打開巖石力學(xué)試驗(yàn)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(jìn)和流體運(yùn)移規(guī)律，是科學(xué)家們長期追尋的夢(mèng)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(bào)甚至干預(yù)措施。

　　近日，在國家自然科學(xué)基金委員會(huì)國家重大科研儀器研制項(xiàng)目“高能加速器CT多場耦合巖石力學(xué)試驗(yàn)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(tuán)隊(duì)，歷時(shí)五年研制成功世界上首臺(tái)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)，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(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

　　兩次失敗三臺(tái)樣機(jī) 首次實(shí)現(xiàn)加載中高精度旋轉(zhuǎn)

　　巖石力學(xué)試驗(yàn)是地球科學(xué)和地質(zhì)工程中必須進(jìn)行的試驗(yàn)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(yàn)技術(shù)來探測巖石破裂演化過程。進(jìn)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(jìn)行CT掃描巖石力學(xué)試驗(yàn)，取得了一些重要研究成果。

　　“這些試驗(yàn)難以進(jìn)行應(yīng)力、溫度、流體等多場耦合試驗(yàn)，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?！崩顣灾毖裕陙砼d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(gè)能進(jìn)行CT實(shí)時(shí)掃描的標(biāo)準(zhǔn)巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，以解決巖石壓裂裂縫形成機(jī)制與空間分布規(guī)律這一關(guān)鍵科學(xué)問題。

　　要實(shí)現(xiàn)CT實(shí)時(shí)掃描和三維成像，就必須攻克試驗(yàn)機(jī)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(tái)可旋轉(zhuǎn)式巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)。

　　“很多外國專家來參觀時(shí)都會(huì)問一個(gè)問題，你們是怎么做到巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)的高精度旋轉(zhuǎn)的？”李曉笑著說，這也是當(dāng)時(shí)面臨的難題，研究團(tuán)隊(duì)嘗試多種方案、歷經(jīng)兩次失敗，先后研制三臺(tái)樣機(jī)后終獲成功。

　　“我們首先設(shè)計(jì)了雙排滾柱軸承旋轉(zhuǎn)方案，研制的第一臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，優(yōu)點(diǎn)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。”李曉回憶說，項(xiàng)目組重新設(shè)計(jì)了雙油缸油膜液浮支承旋轉(zhuǎn)方案，研制出第二臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，旋轉(zhuǎn)摩阻確實(shí)降低了。但在巖石高壓加載試驗(yàn)中，樣機(jī)的系統(tǒng)剛度小，整個(gè)系統(tǒng)的垂直精度也不夠，指標(biāo)無法達(dá)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(tuán)隊(duì)頂著壓力，不斷優(yōu)化方案、積累技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，高精度旋轉(zhuǎn)式的伺服控制巖石力學(xué)剛性試驗(yàn)機(jī)最終研制成功。

　　就在今年7月，國家自然科學(xué)基金委員會(huì)組織專家對(duì)研制設(shè)備進(jìn)行測試和驗(yàn)收，驗(yàn)收專家認(rèn)為，該項(xiàng)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(dòng)態(tài)范圍CT線陣探測器、動(dòng)態(tài)原位高精度探測成像七項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

　　增加重要功能 可進(jìn)行流體壓裂等多種試驗(yàn)

　　“高射線能量的電子直線加速器，國外對(duì)我國禁運(yùn)，是卡脖子設(shè)備。研制機(jī)另外一個(gè)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?！崩顣哉f，這不僅打破了國外對(duì)我國高能加速器射線源禁運(yùn)的技術(shù)封鎖，也破解了動(dòng)態(tài)原位加載與快速CT層析同步成像的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)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(xiàng)目組研制機(jī)與美國最先進(jìn)CT掃描巖石力學(xué)試驗(yàn)裝置的技術(shù)性能對(duì)比。由于研究團(tuán)隊(duì)采用了與國外完全不同的設(shè)計(jì)原理、機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，項(xiàng)目研制機(jī)主要性能指標(biāo)比國外同類設(shè)備提高了1—2個(gè)數(shù)量級(jí)，尤其是新增了許多巖石力學(xué)試驗(yàn)的重要功能。

　　“國外CT巖石力學(xué)試驗(yàn)裝置剛度很低，屬于柔性試驗(yàn)機(jī)，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(jìn)破壞過程這一重要特性。”李曉解釋說，國外設(shè)備只是一個(gè)可以放置在CT機(jī)上進(jìn)行掃描的簡單加載裝置，還不能稱之為巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)。而且，在CT掃描試驗(yàn)中不能安設(shè)引伸儀，這導(dǎo)致在試驗(yàn)中很難獲得巖石精確的軸向和徑向變形。

　　此外，項(xiàng)目研制設(shè)備在全程試驗(yàn)中有三套獨(dú)立閉環(huán)電液伺服控制系統(tǒng)，可進(jìn)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(yàn)，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(duì)該試驗(yàn)系統(tǒng)給予了高度評(píng)價(jià)。

　　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(yàn)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(dòng)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(yàn)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(duì)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(jī)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(yàn)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(yàn)系統(tǒng)獲得的巖石損傷破裂規(guī)律，項(xiàng)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(xiàng)與國家油氣重大專項(xiàng)的實(shí)施，并對(duì)我國頁巖氣開發(fā)的壓裂設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支撐。

　　“山體滑坡看來是突然發(fā)生的，其實(shí)也有自己的演化過程，裂縫漸進(jìn)發(fā)展到一定程度完全貫通就會(huì)造成滑坡。假如我們了解裂縫的演化過程，就可以進(jìn)行及時(shí)預(yù)測、預(yù)報(bào)、干預(yù)，并根據(jù)裂縫的發(fā)展程度和規(guī)律及時(shí)采取相應(yīng)措施?！崩顣詮?qiáng)調(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(shí)對(duì)災(zāi)害進(jìn)行早期識(shí)別、中途干預(yù)；利用該研制設(shè)備進(jìn)行滑坡物理模擬試驗(yàn)，可揭示滑帶的漸進(jìn)破裂過程及關(guān)鍵物理量的變化規(guī)律。

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

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