觀測巖石損傷破裂的全過程，使巖石內(nèi)部像玻璃一樣透明可見，是科學(xué)家們孜孜以求的夢想。
近日，在國家自然科學(xué)基金的資助下，由中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所李曉研究員領(lǐng)銜，中國科學(xué)院高能物理研究所和北京交通大學(xué)等單位研究人員共同組成的科研團(tuán)隊，成功研制出世界第一臺具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的高能加速器CT可旋轉(zhuǎn)式巖石力學(xué)剛性伺服試驗機(jī)，揭開了巖石破裂演進(jìn)之謎。
“只有將巖石破裂的過程看得明明白白，才能揭示巖石內(nèi)部裂縫形成發(fā)展、聚集破壞的機(jī)理與規(guī)律，這對于地質(zhì)工程設(shè)計至關(guān)重要。”李曉說，例如應(yīng)對山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害時，如果能提前洞悉山體的破裂演化過程，就可以根據(jù)裂縫的發(fā)展程度，采取相應(yīng)預(yù)報、干預(yù)、防范措施。
傳統(tǒng)的巖石力學(xué)試驗機(jī)缺點是巖石試樣被置于全封閉的金屬厚壁缸內(nèi)加壓，只能獲得破裂前、破裂后試樣的兩種狀態(tài)，中間巖石到底發(fā)生了什么，沒有人能看得見。近年來興起的可進(jìn)行CT掃描的巖石力學(xué)試驗設(shè)備，其加載裝置又過于簡單，試驗采用的試樣小、壓力小，難以進(jìn)行溫度、流體等多場耦合試驗。因此，迫切需要一個能進(jìn)行CT實時掃描的、標(biāo)準(zhǔn)的巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)。
常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)巖石力學(xué)試驗機(jī)均是靜止固定、不能轉(zhuǎn)動的，但為了實施CT掃描和三維成像，需要試驗機(jī)在高壓力下實現(xiàn)高精度旋轉(zhuǎn)。為了攻克上述難點，在國內(nèi)外沒有任何經(jīng)驗可供借鑒的情況下，項目組潛心鉆研5年，歷經(jīng)兩次失敗，最終設(shè)計出了“限位油缸靜壓支撐旋轉(zhuǎn)方案”，突破了在200噸高壓下試驗機(jī)的高精度旋轉(zhuǎn)與控制技術(shù)、高溫高壓旋轉(zhuǎn)供液供氣技術(shù)等難題。“巖石在試驗機(jī)的帶動下，一邊旋轉(zhuǎn)一邊進(jìn)行CT掃描，每個瞬間都能獲得一張掃描圖像，圖像最后疊加起來，就是巖石破裂的全過程3D影像。”李曉說。
值得一提的是，設(shè)備中一個重要子系統(tǒng)是“電子直線加速器CT”設(shè)備，其核心部件為加速管。針對這個高射線能量的電子直線加速器，項目組自主創(chuàng)新，成功研制了具有完全知識產(chǎn)權(quán)的6MeV電子直線加速器。
這套巖石力學(xué)試驗機(jī)具有廣闊的應(yīng)用前景。據(jù)李曉介紹，進(jìn)行頁巖氣等非常規(guī)油氣和干熱巖地?zé)崮荛_發(fā)時，該試驗機(jī)可以模擬儲層中壓裂裂縫的形成發(fā)展和空間形態(tài)，用于深部清潔能源開采設(shè)計;在天然氣水合物開采方面，利用該試驗機(jī)的低溫裝置，可以模擬水合物儲層鉆孔卸壓與壓裂效果。
此外，在礦山、水利、交通、土木、環(huán)保等國家重大工程建設(shè)中，試驗機(jī)對于礦山災(zāi)害預(yù)測、滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生機(jī)制、隧道塌方冒頂事故防治、二氧化碳地下封存、混凝土建筑材料與瀝青混凝土路面材料的變形破裂機(jī)制等重大工程技術(shù)問題，具有重要的試驗與理論指導(dǎo)作用。除了應(yīng)用于地學(xué)領(lǐng)域，該試驗機(jī)還可應(yīng)用于軍工、航天、材料、機(jī)械、無損檢測等領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞：
