打開巖石力學(xué)試驗的黑箱，讓巖石內(nèi)部像玻璃一樣清晰可見，獲知巖石內(nèi)部的破裂演進和流體運移規(guī)律，是科學(xué)家們長期追尋的夢想。

　　最近在西藏自治區(qū)林芝市米林縣發(fā)生的山體滑坡，導(dǎo)致雅魯藏布江河道堵塞形成堰塞湖。如果我們能知曉山體的破裂演化過程，就可根據(jù)裂縫的發(fā)展程度采取相應(yīng)的預(yù)報甚至干預(yù)措施。

　　近日，在國家自然科學(xué)基金委員會國家重大科研儀器研制項目“高能加速器CT多場耦合巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)”的支持下，由中科院地質(zhì)與地球物理研究所李曉研究員領(lǐng)銜，中科院高能物理研究所和北京交通大學(xué)等單位研究人員組成的科研團隊，歷時五年研制成功世界上首臺高能加速器CT可旋轉(zhuǎn)式巖石力學(xué)剛性伺服試驗機，將為深部資源能源開發(fā)、天然氣水合物開采、核廢料地質(zhì)處置、重大工程建設(shè)、地質(zhì)災(zāi)害防治等領(lǐng)域提供新的科學(xué)實驗平臺。

　　兩次失敗三臺樣機 首次實現(xiàn)加載中高精度旋轉(zhuǎn)

　　巖石力學(xué)試驗是地球科學(xué)和地質(zhì)工程中必須進行的試驗工作。為了使巖石內(nèi)部像玻璃一樣透明可見，人們研發(fā)出許多試驗技術(shù)來探測巖石破裂演化過程。進入21世紀(jì)，國內(nèi)外學(xué)者直接利用醫(yī)用或工業(yè)CT以及同步輻射光源，進行CT掃描巖石力學(xué)試驗，取得了一些重要研究成果。

　　“這些試驗難以進行應(yīng)力、溫度、流體等多場耦合試驗，不能獲取巖石重要的全應(yīng)力應(yīng)變特性，也無法滿足深地科學(xué)與工程的需求。”李曉直言，近年來興起的以水力壓裂為核心技術(shù)的頁巖油氣、致密油氣、干熱巖地?zé)?、天然氣水合物等非常?guī)能源開發(fā)，迫切需要一個能進行CT實時掃描的標(biāo)準(zhǔn)巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)，以解決巖石壓裂裂縫形成機制與空間分布規(guī)律這一關(guān)鍵科學(xué)問題。

　　要實現(xiàn)CT實時掃描和三維成像，就必須攻克試驗機在加載過程中高精度旋轉(zhuǎn)等技術(shù)難題，然而，世界上還沒有一臺可旋轉(zhuǎn)式巖石力學(xué)試驗機。

　　“很多外國專家來參觀時都會問一個問題，你們是怎么做到巖石力學(xué)試驗機的高精度旋轉(zhuǎn)的？”李曉笑著說，這也是當(dāng)時面臨的難題，研究團隊嘗試多種方案、歷經(jīng)兩次失敗，先后研制三臺樣機后終獲成功。

　　“我們首先設(shè)計了雙排滾柱軸承旋轉(zhuǎn)方案，研制的第一臺實驗樣機，優(yōu)點是旋轉(zhuǎn)定位精度高，但軸承摩擦阻力大，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)阻力大?！崩顣曰貞浾f，項目組重新設(shè)計了雙油缸油膜液浮支承旋轉(zhuǎn)方案，研制出第二臺實驗樣機，旋轉(zhuǎn)摩阻確實降低了。但在巖石高壓加載試驗中，樣機的系統(tǒng)剛度小，整個系統(tǒng)的垂直精度也不夠，指標(biāo)無法達到最佳，只能從頭再來。

　　科學(xué)就是在不斷的失敗中尋找成功的微光。李曉帶領(lǐng)團隊頂著壓力，不斷優(yōu)化方案、積累技術(shù)經(jīng)驗，高精度旋轉(zhuǎn)式的伺服控制巖石力學(xué)剛性試驗機最終研制成功。

　　就在今年7月，國家自然科學(xué)基金委員會組織專家對研制設(shè)備進行測試和驗收，驗收專家認(rèn)為，該項目突破了靜壓支承降阻控制技術(shù)、調(diào)心推力限位油缸垂直定位技術(shù)、高精度旋轉(zhuǎn)伺服控制技術(shù)、高壓高低溫旋轉(zhuǎn)密封與供液技術(shù)、6MeV邊耦合駐波加速管、寬動態(tài)范圍CT線陣探測器、動態(tài)原位高精度探測成像七項關(guān)鍵技術(shù)。

