一种基于3D打印的层状预制缺陷煤岩体试样制备装置及方法与流程

本发明涉及一种基于3d打印技术的层状预制缺陷煤岩体试样制备方法，特别适用于地下煤矿开采领域煤系地层试样制备，属于岩体力学领域。

背景技术：

层状岩体是岩石在成岩过程中经矿物的挤压、脱水、重结晶、胶结等作用后按一定次序被沉积压实的结果，其结构形态多为层状或板状。由于层状煤岩材料在漫长生成过程中的复杂性以及煤岩本身所受多期构造运动的影响，层理、节理、片理等宏观结构面及微裂隙、空洞等微观缺陷较为发育，使得煤岩材料的物理力学行为极为复杂，该类煤岩体工程易发生屈曲、滑移、剪切及拉伸劈裂等破坏。层状煤岩体的岩性和岩层组合结构的安全稳定对地下工程岩体赋存环境和采场围岩稳定性有较大影响。研究层状煤岩体破坏演化规律对该类煤岩体围岩稳定性分析和控制具有重要意义。

复杂岩体的力学行为特征一直是学术界和工程界关注的热点问题。传统煤岩力学性质研究主要从钻取煤岩试样岩芯进行岩石力学实验为主，由于利用现场取芯开展的煤岩体力学属性研究具有试样尺寸小、可选范围小，界面破坏，倾角不可调等诸多局限性，不能真实反映地下工程煤岩体内部缺陷，从而给层状煤岩体破裂演化机制研究带来一定难题，这极大地制约了层状煤岩体力学的研究。类岩石材料试验较好地解决了该问题，但利用传统的人工制样方法制作含复杂节理结构特征和内部缺陷的类岩体试样模型仍具有很大难度。

技术实现要素：

本发明提供一种基于3d打印技术的层状预制缺陷煤岩体试样制备方法。它能较为准确的复原模拟地下工程地层中所包含的各种节理、裂隙、层理、断层等地质构造，较为准确的再现煤系地层产状，提供煤岩体试样可为复杂层状结构煤岩体的力学行为研究便利。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

本发明提供了一种基于3d打印的层状预制缺陷煤岩体试样制备方法，包括如下步骤：

s1，根据矿区或井田煤系地层综合柱状图，分析确定每一层煤或岩石产状、厚度、岩性结构参数；记录煤层或岩层中赋存的随机节理、裂隙、断层工程地质特征；现场取芯在实验室测定矿区煤系地层的岩石力学参数，根据现场采集的数据，建立数字化地层模型；

s2，选取相似材料配比，制备混凝土浆液；

s3，在3d打印机的pc端用cad软件进行三维建模，创建成三维cad模型用stl三角网格格式，将三维cad模型切片分层，从stl三角网格格式导出g代码，指示3d打印机喷头移动到指定位置喷涂混凝土，打印制备复杂层状结构类岩体模型，并进行养护；

s4，将整体模型在特制的可调节底座的取芯机上进行取芯，并对其进行加工打磨，最终得到层状预制缺陷煤岩体试样。

进一步，所述断层工程地质特征包括节理、裂隙的长度、角度和走向密集度。

进一步，所述岩石力学参数包括单轴抗压强度、单轴抗拉强度、弹性模量和泊松比。

进一步，所述混凝土浆液按照下述质量比的原料制备：

水泥20～65％；石英砂20～65％；水10～20％；石膏5～10％。

所述水泥选用42.5号硅酸盐；所述石英砂细度为70-140目。

进一步，所述步骤s3，打印过程包括下述步骤：

1)选定打印位置，计算机自动生成打印路线；

2)计算机通过识别信号，控制驱动装置，将配置好的混凝土材料、聚乳酸高分子塑料浆通过挤料装置，分别进入打印喷头，由步进电机控制，经喷头挤出开始打印第一层；

3)按照上述pc端自动生成的打印路线，首先开启一号打印喷头，打印混凝土模型，当喷头行进至预制缺陷处时，关闭一号喷头，开启二号喷头，打印包括节理、裂隙、断层预制缺陷；当预制缺陷打印完成后，关闭二号喷头，开启一号喷头，继续打印混凝土模型；直至第一层铺装完毕；

