我國(guó)研制出世界首臺(tái)新型巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)

揭開(kāi)巖石破裂演進(jìn)之謎（創(chuàng)新故事）

觀測(cè)巖石損傷破裂的全過(guò)程，使巖石內(nèi)部像玻璃一樣透明可見(jiàn)，是科學(xué)家們孜孜以求的夢(mèng)想。

近日，在國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下，由中國(guó)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(guó)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(duì)，成功研制出世界第一臺(tái)具有完全自主知識(shí)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(yàn)機(jī)，揭開(kāi)了巖石破裂演進(jìn)之謎。

“只有將巖石破裂的過(guò)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(duì)于地質(zhì)工程設(shè)計(jì)至關(guān)重要。”李曉說(shuō)，例如應(yīng)對(duì)山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，如果能提前洞悉山體的破裂演化過(guò)程，就可以根據(jù)裂縫的發(fā)展程度，采取相應(yīng)預(yù)報(bào)、干預(yù)、防范措施。

傳統(tǒng)的巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)缺點(diǎn)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(méi)有人能看得見(jiàn)。近年來(lái)興起的可進(jìn)行CT掃描的巖石力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備，其加載裝置又過(guò)于簡(jiǎn)單，試驗(yàn)采用的試樣小、壓力小，難以進(jìn)行溫度、流體等多場(chǎng)耦合試驗(yàn)。因此，迫切需要一個(gè)能進(jìn)行CT實(shí)時(shí)掃描的、標(biāo)準(zhǔn)的巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)。

常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)均是靜止固定、不能轉(zhuǎn)動(dòng)的，但為了實(shí)施CT掃描和三維成像，需要試驗(yàn)機(jī)在高壓力下實(shí)現(xiàn)高精度旋轉(zhuǎn)。為了攻克上述難點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外沒(méi)有任何經(jīng)驗(yàn)可供借鑒的情況下，項(xiàng)目組潛心鉆研5年，歷經(jīng)兩次失敗，最終設(shè)計(jì)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(yàn)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?！皫r石在試驗(yàn)機(jī)的帶動(dòng)下，一邊旋轉(zhuǎn)一邊進(jìn)行CT掃描，每個(gè)瞬間都能獲得一張掃描圖像，圖像最后疊加起來(lái)，就是巖石破裂的全過(guò)程3D影像?！崩顣哉f(shuō)。

值得一提的是，設(shè)備中一個(gè)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(duì)這個(gè)高射線能量的電子直線加速器，項(xiàng)目組自主創(chuàng)新，成功研制了具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的6MeV電子直線加速器。

這套巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)具有廣闊的應(yīng)用前景。據(jù)李曉介紹，進(jìn)行頁(yè)巖氣等非常規(guī)油氣和干熱巖地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)時(shí)，該試驗(yàn)機(jī)可以模擬儲(chǔ)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(kāi)采設(shè)計(jì)；在天然氣水合物開(kāi)采方面，利用該試驗(yàn)機(jī)的低溫裝置，可以模擬水合物儲(chǔ)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(guó)家重大工程建設(shè)中，試驗(yàn)機(jī)對(duì)于礦山災(zāi)害預(yù)測(cè)、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(wèn)題，具有重要的試驗(yàn)與理論指導(dǎo)作用。除了應(yīng)用于地學(xué)領(lǐng)域，該試驗(yàn)機(jī)還可應(yīng)用于軍工、航天、材料、機(jī)械、無(wú)損檢測(cè)等領(lǐng)域。

劉詩(shī)瑤

[責(zé)任編輯：楊凡、梁延菊]

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