世界首台新型岩石力学试验机揭开岩石破裂演进

观测岩石损伤破裂的全过程,使岩石内部像玻璃一样透明可见,是科学家们孜孜以求的梦想。

近日,在国家自然科学基金的资助下,由中国科学院地质与地球物理研究所李晓研究员领衔,中国科学院高能物理研究所和北京交通大学等单位研究人员共同组成的科研团队,成功研制出世界第一台具有完全自主知识产权的高能加速器CT可旋转式岩石力学刚性伺服试验机,揭开了岩石破裂演进之谜。

“只有将岩石破裂的过程看得明明白白,才能揭示岩石内部裂缝形成发展、聚集破坏的机理与规律,这对于地质工程设计至关重要。”李晓说,例如应对山体滑坡等地质灾害时,如果能提前洞悉山体的破裂演化过程,就可以根据裂缝的发展程度,采取相应预报、干预、防范措施。

传统的岩石力学试验机缺点是岩石试样被置于全封闭的金属厚壁缸内加压,只能获得破裂前、破裂后试样的两种状态,中间岩石到底发生了什么,没有人能看得见。近年来兴起的可进行CT扫描的岩石力学试验设备,其加载装置又过于简单,试验采用的试样小、压力小,难以进行温度、流体等多场耦合试验。因此,迫切需要一个能进行CT实时扫描的、标准的岩石力学试验系统。

常规的标准岩石力学试验机均是静止固定、不能转动的,但为了实施CT扫描和三维成像,需要试验机在高压力下实现高精度旋转。为了攻克上述难点,在国内外没有任何经验可供借鉴的情况下,项目组潜心钻研5年,历经两次失败,最终设计出了“限位油缸静压支撑旋转方案”,突破了在200吨高压下试验机的高精度旋转与控制技术、高温高压旋转供液供气技术等难题。“岩石在试验机的带动下,一边旋转一边进行CT扫描,每个瞬间都能获得一张扫描图像,图像最后叠加起来,就是岩石破裂的全过程3D影像。”李晓说。

值得一提的是,设备中一个重要子系统是“电子直线加速器CT”设备,其核心部件为加速管。针对这个高射线能量的电子直线加速器,项目组自主创新,成功研制了具有完全知识产权的6MeV电子直线加速器。

这套岩石力学试验机具有广阔的应用前景。据李晓介绍,进行页岩气等非常规油气和干热岩地热能开发时,该试验机可以模拟储层中压裂裂缝的形成发展和空间形态,用于深部清洁能源开采设计;在天然气水合物开采方面,利用该试验机的低温装置,可以模拟水合物储层钻孔卸压与压裂效果。

此外,在矿山、水利、交通、土木、环保等国家重大工程建设中,试验机对于矿山灾害预测、滑坡地质灾害发生机制、隧道塌方冒顶事故防治、二氧化碳地下封存、混凝土建筑材料与沥青混凝土路面材料的变形破裂机制等重大工程技术问题,具有重要的试验与理论指导作用。除了应用于地学领域,该试验机还可应用于军工、航天、材料、机械、无损检测等领域。

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