4)当第一层混凝土模型达到初凝时间时，调整喷头的z轴高度，自动开启打印程序，打印第二层。重复步骤1)～3)，直至混凝土模型铺装完成。

进一步，所述步骤s3，进行养护待混凝土模型打印完成后，将其取出放入养护箱内，设定固定的温度20～25℃，湿度90～95％，静置28～30d。

进一步，所述步骤s4，对试验试件进行加工打磨，研磨后试件两端面不平行度不应大于0.05mm，轴向偏差不应大于0.25°。

本发明进而给出了上述方法采用的基于3d打印的层状预制缺陷煤岩体试样制备装置，包括打印机外框架，在打印机外框架内设有打印平台和打印机pc端；所述打印平台上架设有行驶驱动电机，在打印平台上还连接有y方向行驶轨道，所述y方向行驶轨道上设有由驱动轮驱动的x方向行驶轨道，在x方向行驶轨道上设有3d打印机喷头；所述3d打印机喷头上设有导水管7和导料管；在打印平台垂直设置有z方向行驶轨道，z方向行驶轨道底端设放料平台。

进一步，所述3d打印机喷头9包括pvc管道y管和设在其侧壁的进料管，在pvc管道y管上端部设有与x方向行驶轨道连接的电动机联轴节，在pvc管道y管内设有镗孔螺旋钻；在pvc管道y管下端设有打印喷嘴座和其上的可替换喷嘴。

进一步，所述打印喷嘴座通过pvc管帽与pvc管道y管连接。

本发明主要优点有：

1、运用3d打印技术，试件制作流程简单化，与普通的人工拌制混凝土相比，节省了大量的劳动能力。因为3d打印机中所能使用的混凝土材料均经过加工处理，具有速凝性，极大的缩短了混凝土试件制作时间，较大程度上提高了试件制备效率。

2、可根据不同的地质条件，补充了岩体内部的缺陷结构。所制作的层状缺陷煤岩体中，可根据工程实际要求，制作不同高度，不同层数的混凝土试件，制作所需各种“类岩石”试件。

3、使用的双喷头3d打印机，可直接打印预制缺陷，取代了以往人工铺装预制缺陷，丰富了预制缺陷的种类，避免了因为人工操作给最终结果带来不必要的误差。

4、使用了一种底座可以自行调节的岩石取芯机，根据不同地质条件，调整倾角，得到不同角度下的层状缺陷煤岩体，且制作的试件角度更加精确。

附图说明

图1为本发明的步骤流程图；

图2是3d打印混凝土设备构成图；

图3是3d打印机模型概念示意图；

图4是一号打印喷头的示意图；

图5是数字化地层模型示意简图；

图6是煤岩体角度为30°时的试件示意图；

图7是制作特定取芯支座示意图。

图中：1、打印机pc端；2、打印机外框架；3、行驶驱动电机；4、驱动轮；5、y方向行驶轨道；6、x方向行驶轨道；7、导水管；8、导料管；9、喷头结构；10、z方向行驶轨道；11、放料平台；12、pvc管道y管；13、pvc管帽；14、3d打印喷嘴座；15、可替换喷嘴；16、进料管；17、电动机联轴节；18、镗孔螺旋钻。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。

如图1、图2所示，本发明的基于3d打印的层状预制缺陷煤岩体试样制备方法，包括如下步骤：

第一步：地下煤系地层层状煤岩体的结构力学参数现场采集。根据矿区或井田煤系地层综合柱状图，分析确定每一层煤或岩石产状、厚度、岩性等结构参数；采用照相、素描方法记录煤层或岩层中赋存的随机节理、裂隙、断层等工程地质特征(节理、裂隙的长度、角度、走向密集度等)；现场取芯在实验室测定矿区煤系地层的岩石力学参数(单轴抗压强度、单轴抗拉强度、弹性模量、泊松比等)；根据现场采集的数据，建立数字化地层模型(长450mm，宽350mm，高120mm)。模型中包括平行裂隙、相交裂隙、贯通裂隙、非贯通裂隙等，能较为完整的复原现场的地层产状特征。如图5所示。