　　增加重要功能 可進行流體壓裂等多種試驗

　　“高射線能量的電子直線加速器，國外對我國禁運，是卡脖子設(shè)備。研制機另外一個重要子系統(tǒng)——‘電子直線加速器CT’設(shè)備，是由中科院高能物理所研究人員自主研制。”李曉說，這不僅打破了國外對我國高能加速器射線源禁運的技術(shù)封鎖，也破解了動態(tài)原位加載與快速CT層析同步成像的技術(shù)難題，實現(xiàn)了動態(tài)原位高精度探測成像。

　　李曉現(xiàn)場展示了一張PPT，列出了項目組研制機與美國最先進CT掃描巖石力學(xué)試驗裝置的技術(shù)性能對比。由于研究團隊采用了與國外完全不同的設(shè)計原理、機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，項目研制機主要性能指標(biāo)比國外同類設(shè)備提高了1—2個數(shù)量級，尤其是新增了許多巖石力學(xué)試驗的重要功能。

　　“國外CT巖石力學(xué)試驗裝置剛度很低，屬于柔性試驗機，不能獲得巖石全應(yīng)力應(yīng)變曲線，因此不能研究巖石的漸進破壞過程這一重要特性?！崩顣越忉屨f，國外設(shè)備只是一個可以放置在CT機上進行掃描的簡單加載裝置，還不能稱之為巖石力學(xué)試驗機。而且，在CT掃描試驗中不能安設(shè)引伸儀，這導(dǎo)致在試驗中很難獲得巖石精確的軸向和徑向變形。

　　此外，項目研制設(shè)備在全程試驗中有三套獨立閉環(huán)電液伺服控制系統(tǒng)，可進行蠕變、松弛、變加載速率、不同波形加載、流體壓裂等多種工況試驗，而國外設(shè)備均無這些功能。

　　不到一年間，已有多位國內(nèi)外知名專家學(xué)者前來參觀和學(xué)術(shù)交流，對該試驗系統(tǒng)給予了高度評價。

　　發(fā)展?jié)摿ν癸@ 為深地能源開發(fā)提供支撐

　　利用高能加速器CT多場耦合巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)，可以獲得巖石、土體、混凝土、陶瓷等地質(zhì)類材料在應(yīng)力、溫度、流體等多種環(huán)境力場作用下的損傷破裂演化過程，揭示地質(zhì)類材料變形破壞宏觀力學(xué)行為的細(xì)觀動因，突破多相多場耦合基礎(chǔ)理論，建立科學(xué)合理的本構(gòu)模型，具有重要的科學(xué)意義。

　　值得一提的是，該試驗系統(tǒng)還可廣泛應(yīng)用于油氣、礦山、水利、交通、土木、環(huán)保等國家重大工程建設(shè)中。例如，對于礦山突發(fā)水災(zāi)害預(yù)測、滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生機制、隧道塌方冒頂事故防治、二氧化碳地下封存等亟待解決的重大工程技術(shù)問題，具有重要的試驗與理論指導(dǎo)作用。

　　中科院地質(zhì)與地球物理所赫建明副研究員介紹，基于該試驗系統(tǒng)獲得的巖石損傷破裂規(guī)律，項目組還研發(fā)了頁巖氣開采壓裂滲流產(chǎn)能預(yù)測軟件，有力支撐了中科院戰(zhàn)略性科技先導(dǎo)頁巖氣專項與國家油氣重大專項的實施，并對我國頁巖氣開發(fā)的壓裂設(shè)計提供了技術(shù)支撐。

　　“山體滑坡看來是突然發(fā)生的，其實也有自己的演化過程，裂縫漸進發(fā)展到一定程度完全貫通就會造成滑坡。假如我們了解裂縫的演化過程，就可以進行及時預(yù)測、預(yù)報、干預(yù)，并根據(jù)裂縫的發(fā)展程度和規(guī)律及時采取相應(yīng)措施?！崩顣詮娬{(diào)，裂縫的發(fā)展過程就是巖石的破裂過程，科學(xué)家洞悉這一過程后，可及時對災(zāi)害進行早期識別、中途干預(yù)；利用該研制設(shè)備進行滑坡物理模擬試驗，可揭示滑帶的漸進破裂過程及關(guān)鍵物理量的變化規(guī)律。

　　“利用該試驗平臺，我們正在開展試驗研究工作。比如，在干熱巖地?zé)崮荛_發(fā)方面，該試驗系統(tǒng)可模擬熱儲層中壓裂裂縫的形成發(fā)展、剪切錯位與空間構(gòu)型，用于中深層地?zé)崮苜Y源開采設(shè)計；借助該試驗系統(tǒng)，可研究不同溫度壓力條件下儲庫圍巖裂隙擴展?jié)B流的多場耦合機制與過程，為高放射性核廢料地下處置庫設(shè)計提供試驗依據(jù)?！敝锌圃喉搸r氣與地質(zhì)工程重點實驗室副主任李守定研究員說，利用該試驗系統(tǒng)的低溫裝置，還可進行天然氣水合物鉆采的模擬試驗研究等。（劉 垠）

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