煤炭学报

作者：蒋力帅, 彭晓涵, GOLSANAMI Naser, 赵烨, 张哲, 徐清,

关键词：3D 打印, 类煤岩材料, 力学特性, 微观结构, 颗粒级配, 纤维增强,

精确、高效、可重复地制备与真实岩体力学特性和结构特征相符的试样是突破传统岩体力学试验瓶颈的关键。砂型3D打印所制备的试样力学特性与煤、砂岩等软岩相近，是煤岩体物理重构的重要技术和方法。为了解决砂型3D打印类煤岩试样强度偏低、应用范围受限的问题，开展了类煤岩试样打印成型全流程探究，研究了打印流程中基质材料、成型参数、后处理工艺等对试样宏观力学特性和微观结构特征的影响规律，提出了基于紧密堆积理论与材料复合增强理论的2种增强改性方法，研发了高力学相似性3D打印类煤岩复合材料。结果表明：在基质材料中，表面粗糙且形貌复杂的机制砂能够增强颗粒间的机械嵌合作用；在成型参数中，适宜的层厚、黏结剂饱和度和固化剂质量分数可改善颗粒间界面黏结强度；在后处理中，延长固化时间以及采用适宜温度的干燥方式均有助于提高试样的致密度与强度；在增强改性方面，优化颗粒级配可构建由大颗粒支撑、小颗粒填充的致密骨架结构，从而显著提升试样的密度与整体力学特性，而引入纤维增强材料则能够通过阻裂与桥接作用抑制裂纹扩展、改善应力分布并提高试样的峰值强度。研究结果揭示了3D打印类煤岩试样宏观力学特性与材料组成、微观结构之间的构效关系，研发得到了适于模拟煤系地层的高力学相似性复合3D打印类煤岩材料以及组分和配比参数，阐明了颗粒级配与纤维增强方法的增强改性机理。

来源：2026年第2期

《煤炭学报》期刊编辑部

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