第二步：混凝土浆液制备。制备混凝土浆液时，应严格按照《普通混凝土拌合物性能实验方法标准gb/t50080-2002》所述，选用42.5号硅酸盐水泥，70-140目的石英砂、水、石膏等相似材料，按照不同的成分配比，制作不同强度的混凝土材料，按照下述质量比的原料制备：

42.5号硅酸盐水泥20～65％；石英砂20～65％；水10～20％；石膏5～10％。

经养护、室内实验室测试，依次测得各种配比所制成的混凝土力学参数，将其与现场实际煤岩力学参数所对比，对其结果进行修正，从而确定混凝土材料制备的最优配比。现给出一种配比：硅酸盐水泥：石英砂：水＝1:0.86:0.45。选用42.5号硅酸盐水泥40kg，70-140目的石英砂34.4kg，自来水18kg，测得制成的混凝土强度σ＝43.68mpa，e＝11.02，将其与现场砂岩实际力学参数(σ＝42.33mpa，e＝10.46)对比，认为其达到了误差允许范围之内，故配比符合要求。

在另一个实施例中，混凝土材料水泥20％；石英砂65％；水10％；石膏5％。

再一个实施例中，混凝土材料水泥65％；石英砂20％；水10％；石膏5％。

再一个实施例中，混凝土材料水泥55％；石英砂15％；水20％；石膏10％。

配比确定后，将相似材料放入搅拌盆进行搅拌，待水泥浆无颗粒状时，停止搅拌。把浆液放入3d打印机的储料箱，由导料管8导入打印喷头结构装置9，结束混凝土浆液制作过程。

第三步：在3d打印机pc端1处将确定的数字化地层模型转化为计算机屏幕上的图形和模型数据。借助软件(cad)进行三维建模(长450mm，宽350mm，高120mm)，将其分为六层，每层20mm。需注意的是：由于地层中含有不同的地质缺陷(倾角、节理、裂隙、构造等)，建模时也应适当考虑，得到模型后，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片(cure)，从而为打印机逐层打印提供数据基础。用cad软件来创建三维cad模型。将设计思想转化为计算机屏幕上的图形和模型数据，创建的三维cad模型用stl三角网格格式存储起来；切片软件将三维cad模型切片分层，从stl导出g代码。g代码指示打印头移动到指定位置去喷涂混凝土。

第四步：预制缺陷模型打印工艺。使用双喷头3d打印装置，如图3所示，装置包括打印机外框架2，在打印机外框架2内设有打印平台和打印机pc端；打印平台上架设有行驶驱动电机3，在打印平台上还连接有y方向行驶轨道5，y方向行驶轨道5上设有由驱动轮4驱动的x方向行驶轨道6，在x方向行驶轨道6上设有3d打印机喷头9；3d打印机喷头9上设有导水管7和导料管8；在打印平台垂直设置有z方向行驶轨道10，z方向行驶轨道10底端设放料平台11。

如图4所示，3d打印机喷头9包括一号打印喷头和二号打印喷头，包括pvc管道y管12和设在其侧壁的进料管16，在pvc管道y管12上端部设有与x方向行驶轨道6连接的电动机联轴节17，在pvc管道y管12内设有镗孔螺旋钻18，在pvc管道y管12下端设有打印喷嘴座14，打印喷嘴座14通过pvc管帽13与pvc管道y管12连接，打印喷嘴座14上设有可替换喷嘴15。其中，一号打印喷头喷出混凝土浆液，用来打印混凝土模型，二号打印喷头喷出聚乳酸高分子塑料，用来打印预制缺陷。

