一种超大型深部多相多组分复杂地质体模型3D打印系统技术方案

本发明专利技术提供一种超大型深部多相多组分复杂地质体模型3D打印系统，涉及岩体工程物理模拟试验技术领域。该系统包括超大尺寸三龙门式框架结构、运动机构以及用于提供地质体模型3D打印所需的相相似性材料以及密封材料的多相多组分相似材料供料模块；通过多种打印喷头使用多相多组分相似材料供料模块提供的相似性材料以及密封材料实现地质体模型3D打印的多相多组分相似材料打印模块；用于辅助多相多组分相似材料打印模块进行地质体模型打印的打印过程辅助模块；为地质体模型3D打印过程提供恒温恒湿环境的恒温恒湿环境控制模块；实现打印过程总体控制的打印过程智能控制模块。该系统能够实现超大型深部多相多组分复杂地质体模型的3D打印。模型的3D打印。模型的3D打印。

【技术实现步骤摘要】
一种超大型深部多相多组分复杂地质体模型3D打印系统


[0001]本专利技术涉及岩体工程物理模拟试验
，尤其涉及一种超大型深部多相多组分复杂地质体模型3D打印系统。

技术介绍

[0002]随着资源、能源开发，水利水电、交通隧道等地下工程建设等不断向地球深部发展，工程所处的地质条件愈发复杂，赋存地质环境趋于极端。具体表现在断层、褶皱、破碎带、硬性结构面等复杂的地质结构，超高地应力、超高流体压力、超高温、及强化学腐蚀等极端赋存环境。人类工程活动扰动下的深部工程灾害频发，如诱发地震、岩爆、大变形、气体泄露等，并伴随深部资源生产效率的急剧降低。
[0003]为降低深部工程灾害风险、提高深部资源生产效率，上述深部工程灾害的孕育机制亟待揭示。三维物理模型试验在相似理论的框架内，将现场工程问题缩尺到实验室内开展物理模拟研究，并借助应力、应变、破裂等多元信息监测技术捕捉关键信息，是揭示深部工程灾害孕育演化机制、及深部能源资源稳产增产机理的重要技术手段。
[0004]现阶段，物理模型试样的制作多采用人工浇筑、分层压实或砌块砌筑等方法，这些方法无法完成模型体内部断层、褶皱、破碎带、硬性结构面等复杂地质结构的精细化制作。此外，针对油气资源开发与地下储存、CO2地质封存、地热资源开发等深部地下工程的物理模拟中，还需实现油、气、水等多相多组分地质元素的相似性构建，目前未见相应的方法。
[0005]近年来，3D打印技术被应用于地质体物理模型试样的制备中。专利[CN110398400A]一种裂隙结构岩体的3D打印重构方法及裂隙结构岩体，实现了厘米级小尺度圆柱试样的3D打印，但该方法并非使用岩土类相似材料，导致试样力学性质与岩石存在本质区别，且不适用于大型地质体模型的构建。专利[CN201810383848.5]一种大型复杂地质物理模型3D成型系统提出了一种采用3D打印方法制作复杂地质物理模型试样的装置，但其只能实现单一相态(固相)两种组分(完整岩石与地质结构)的3D打印。对于深部工程面临的固、液、气、超临界等多相态，及完整岩石、地质结构、油、气、水等多组分的复杂地质体模型构建没有涉及。专利[CN202011216339.7]一种大型三维深部复杂工程地质模型智能化3D打印方法提出了含地质结构岩体的智能化构建方法，但同样未涉及油、气、水等多相地质元素的3D打印构建。
[0006]随着深埋隧道、洞室群、地热开发、油气开采、CO2封存等地下工程埋深与规模的不断增加，超大型物理模拟实验的开展正受到越来越多的关注。采用3D打印技术构建超大型深部多相多组分地质体物理模型方面，现有技术存在如下问题：
[0007](1)无法实现超大型地质体模型的连续不间断打印，打印效率低。
[0008](2)无法保证超大尺寸地质体模型长时连续打印过程中的打印位置与打印参数精准控制，打印精度低。
[0009](3)仅针对固相的岩体与地质结构建立了3D打印技术与装置，气相、液相地质元素的3D打印技术尚未构建，打印技术缺失。
[0010](4)无法保证多相多组分3D打印地质体模型与真实地质体的相似性。

