[0001] 本发明涉及松软煤层流固耦合相关研究技术领域，特别涉及一种松软煤层非均质煤芯制备方法。

[0002] 我国大部分煤层形成于石炭纪至二叠纪，期间经历了强烈的构造运动，其原生结构遭到破坏，导致我国大部分煤层质地松软、结构复杂，难以获得原煤试样。因此，许多学者利用通过相似材料重构得到的型煤代替原煤进行实验。由于直接压制的重构煤强度低，渗透率高，与原煤性质相差明显，因此，人们常常采用加入添加剂的方法来减小原煤和重构煤的差距。相关学者在煤粉中加入水泥，通过反复测试对比、优化型煤配比方案，最终得到的最优配比型煤峰值主应力差可达原煤的96.3％，但渗透系数、弹性模量和泊松比相差较大，且并未以原始煤层赋存条件为前提，进行重构。因此，如何实现以原始煤层力学特性和渗透性能的全面重构仍然是需要加以探索的问题。

[0003] 另一方面，天然煤岩体内含有大量的孔隙裂隙，从微观和细观角度来衡量，岩石具有非均质性、各向异性和不连续性等特性。目前，相关学者对煤岩体非均质性对其力学特性的影响作用进行了初步的探究。然而，目前在煤岩体物理重构时鲜有考虑煤岩体的非均质性。因此，如何实现非均质煤体的物理重构也是需要加以探索的难题。在这方面目前新兴的3D打印技术可供借鉴。相关学者采用不同的打印工艺(立体光固化成型工艺、熔融沉积成型工艺、电子束熔炼工艺、分层试实体成型工艺、选择性激光烧结工艺、三维印刷工艺等)制作了具有复杂结构特征的类岩石材料，并对该材料的抗压、抗剪、抗拉等力学性能及渗透性能进行了初步探索，研究结果表明：构建的类岩石材料能够很好地模拟真实岩体的力学行为。
但目前鲜有采用3D打印技术重构含有复杂裂隙网的松软煤层煤芯。

[0004] 因此，亟需开发一种松软煤层非均质煤芯制备方法。

[0034] 下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

[0035] 实施例1：

[0036] 参见图1，本实施例提供一种松软煤层非均质煤芯制备方法，包括以下步骤：

[0037] 1)测定目标松软煤层的地应力、瓦斯压力和渗透性系数。

[0038] 2)利用弹性波CT数据采集系统获取预制煤芯区域内松软煤层的空间裂隙分布形态，建立裂隙网络三维可视模型。其中，空间裂隙分布形态包括裂隙的产状、迹长和间距参数。

[0039] 3)利用煤岩体弹性力学参数和物理参数原位测试系统获取预制煤芯区域内松软煤层的抗压强度、弹性模量和泊松比。

[0040] 4)构建不同裂隙参数下预制煤芯的最优方案数据库。

[0041] 5)将测得目标松软煤层的地应力、瓦斯压力、抗压强度、弹性模量、泊松比、渗透性系数和裂隙形态图像设置为目标样本，采用深度学习算法从不同裂隙参数下预制煤芯的最优方案数据库中进行最优化匹配，得到符合目标松软煤层煤芯的制备方案。

[0042] 6)根据步骤5)所得制备方案，建立煤芯3D数字模型，并选取材料配比制备3D打印原材料。3D打印原材料包括煤粉、活性炭、呋喃树脂和水。

[0043] 7)将3D数字模型模型切片分层，采用三维印刷工艺指示3D打印机喷头移动到指定位置喷涂3D打印原材料，打印制备煤芯，并进行养护。

[0044] 实施例2：

[0045] 本实施例主要步骤同实施例1，其中，步骤4中构建不同裂隙参数下预制煤芯的最优方案数据库的方法包括以下步骤：

[0046] a)设置预制备煤芯层理线密度、单个层理倾角、单个层理宽度、割理线密度、单个割理倾角和单个割理宽度等裂隙几何参数，构建裂隙网。

[0047] b)设定抗压强度、弹性模量、泊松比和渗透性系数测定的地应力和瓦斯压力值。

[0048] c)确定预制备煤芯的单轴抗压强度和渗透性系数的原始影响因素集，应用灰色田口方法，设计原始影响因素筛选试验方案，借助3D打印技术，制备不同原始影响因素下的煤芯，在养护箱中养护，随后逐一测试其抗压强度、弹性模量、泊松比和渗透性系数，通过显著性分析，分别确定该裂隙几何参数下预制备煤芯的抗压强度、弹性模量、泊松比和渗透性系数的重要影响因素集。

[0049] d)基于中心复合实验设计方法，设计由重要影响因素为参数试验方案。按试验方案打印相应组数的预制备煤芯，并逐一测试其抗压强度、弹性模量、泊松比和渗透性系数，根据测试结果，分别建立该裂隙几何参数下预制备煤芯的抗压强度、弹性模量、泊松比和渗透性系数与各自重要影响因素之间的响应面模型。

[0050] e)设定抗压强度、弹性模量、泊松比和渗透性系数的目标值。

[0051] f)对响应面模型进行优化解算，分别得到满足抗压强度、弹性模量、泊松比和渗透性系数的重要影响因素数值集。

[0052] g)采用马氏距离匹配方法，得到同时满足设定的抗压强度、弹性模量、泊松比和渗透性系数目标值的最优重要影响因素数值集。

[0053] h)按所得到的最优原材料配比和养护时间试制煤芯，通过力学特性和渗透性能测试，检验效果，并进行适当修正，得到最终的重要影响因素数值集。

[0054] i)改变抗压强度、弹性模量、泊松比和渗透性系数的目标值，重复步骤f)～h)，得到不同抗压强度、弹性模量、泊松比和渗透性系数目标值的最优方案集。

[0055] j)改变抗压强度、弹性模量、泊松比和渗透性系数测定的地应力和瓦斯压力值，重复步骤c)～i)，得到不同地应力和瓦斯压力下的最优方案集。

[0056] k)改变裂隙参数，重复步骤b)～j)，得到不同裂隙参数下预制煤芯的最优方案数据库。

[0057] 在本实施例中，预制备煤芯的单轴抗压强度和渗透性系数的原始影响因素集由原材料参数和养护时间组成。原材料包括煤粉、活性炭、呋喃树脂和水。原材料参数主要包括：煤粉粒径、煤粉质量分数、活性炭质量分数、呋喃树脂质量分数、水质量分数和养护时间。所述的3D打印技术采用三维印刷工艺。渗透系数是在设定的地应力和瓦斯压力条件下吸附平衡以后测定的。抗压强度、弹性模量和泊松比是在设定的地应力和瓦斯压力条件下测定的。