基于分形重构与3D打印的深部巷道围岩采动应力场与致灾机理的可视化研究

As deepen of the modern coal-mining layers for over 1000 m in China, unprecedented engineering hazards arise and concern the industry. The understanding of mining physics, prevention and management of associated engineering hazards is significantly limited by the primarily unobservable of stress field dynamics, deformation and destruction evolution of rock matrix. Yet, the fundamental mechanisms of triggering and evolution of engineering hazards are poorly understood due to the technically difficult, economically consuming and engineeringly unreliable of current in-situ probing techniques. This project is thus proposed to investigate the triggering and evolution of engineering hazards associated with deep tunnel-surrounding rocks through visualizing the full 3D stress field and dynamics during deep coal mining. A state-of-the-art approach is present as follows: the 3D digital models of real coal rocks were firstly constructed by incorporating geological survey data into the fractal reconstruction algorithm; 3D printing technology is then employed to print the 3D physical models by utilizing self-developed photo-elastic materials, keeping similar mechanical properties of natural coal rocks; Finally, stress-frozen and digital stress extraction method are implemented to directly visualize the stress dynamics and energy accumulation in the tunnel-surrounding rocks along with road way excavation and coal mining. Results from this project will promote the understanding of stress dynamics, the triggering and evolution of engineering hazards during deep coal mining, and help in establishing the basic methodology and detailed frame of the early alert system.

我国煤炭开采已转入千米深度，动力灾害问题凸显。由于裂隙煤岩体介质深埋于地下，深部开采时围岩内部采动应力场的演化、变形破坏规律“看不见、摸不着”，现场探测难度大、可靠性差，对采动应力场诱发动力灾害的机理缺乏足够的认识，基础理论尚未建立，因而难以准确预测和有效防治深部动力灾害。针对深部岩体动力致灾的“黑箱”问题，本项目开展深部煤矿巷道围岩采动应力场演化与致灾机理的可视化研究。结合地质资料，利用分形重构方法建立巷道裂隙围岩的三维重构模型，构建反映煤层、裂隙围岩、临近断层结构特征的矿区采场的三维数字模型。采用自主研发的应力可视化材料，借助3D打印技术，构建采场地层结构的三维可视物理模型。发展三维应力冻结技术与分析方法，直观定量地刻画围岩采动应力场的分布与演化、能量传递与积聚模式，揭示围岩巷道采动应力场演化与诱发动力灾害的机理，为构建深部开采动力灾害的超前预警与防治理论提供研究基础与方法。

我国煤炭开采已转入千米深度，动力灾害问题凸显。深部开采时围岩内部孔隙/裂隙等非连续结构与采动应力场的演化及变形破坏规律“看不见、摸不着”，现场探测难度大、可靠性差，对采动应力诱发动力灾害的机理缺乏足够的认识，基础理论尚未建立，因而难以准确预测和有效防治深部动力灾害。针对深部岩体动力致灾的“黑箱”问题，本项目开展了深部开采巷道围岩采动应力场演化与致灾机理的透明可视化研究，全面完成了预期目标。研究获得了深部巷道围岩内部颗粒、微细观孔隙、裂隙和内部层状结构的空间形态、分布及连通性等特征，提出了定量描述深部围岩孔隙、裂隙网络演化复杂性的分形指标。建立了围岩复杂结构的高效并行分形重构算法，构建了围岩非连续结构的分形重构模型，克服了以往算法难以高效重构大尺度岩体复杂结构的科学难题。研制了模拟巷道围岩的应力可视化材料，建立了岩芯尺度的裂隙围岩与区域尺度采场围岩结构的三维数值模型与透明物理模型，发现了应力可视化材料冻结临界相变温度，提出了巷道围岩全应力场连续演化的定量表征方法，获得了采动应力下巷道围岩裂纹动态扩展和粗糙断层剪切破坏的应力场演化规律；分析了外载作用下围岩灾变过程中的内部三维裂隙网络演化特征，揭示了不同开采方式下裂隙围岩中瓦斯气体的渗流特性及裂隙结构粗糙性对瓦斯气体渗透性的影响规律，实现了变开度粗糙裂隙单相渗流的定量可视化表征；建立了矿区采场的三维透明地质模型，分析了深部围岩裂隙、断层、巷道布置、开采方式等因素对巷道围岩采动应力场演化、能量积聚-释放机制的影响以及动力致灾机理，建立基于三维透明可视化分析的深部裂隙围岩采动应力场演化致灾的判别准则与方法。.项目执行期间，出版专著1部，在国际高水平学术期刊上发表SCI收录论文52篇；授权美国、英国等国际发明专利6件，中国发明专利2件；获软件著作权1项；获中国煤炭工业协会科学技术一等奖1项、二等奖3项。项目负责人入选国家万人计划领军人才，当选中国岩石力学与工程学会岩体物理数学模拟专委会副主任委员、软岩工程与深部灾害控制分会副理事长；受聘担任本领域国际顶级期刊编委；团队入选科技部万人计划重点领域创新团队；获批国家“111引智计划”项目（项目负责人排名第2），获批国家留学基金委创新型人才国际合作培养项目；培养出站博士后2名、毕业博士生6名、硕士生10名。担任国内外学术会议大会或分会主席2人次，做大会/分会场特邀报告10次。