作為新世紀先進制造的標誌性技術，3D打印技術現已被廣泛套用於工業和人們生活中，包括但不限於工業設計、建築工程、航空航天、醫療產業等領域。而在礦業工程領域，3D打印技術具有不受形狀和尺寸限制的優勢，在標準試件和實際工程之間可以起到橋梁作用，因此在巖體力學領域具有廣泛套用前景。
山東科技大學能源與礦業工程學院蔣力帥教授，作為新一代青年科研人員，主要從事巷道圍巖控制、礦山巖體力學、礦山壓力與巖層控制等方向的研究工作。近年來，他將先進的3D打印技術套用於巖體力學和礦業領域，取得了一系列重大創新科研成果，為中國的礦業事業的未來提供了新的發展思路。
作為支撐中國國民經濟的主體能源，煤炭被稱為「工業的糧食」，是經濟穩定發展和國家安全的重要支撐和保障。根據中國工程院【中國煤炭清潔高效可持續開發利用戰略研究】，中國預測的煤炭資源總量約5．57萬億噸，其中埋藏深度大於1000米的約占53％，大於600米的約占73％。隨著煤炭資源的不斷開采，淺部資源日益枯竭，深部開采正逐漸成為中國煤炭資源開發的常態。
2007年，蔣力帥考入山東科技大學電腦科學與技術專業，大學期間受到煤炭行業「黃金十年」和學校「因煤而生、因煤而興」的影響，對「運用電腦為工具，解決煤炭行業科技難題」產生了興趣。2011年，本科畢業後，蔣力帥考入了中國礦業大學（北京）攻讀采礦工程研究生，從此碩博連讀，全力投入礦山巖體力學、巷道圍巖控制的科學研究中。
2014年，為了接觸國際前沿的先進技術，蔣力帥前往國際頂尖高校加拿大麥吉爾大學留學深造，在此期間，他全身心投入學習和研究中，並多次在國內外頂級學術刊物發表科研成果，獲得了中國巖石力學與工程學會優秀博士學位論文獎。2016年6月，蔣力帥進入山東科技大學從教從研，他結合自己在電腦與采礦領域的知識基礎，采用「層次遞進、尺度升級、方法融合、學科交叉」的研究思路，圍繞工程巖體破裂劣化機制與模擬方法、深部巷道破裂致災機理與控制技術等方向展開研究。
截至目前，蔣力帥負責主持國家自然科學基金面上專案等國家級課題3項、山東省自然科學基金優青專案等省部級縱向課題7項、作為研究骨幹參與國家重點研發計劃2項。發表高水平學術論文67篇，其中SCI檢索48篇，9篇入選ESI 熱點／高被引論文；首位出版專著2部；並獲中國巖石力學與工程學會科學技術一等獎、中國煤炭工業協會科學技術二等獎等獎勵10項；2019年入選中國科協「青年人才托舉工程」，2022年獲得中國煤炭青年科技獎、泰山學者青年專家稱號。
從2020年開始，蔣力帥帶領團隊開創性的采用砂型3D打印技術研究復雜裂隙巖體力學問題。他介紹說：「巖石經過億萬年的地質演變和多次復雜的構造運動，內部含有不同階次的隨機分布的微觀孔隙和裂紋，巖體所具有的這些缺陷會直接影響其變形、強度、滲流等特征，並直接關系到巖體工程中的穩定性。因此巖體的力學行為特征一直是國內外學術界和工程界關註的熱點問題，對於資源開采利用、工程建設安全、災害預防等都具有重要意義。」
蔣力帥表示，深部巷道在「多裂隙、高應力、強擾動」的多重作用下，圍巖動態損傷破壞機制、失穩致災機理、控制響應與技術等復雜關鍵科學問題，仍有待深入探索，其中裂隙巖體力學試驗存在著重要「卡脖子」問題：現場工程中的圍巖內部節理裂隙非常復雜，受試樣制備技術的限制，在進行室內試驗時難以制備出差異性小、內部具有復雜裂隙的試樣，從而使得試驗結果很難準確反映和套用於工程中，進而很難針對千差萬別的地下工程給出科學合理的圍巖穩定性分析。
