透气性高瓦斯煤层群安全开采重大难题。主持编制中国首个《煤矿瓦斯治理总体方案》，并在全国实施。主持建成8座现代化特大型高瓦斯煤矿和一批国际领先的瓦斯利用示范工程。主持国家自然科学基金重大科研仪器研制项目（部门推荐）——“深地工程多场耦合动力灾变试验仪”项目，为深地工程岩体多场耦合动力学特性、多物理场响应及动力灾害预警防控体系的科学研究提供重大仪器，保障我国深部资源安全开发和深地工程安全。

    本文引用格式： 

    袁亮，马衍坤，黄勤豪，陈佩圆，罗吉安，龚彦华，王庆平．煤岩动力灾害模型试验灾变地层模拟材料研制现状与展望[J/OL]．中国矿业大学学报.

    https://doi.org/10.13247/j.cnki.jcumt.20240329m.

排版:欧艳玲

责编:仝腾，宋爽

审核:沈菊