打印工艺过程可分为下列步骤：

(1)选定打印位置，计算机自动生成打印路线，开始打印。

(2)计算机通过识别信号，控制驱动装置，将配置好的混凝土浆液、聚乳酸高分子塑料浆通过挤料装置，分别进入一、二号打印喷头，由步进电机控制，经喷头挤出开始打印第一层。首先将配置好的混凝土浆液通过进料管16，进入pvc管y管12；与此同时，由驱动电机3调整打印喷头装置15的位置，使其沿x方向行驶轨道6，y方向行驶轨道5，z方向行驶轨道10移动，直至与放料平台11最佳位置时，固定z方向行驶轨道，使喷头装置在xoy这一平面内水平移动。(需要补充的是，当需要打印的混凝土模型中含有背斜、向斜类地质构造时，z方向的行驶轨道无法固定，此时喷头的运行轨迹应是空间内的)启动打印程序，经打印喷头装置15挤出打印第一层混凝土模型。

(3)按照上述pc端自动生成的打印路线(必要时可人为更改)，首先开启一号打印喷头，打印混凝土模型，当喷头行进至预制缺陷处时，关闭一号喷头，调整二号喷头的x、y坐标位置，开启二号喷头，使二号喷头紧接着一号喷头的停止位置继续运动。打印预制缺陷(节理、裂隙、断层等)。当预制缺陷打印完成后，关闭二号喷头，开启一号喷头，继续打印混凝土模型。直至第一层铺装完毕。

(4)当第一层混凝土模型达到初凝时间时(由电脑自行控制、观察，也取决于其相似材料性质)，调整喷头的z轴高度。与此同时，检查打印喷头15和输料管7是否堵塞，若发生上述情况，更换喷头与管道并立即清洗，以备下次循环利用开启打印程序，打印第二层。重复上述步骤(1)到步骤(3)，直至混凝土模型铺装完成。

第五步：养护。待混凝土模型打印完成后，将其取出置于养护箱内，设定固定的温度(20℃)，湿度(95％)，保证混凝土具有一定湿度，降低其脱水速度。防止脱水速度过快，导致模具内混凝土开裂，影响最终效果。静置28d。

第六步：物理模型取芯。制作特定取芯支座，调整其角度，模拟岩层倾角；按照《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/t23561.1-2009)，试样的取样方法为钻取，采用矿用分体式钻机取芯机，钻取层状预置缺陷煤岩体试样。制作特定取芯支座，调整角度，模拟岩层倾角。支座由三部分组成：放置台、升降杆、控制手柄。将取出的混凝土置于在放置台上，伸出放置台底部挡板，防止角度抬高过程中，层状混凝土模型滑落。然后使用操作手柄，使升降杆缓慢升高，到达其所需角度(例：30°，见图6)时，停止操作。使用矿用分体式钻机取芯机，结合模具大小，作出如下计算(见图7)：

因为取标准试件，l需大于100mm，因此：

得出：

2cosα+sinα＜2.4

根据辅助角公式，得到：

即：sin(α+63.434)＜1.0733

式中：l为取芯机钻取的有效长度，α为模拟岩层倾角。

此不等式在α的取值范围(0°～90°)内永远满足。说明，随着倾角的不断变化，l的值也会发生变化，但满足实验要求。

操作矿用分体式钻机取芯机，首先开启电源，操作手轮使底座前、后、左、右移动，达到最佳位置时，停止手轮操作。此时，点击“点动快下”按钮，使钻头向下缓慢移动。在距离混凝土试件一定距离(10mm左右)时，点击“主机启动”按钮，启动钻头，点击“钻进开始”按钮，开始钻取岩芯。当钻取有效长度达到要求(>100mm)时，停止钻取。点击“快上”按钮，使钻头上升，取出未成型试件。复原矿用分体式钻机取芯机。

第七步：最终试件生成。用岩石切割机将试样加工为各种试验试件，在磨石机上将试件两端磨平，研磨后试件两端面不平行度不应大于0.05mm，轴向偏差不应大于0.25°。取出标准试件(φ50mm*100mm的圆柱体)。如图6所示。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。