技术实现思路

[0011]本专利技术要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种超大型深部多相多组分复杂地质体模型3D打印系统，实现超大型深部多相多组分复杂地质体模型的3D打印。
[0012]为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案是：一种超大型深部多相多组分复杂地质体模型3D打印系统，包括超大尺寸三龙门式框架结构、运动机构、多相多组分相似材料供料模块、多相多组分相似材料打印模块、打印过程辅助模块、恒温恒湿环境控制模块和打印过程智能控制模块；所述多相多组分相似材料打印模块和打印过程辅助模块设置在超大尺寸三龙门式框架结构上，所述运动机构用于驱动超大尺寸三龙门式框架结构中的框架以及多相多组分相似材料打印模块和打印过程辅助模块的运动；所述多相多组分相似材料供料模块用于提供地质体模型3D打印所需的固相、液相和气相相似性材料以及密封材料；所述多相多组分相似材料打印模块通过多种打印喷头使用多相多组分相似材料供料模块提供的固相、液相和气相相似性材料以及密封材料实现地质体模型的3D打印；所述打印过程辅助模块用于实现地质模型打印过程中地质体模型内部传感器的辅助埋设及线缆的引出，打印过程中地质体模型的摄影与扫描，完成数字模型构建，以及辅助多相多组分相似材料打印模块进行地质体模型的打印；所述恒温恒湿环境控制模块为地质体模型3D打印过程提供恒温恒湿环境；所述打印过程智能控制模块对超大尺寸三龙门式框架结构、运动机构、多相多组分相似材料供料模块、多相多组分相似材料打印模块、打印过程辅助模块和恒温恒湿环境控制模块进行综合控制。
[0013]优选地，所述超大尺寸三龙门式框架结构包括第一底座导轨、第二底座导轨以及沿第一底座导轨和第二底座导轨直线移动的第一龙门架、第二龙门架和第三龙门架；所述第一龙门架、第二龙门架和第三龙门架对应设置有可升降运动的第一升降横梁、第二升降横梁和第三升降横梁；
[0014]所述第一升降横梁和第二升降横梁均安装至少1个可移动的多相多组分相似材料打印模块，所述第三升降横梁安装有可移动的打印过程辅助模块；所述运动机构用于驱动三个龙门架、三个升降横梁以及多相多组分相似材料打印模块和打印过程辅助模块的运动；
[0015]所述第一底座导轨和第二底座导轨之间设置有可升降的四侧折叠式围板。
[0016]优选地，所述多相多组分相似材料供料模块，包括固相相似材料供料装置、液相相似材料供料装置、气相相似材料供料装置和密封材料供料装置；
[0017]所述固相相似材料供料装置，包括储料舱、螺旋输送管道、自动称量装置、自动混合搅拌装置、过滤装置、相似材料性状监测装置、泵送装置、相似材料输送管路和相似材料监控管道，用于完成打印完整岩石与地质结构所需的骨料、胶结剂、及外加剂的输送，；
[0018]所述储料舱，用于储存不同类型的固相相似材料所需的骨料、胶结剂及外加剂，其底端设置有开口，由打印过程智能控制模块控制其开闭；所述储料舱与螺旋输送管道连接，储料舱内的材料从舱体下落后，经螺旋输送管道进入自动称量装置；所述自动混合搅拌装置，位于螺旋输送管道的末端，经自动称量装置称量过后的各相似材料在此混合并强制搅
拌；所述过滤装置，位于自动混合搅拌装置的下部，用于将经强制搅拌后仍不均匀材料的滤除；所述相似材料监控管道设置在泵送装置和多相多组分相似材料打印模块之间；所述相似材料性状监测装置安装在相似材料监控管道上，用于固相相似材料实时状态参数的集成测试；经过自动混合搅拌装置搅拌均匀的相似材料通过泵送装置经相似材料输送管路泵送至多相多组分相似材料打印模块；
[0019]所述液相相似材料供料装置，包括地质流体相似材料储料罐，液相相似材料输送泵，温度、压力、流量传感器及液相相似材料输送管路；所述地质流体相似材料储料罐通过液相相似材料输送泵与液相相似材料输送管路连接，通过液相相似材料输送管路将液相相似材料输送至多相多组分相似材料本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超大型深部多相多组分复杂地质体模型3D打印系统，其特征在于：包括超大尺寸三龙门式框架结构、运动机构、多相多组分相似材料供料模块、多相多组分相似材料打印模块、打印过程辅助模块、恒温恒湿环境控制模块和打印过程智能控制模块；所述多相多组分相似材料打印模块和打印过程辅助模块设置在超大尺寸三龙门式框架结构上，所述运动机构用于驱动超大尺寸三龙门式框架结构中的框架以及多相多组分相似材料打印模块和打印过程辅助模块的运动；所述多相多组分相似材料供料模块用于提供地质体模型3D打印所需的固相、液相和气相相似性材料以及密封材料；所述多相多组分相似材料打印模块通过多种打印喷头使用多相多组分相似材料供料模块提供的固相、液相和气相相似性材料以及密封材料实现地质体模型的3D打印；所述打印过程辅助模块用于实现地质模型打印过程中地质体模型内部传感器的辅助埋设及线缆的引出，打印过程中地质体模型的摄影与扫描，完成数字模型构建，以及辅助多相多组分相似材料打印模块进行地质体模型的打印；所述恒温恒湿环境控制模块为地质体模型3D打印过程提供恒温恒湿环境；所述打印过程智能控制模块对超大尺寸三龙门式框架结构、运动机构、多相多组分相似材料供料模块、多相多组分相似材料打印模块、打印过程辅助模块和恒温恒湿环境控制模块进行综合控制。