我國研制出世界首臺新型巖石力學試驗機


2018-11-20   來源:人民日報

觀測巖石損傷破裂的全過程,使巖石內部像玻璃一樣透明可見,是科學家們孜孜以求的夢想。

近日,在國家自然科學基金的資助下,由中國科學院地質與地球物理研究所李曉研究員領銜,中國科學院高能物理研究所和北京交通大學等單位研究人員共同組成的科研團隊,成功研制出世界第一臺具有完全自主知識產權的高能加速器CT可旋轉式巖石力學剛性伺服試驗機,揭開了巖石破裂演進之謎。

“只有將巖石破裂的過程看得明明白白,才能揭示巖石內部裂縫形成發展、聚集破壞的機理與規律,這對于地質工程設計至關重要。”李曉說,例如應對山體滑坡等地質災害時,如果能提前洞悉山體的破裂演化過程,就可以根據裂縫的發展程度,采取相應預報、干預、防范措施。

傳統的巖石力學試驗機缺點是巖石試樣被置于全封閉的金屬厚壁缸內加壓,只能獲得破裂前、破裂后試樣的兩種狀態,中間巖石到底發生了什么,沒有人能看得見。近年來興起的可進行CT掃描的巖石力學試驗設備,其加載裝置又過于簡單,試驗采用的試樣小、壓力小,難以進行溫度、流體等多場耦合試驗。因此,迫切需要一個能進行CT實時掃描的、標準的巖石力學試驗系統。

常規的標準巖石力學試驗機均是靜止固定、不能轉動的,但為了實施CT掃描和三維成像,需要試驗機在高壓力下實現高精度旋轉。為了攻克上述難點,在國內外沒有任何經驗可供借鑒的情況下,項目組潛心鉆研5年,歷經兩次失敗,最終設計出了“限位油缸靜壓支撐旋轉方案”,突破了在200噸高壓下試驗機的高精度旋轉與控制技術、高溫高壓旋轉供液供氣技術等難題。“巖石在試驗機的帶動下,一邊旋轉一邊進行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,設備中一個重要子系統是“電子直線加速器CT”設備,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,項目組自主創新,成功研制了具有完全知識產權的6MeV電子直線加速器。

這套巖石力學試驗機具有廣闊的應用前景。據李曉介紹,進行頁巖氣等非常規油氣和干熱巖地熱能開發時,該試驗機可以模擬儲層中壓裂裂縫的形成發展和空間形態,用于深部清潔能源開采設計;在天然氣水合物開采方面,利用該試驗機的低溫裝置,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、環保等國家重大工程建設中,試驗機對于礦山災害預測、滑坡地質災害發生機制、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制等重大工程技術問題,具有重要的試驗與理論指導作用。除了應用于地學領域,該試驗機還可應用于軍工、航天、材料、機械、無損檢測等領域。

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