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给岩石做个CT 打开破裂演进“黑匣子”

近日,在国度自然迷信基金委员会国度严重科研仪器研制名目“高能加速器CT多场耦合岩石力学试验体系”的支持下,由中科院地质与地球物理研讨所李晓研讨员领衔,中科院高能物理研讨所和北京交通大学等单位研讨人员组成的科研团队,历时五年研制胜利世界上首台高能加速器CT可扭转式岩石力学刚性伺服试验机,将为深部资本能源开辟、天然气水合物开采、核废料地质处理、严重工程建设、地质灾祸防治等领域供给新的迷信试验平台。
   两次失败三台样机 首次完成加载中高精度扭转
   岩石力学试验是地球迷信和地质工程中必须停止的试验工作。为了使岩石内部像玻璃一样透明可见,人们研发出很多试验技巧来探测岩石决裂演变进程。进入21世纪,国内外学者直接应用医用或工业CT以及同步辐射光源,停止CT扫描岩石力学试验,取得了一些紧张研讨成果。
   “这些试验难以停止应力、温度、流体等多场耦合试验,不克不及获取岩石紧张的全应力应变特征,也无奈满足深地迷信与工程的需求。”李晓直言,近年来兴起的以水力压裂为核心技巧的页岩油气、致密油气、干热岩地热、天然气水合物等非常规能源开辟,迫切需要一个能停止CT及时扫描的标准岩石力学试验体系,以解决岩石压裂缝隙构成机制与空间分布纪律这一症结迷信成绩。
   要完成CT及时扫描和三维成像,就必须攻克试验机在加载进程中高精度扭转等技巧困难,然而,世界上还没有一台可扭转式岩石力学试验机。
   “很多外国专家来观赏时都会问一个成绩,你们是怎么做到岩石力学试验机的高精度扭转的?”李晓笑着说,这也是当时面临的困难,研讨团队尝试多种计划、历经两次失败,先后研制三台样机后终获胜利。
   “咱们首先计划了双排滚柱轴承扭转计划,研制的第一台试验样机,优点是扭转定位精度高,但轴承摩擦阻力大,招致扭转阻力大。”李晓回忆说,名目组重新计划了双油缸油膜液浮支承扭转计划,研制出第二台试验样机,扭转摩阻确实降低了。但在岩石低压加载试验中,样机的体系刚度小,整个体系的垂直精度也不够,目标无奈达到最佳,只能从头再来。
   迷信便是在赓续的失败中寻找胜利的微光。李晓带领团队顶着压力,赓续优化计划、积累技巧经验,高精度扭转式的伺服节制岩石力学刚性试验机最终研制胜利。
   就在今年7月,国度自然迷信基金委员会组织专家对研制装备停止测试和验收,验收专家认为,该名目冲破了静压支承降阻节制技巧、调心推力限位油缸垂直定位技巧、高精度扭转伺服节制技巧、低压高高温扭转密封与供液技巧、6MeV边耦合驻波加速管、宽静态范围CT线阵探测器、静态原位高精度探测成像七项症结技巧。
   增加紧张功效 可停止流体压裂等多种试验
   “高射线能量的电子直线加速器,外洋对我国禁运,是卡脖子装备。研制机另外一个紧张子体系——‘电子直线加速器CT’装备,是由中科院高能物理所研讨人员自主研制。”李晓说,这不仅打破了外洋对我国高能加速器射线源禁运的技巧封锁,也破解了静态原位加载与快速CT层析同步成像的技巧困难,完成了静态原位高精度探测成像。
   李晓现场展示了一张PPT,列出了名目组研制机与美国最先进CT扫描岩石力学试验装配的技巧机能对比。由于研讨团队采用了与外洋完整分歧的计划原理、机械结构和节制体系,名目研制机主要机能目标比外洋同类装备提高了1—2个数量级,尤其是新增了很多岩石力学试验的紧张功效。
   “外洋CT岩石力学试验装配刚度很低,属于柔性试验机,不克不及得到岩石全应力应变曲线,是以不克不及研讨岩石的渐进损坏进程这一紧张特征。”李晓说明说,外洋装备只是一个能够放置在CT机上停止扫描的简略加载装配,还不克不及称之为岩石力学试验机。并且,在CT扫描试验中不克不及安置引申仪,这招致在试验中很难得到岩石准确的轴向和径向变形。
   别的,名目研制装备在全程试验中有三套自力闭环电液伺服节制体系,可停止蠕变、松懈、变加载速度、分歧波形加载、流体压裂等多种工况试验,而外洋装备均无这些功效。
   不到一年间,已有多位国内外著名专家学者前来观赏和学术交流,对该试验体系赐与了高度评估。
   成长后劲凸显 为深地能源开辟供给支持
   应用高能加速器CT多场耦合岩石力学试验体系,能够得到岩石、土体、混凝土、陶瓷等地质类资料在应力、温度、流体等多种情况力场感化下的毁伤决裂演变进程,提醒地质类资料变形损坏微观力学行为的细观动因,冲破多相多场耦合基础实践,树立迷信合理的本构模子,具备紧张的迷信意义。
   值得一提的是,该试验体系还可普遍应用于油气、矿山、水利、交通、土木、环保等国度严重工程建设中。比方,对付矿山突发水灾祸猜测、滑坡地质灾祸产生机制、地道塌方冒顶变乱防治、二氧化碳公开封存等亟待解决的严重工程技巧成绩,具备紧张的试验与实践指导感化。
   中科院地质与地球物理所赫建明副研讨员介绍,基于该试验体系得到的岩石毁伤决裂纪律,名目组还研发了页岩气开采压裂渗流产能猜测软件,有力支持了中科院战略性科技先导页岩气专项与国度油气严重专项的实施,并对我国页岩气开辟的压裂计划供给了技巧支持。
   “山体滑坡看来是突然产生的,其实也有自己的演变进程,缝隙渐进成长到一定水平完整贯穿就会形成滑坡。如果咱们懂得缝隙的演变进程,就能够停止及时猜测、预告、干涉,并根据缝隙的成长水平和纪律及时采用相应措施。”李晓夸大,缝隙的成长进程便是岩石的决裂进程,迷信家洞悉这一进程后,可及时对灾祸停止晚期辨认、半途干涉;应用该研制装备停止滑坡物理模仿试验,可提醒滑带的渐进决裂进程及症结物理量的变更纪律。
   “应用该试验平台,咱们正在展开试验研讨工作。好比,在干热岩地热能开辟方面,该试验体系可模仿热储层中压裂缝隙的构成成长、剪切错位与空间构型,用于中深层地热能资本开采计划;借助该试验体系,可研讨分歧温度压力条件下储库围岩裂隙扩大渗流的多场耦合机制与进程,为高放射性核废料公开处理库计划供给试验根据。”中科院页岩气与地质工程重点试验室副主任李守定研讨员说,应用该试验体系的高温装配,还可停止天然气水合物钻采的模仿试验研讨等。