2.根据权利要求1所述的一种超大型深部多相多组分复杂地质体模型3D打印系统，其特征在于：所述超大尺寸三龙门式框架结构包括第一底座导轨、第二底座导轨以及沿第一底座导轨和第二底座导轨直线移动的第一龙门架、第二龙门架和第三龙门架；所述第一龙门架、第二龙门架和第三龙门架对应设置有可升降运动的第一升降横梁、第二升降横梁和第三升降横梁；所述第一升降横梁和第二升降横梁均安装至少1个可移动的多相多组分相似材料打印模块，所述第三升降横梁安装有可移动的打印过程辅助模块；所述运动机构用于驱动三个龙门架、三个升降横梁以及多相多组分相似材料打印模块和打印过程辅助模块的运动；所述第一底座导轨和第二底座导轨之间设置有可升降的四侧折叠式围板。3.根据权利要求1所述的一种超大型深部多相多组分复杂地质体模型3D打印系统，其特征在于：所述多相多组分相似材料供料模块，包括固相相似材料供料装置、液相相似材料供料装置、气相相似材料供料装置和密封材料供料装置；所述固相相似材料供料装置，包括储料舱、螺旋输送管道、自动称量装置、自动混合搅拌装置、过滤装置、相似材料性状监测装置、泵送装置、相似材料输送管路和相似材料监控管道，用于完成打印完整岩石与地质结构所需的骨料、胶结剂、及外加剂的输送，；所述储料舱，用于储存不同类型的固相相似材料所需的骨料、胶结剂及外加剂，其底端设置有开口，由打印过程智能控制模块控制其开闭；所述储料舱与螺旋输送管道连接，储料舱内的材料从舱体下落后，经螺旋输送管道进入自动称量装置；所述自动混合搅拌装置，位于螺旋输送管道的末端，经自动称量装置称量过后的各相似材料在此混合并强制搅拌；所述过滤装置，位于自动混合搅拌装置的下部，用于将经强制搅拌后仍不均匀材料的滤除；所述相似材料监控管道设置在泵送装置和多相多组分相似材料打印模块之间；所述相似材料性状监测装置安装在相似材料监控管道上，用于固相相似材料实时状态参数的集成测试；经过自动混合搅拌装置搅拌均匀的相似材料通过泵送装置经相似材料输送管路泵送至多相多组分相似材料打印模块；所述液相相似材料供料装置，包括地质流体相似材料储料罐，液相相似材料输送泵，温
度、压力、流量传感器及液相相似材料输送管路；所述地质流体相似材料储料罐通过液相相似材料输送泵与液相相似材料输送管路连接，通过液相相似材料输送管路将液相相似材料输送至多相多组分相似材料打印模块；所述温度、压力、流量传感器安装在液相相似材料输送管路上，用于监测液相相似材料的温度、压力和流量数据；所述气相相似材料供料装置，包括气体相似材料储料罐，气相相似材料输送泵，温度、压力、流量传感器和气相相似材料输送管路；所述气体相似材料储料罐通过气相相似材料输送泵与气相相似材料输送管路连接，通过气相相似材料输送管路将气相相似材料输送至多相多组分相似材料打印模块；所述温度、压力、流量传感器安装在气相相似材料输送管路上，用于监测气相相似材料的温度、压力和流量数据；所述密封材料供料装置，用于提供多相地质体边界密封所需的岩土类密封材料，包括气体密封材料储料罐、液体密封材料储料罐、密封材料泵送装置和密封材料输送管路；所述气体密封材料储料罐和液体密封材料储料罐均通过密封材料泵送装置与密封材料输送管路连接，通过密封材料输送管路将密封材料输送至多相多组分相似材料打印模块。4.根据权利要求3所述的一种超大型深部多相多组分复杂地质体模型3D打印系统，其特征在于：所述多相多组分相似材料打印模块，包括固相相似材料打印喷头和液相及气相相似材料打印喷头；所述固相相似材料打印喷头，包括完整岩石打印喷头和地质结构打印喷头；所述完整岩石打印喷头，包括转盘式喷头切换装置和不同岩性相似材料挤出喷头；所述转盘式喷头切换装置用于不同岩性相似材料挤出喷头的切换；所述喷头位置处设置有电容式传感器，用于实时监测喷头是否挤出相似材料；所述地质结构打印喷头，包括预搅拌杆与螺旋挤出杆伺服电机及减速机、储料仓、人工加料口、第一进料口、第二进料口、预搅拌杆、螺旋挤出杆、喷嘴...

【专利技术属性】
技术研发人员：李正伟，冯夏庭，梅诗明，张希巍，田军，高继开，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：