10月中旬，中科院地質(zhì)與地球物理研究所研究員李曉帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)收到了一份新的巖芯樣品。他們穿過CT室厚厚的、曲折的迷宮門，將這個(gè)不同尋常的大尺度巖石試樣放置好后，回到位于另一個(gè)房間的中控臺(tái)前。
強(qiáng)烈的轟鳴聲中，巖石試樣在試驗(yàn)機(jī)的高壓中進(jìn)行高精度旋轉(zhuǎn)，接受6MeV的高能電子“透視”。很快，一張張布滿裂紋的黑白照片傳送到中控臺(tái)的電腦屏幕上。
“這是世界第一臺(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)。”站在這臺(tái)占用一個(gè)房間的CT機(jī)面前，李曉告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者。在國家自然科學(xué)基金委員會(huì)（以下簡稱自然科學(xué)基金委）國家重大科研儀器研制項(xiàng)目“高能加速器CT多場(chǎng)耦合巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)”支持下，李曉帶領(lǐng)來自中科院地質(zhì)與地球物理所、高能物理研究所、北京交通大學(xué)等單位的科研團(tuán)隊(duì)歷時(shí)五年時(shí)間成功研制了這臺(tái)試驗(yàn)機(jī)，從此巖石破裂過程不再是秘密。
獲得“峰后力學(xué)特性”
巖石力學(xué)試驗(yàn)旨在測(cè)試巖石在各種環(huán)境力場(chǎng)作用下的物理力學(xué)性狀及響應(yīng)，以揭示巖石變形破裂機(jī)理。上世紀(jì)七十年代之前，第一代巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)沿用普通材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)定巖石破壞前的力學(xué)特性。隨后，作為第二代巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)的伺服控制試驗(yàn)機(jī)讓科學(xué)家獲得了巖石破裂后的“峰后力學(xué)特性”，但巖石從初始完整狀態(tài)到完全破裂狀態(tài)如何演化的，人們不得而知。
2000年以來，迅速發(fā)展的計(jì)算機(jī)X射線斷層掃描（CT）技術(shù)開啟了第三代“帶CT實(shí)時(shí)掃描的伺服剛性試驗(yàn)機(jī)”的研制。打開巖石力學(xué)試驗(yàn)的黑箱，使巖石內(nèi)部像玻璃一樣透明可見的夢(mèng)想變成了可能。
不過，第三代試驗(yàn)機(jī)由于系統(tǒng)剛度小，不能獲得巖石全應(yīng)力應(yīng)變曲線，難以獲得巖石的“峰后特征曲線”。而地質(zhì)和工程學(xué)家發(fā)現(xiàn)，巖石破壞后依然具有支撐能力。
作為一名工程地質(zhì)力學(xué)專家，李曉越來越多地感受到工程實(shí)踐對(duì)巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)獲得峰后破裂力學(xué)特性的新需求。“我們迫切需要一個(gè)能進(jìn)行CT實(shí)時(shí)掃描的巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，解決巖石壓裂裂縫形成機(jī)制與空間展布規(guī)律這一關(guān)鍵科學(xué)問題，指導(dǎo)和優(yōu)化儲(chǔ)層壓裂工程設(shè)計(jì)。”李曉強(qiáng)調(diào)。
為加強(qiáng)系統(tǒng)剛度，科研人員設(shè)計(jì)了剛性四立柱作為反力裝置，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)200噸的壓力，可施加萬米深度的地殼應(yīng)力，遠(yuǎn)超目前國際領(lǐng)先的70噸壓力。這一設(shè)計(jì)為揭示深部巖石力學(xué)特性奠定了基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了巖石損傷破裂全過程的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。
“壓力山大”的兩次失敗
“壓力是真大！”回顧該試驗(yàn)機(jī)的研制歷程，李曉感受最深的是兩次失敗的經(jīng)歷。
高精度旋轉(zhuǎn)，是該試驗(yàn)機(jī)的核心技術(shù)之一。“項(xiàng)目啟動(dòng)之初，世界上所有巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)均是靜止固定、不能轉(zhuǎn)動(dòng)的，還沒有一臺(tái)可旋轉(zhuǎn)式巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)。”在沒有任何類似設(shè)備可供借鑒的“零基礎(chǔ)”上，中國科學(xué)家們出發(fā)了。
為實(shí)現(xiàn)“高精度”，他們首先采用了“雙排滾柱軸承旋轉(zhuǎn)”方案。在理論計(jì)算和數(shù)值仿真表明方案可行的情況下，第一次試驗(yàn)卻讓研究人員大失所望。“高精度實(shí)現(xiàn)了，但軸承摩擦阻力大導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)阻力大，只好放棄。”李曉說。
第二個(gè)方案圍繞如何降低試驗(yàn)機(jī)在200噸高壓下旋轉(zhuǎn)的摩擦阻力，研究人員采用了“雙油缸油膜液浮支承旋轉(zhuǎn)”方案，試圖用油膜降低摩擦阻力。歷經(jīng)八、九個(gè)月后的研制，該方案最終由于高壓下油膜壓縮、垂直定位精度不夠放棄。
連續(xù)遭遇兩次失敗，項(xiàng)目組經(jīng)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)室小試、樣機(jī)中試，最終設(shè)計(jì)了“限位油缸靜壓支承旋轉(zhuǎn)方案”，成功研制了高精度旋轉(zhuǎn)式的伺服控制巖石力學(xué)剛性試驗(yàn)機(jī)，首次實(shí)現(xiàn)了大尺度試樣、模擬深部地層環(huán)境、觀測(cè)巖石損傷破裂動(dòng)態(tài)過程的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，突破了巖石破裂演化與氣液運(yùn)移試驗(yàn)的技術(shù)瓶頸。
突破“卡脖子”技術(shù)
該試驗(yàn)機(jī)的另一個(gè)重要子系統(tǒng)是高能量的“電子直線加速器CT”設(shè)備，其核心部件為加速管。目前，這一設(shè)備國外對(duì)我國禁運(yùn)，是不折不扣的“卡脖子”設(shè)備。
為此，項(xiàng)目參研單位中科院高能物理所的科研人員采用“邊耦合駐波電子直線加速技術(shù)”，研制成功了具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的6MeV電子直線加速器。“這套系統(tǒng)從物理設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、加工制造、整管焊接、微波調(diào)配、性能測(cè)試等整套工藝全部由項(xiàng)目組自主完成。”李曉介紹。
據(jù)記者了解，該研制項(xiàng)目共突破包括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(cè)器、動(dòng)態(tài)原位高精度探測(cè)成像等七項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)。
科學(xué)家們期待，未來，上述關(guān)鍵技術(shù)的突破面向軍工、航天、材料、機(jī)械、無損檢測(cè)等等更廣闊的領(lǐng)域和場(chǎng)景。
自去年10月起，該試驗(yàn)機(jī)陸續(xù)開展巖石力學(xué)試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果以及建立的理論模型，科學(xué)家們研發(fā)了頁巖氣開采壓裂滲流產(chǎn)能預(yù)測(cè)軟件，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。此外，在干熱巖地?zé)崮荛_發(fā)、天然氣水合物開采、高放射性核廢料地質(zhì)處置、深地科學(xué)鉆探及深部地質(zhì)工程等方面，該試驗(yàn)機(jī)也具有廣闊的應(yīng)用前景。
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