因此，如何高效、精確、可重復地制備與巖體力學特性與結構特性相符試樣，是突破傳統巖體力學試驗瓶頸的關鍵。近年來快速發展的3D打印技術，在制造方式上具有顯著優勢，有助於解決巖石試驗所面臨的問題，如：3D打印技術能方便快捷的制造出大量完全相同的試樣，解決了巖石試驗重復性低的問題；3D打印技術配合CT掃描可以重構巖體的內部結構，使得巖體內部裂隙或孔隙網絡的研究更加直觀化；3D打印技術還可以發揮其個人化設計的長處，制作出傳統制樣方法所不能制造出的試樣。既保證了打印試樣尺寸、精度、質素、效能的一致，又保證了試驗過程的可重復性和試驗結果的可靠性，為裂隙巖體試驗研究提供了關鍵技術與方法。
目前，國內外學者已初步將3D打印技術套用於巖石力學試驗領域的模具制作、試樣制備、模型打印等領域，但是3D打印材料能否廣泛用作類巖石（體）材料，蔣力帥課題組認為需符合以下特征：（1）物性相近：是否具有與天然巖石相符或相近的物理力學特性是其用作類巖石材料的關鍵前提；（2）強度可控：礦山開采中圍巖巖性千差萬別，強度差距顯著，需要實作對試樣力學特性的可控，進而針對不同的目標巖石能夠制備與其力學特性相符的類巖石試樣；（3）結構相符：采用3D打印制備類巖石試樣的根本目的是制作符合原巖內部裂隙、孔洞等缺陷結構的巖體試樣，如何根據現場實際裂隙空間特征制備裂隙巖體試件，是開展相關裂隙巖體力學研究的關鍵問題。
針對前述問題，蔣力帥帶領團隊已經取得了創新性的階段成果：他率先提出了高強度砂型3D打印類巖石試樣制備方法，分別從砂粉類別、成型參數、後處理工藝三個方面入手，揭示了成型材料、參數和後處理對成型試樣力學特性的影響機制，得到了合理表征並模擬煤巖力學特性的成型參數和流程工藝，將打印成型的標準試樣單軸抗壓強度提升為常規砂型打印試樣強度的5－8倍，成功制作出了較好反映煤、泥巖等軟弱巖性的試件，為進一步研究適用煤系地層的增強復合砂型3D打印材料和參數提供了有力基礎，破解了原巖切割／澆築法難以制備復雜裂隙試樣的難題，為裂隙巖體力學試驗提供了創新方法。
蔣力帥表示，展望3D打印技術在巖體力學和礦業領域的套用，依然存在很多難題和挑戰，如：3D打印材料種類繁多，但可用於巖體力學試驗研究中的套用相對有限，且在模擬自然界復雜多樣的巖石材料特性時存在一定的局限性，未來還需要開發更多的打印材料，進一步研究材料的加工、結構和效能之間的關系，明確材料的優勢和局限性，提供規範的標準；打印精度還需進一步提高，並且印刷精度和印刷速度之間存在著嚴重的沖突，在不降低印刷速度的前提下提高印刷精度是迫切需要解決的問題；此外，還需進一步研究打印層厚、打印材料的粒徑大小、粘結劑飽和度、打印成型角度等會對打印試樣的力學效能產生怎樣的影響。
最後，當前制備的含缺陷試樣多為簡單、規則、均勻的裂隙，尚未發揮3D打印技術在制備復雜裂隙及還原天然巖體真實結構方面的優勢。這些難題和挑戰激勵著蔣力帥不斷奮進、開拓創新，未來，他將帶領團隊加強對復雜天然巖體的研究工作，助力中國礦產開采事業向著綠色、安全、智能化發展。（文／王超）
