在國家自然科學基金委員會（以下簡稱自然科學基金委）國家重大科研儀器研制項目“高能加速器CT多場耦合巖石力學試驗系統”支持下，李曉帶領來自中科院地質與地球物理所、高能物理研究所、北京交通大學等單位的科研團隊歷時五年時間成功研制了這臺試驗機，從此巖石破裂過程不再是秘密。

獲得“峰后力學特性”

巖石力學試驗旨在測試巖石在各種環境力場作用下的物理力學性狀及響應，以揭示巖石變形破裂機理。上世紀七十年代之前，第一代巖石力學試驗機沿用普通材料試驗機測定巖石破壞前的力學特性。隨后，作為第二代巖石力學試驗機的伺服控制試驗機讓科學家獲得了巖石破裂后的“峰后力學特性”，但巖石從初始完整狀態到完全破裂狀態如何演化的，人們不得而知。

2000年以來，迅速發展的計算機X射線斷層掃描（CT）技術開啟了第三代“帶CT實時掃描的伺服剛性試驗機”的研制。打開巖石力學試驗的黑箱，使巖石內部像玻璃一樣透明可見的夢想變成了可能。

不過，第三代試驗機由于系統剛度小，不能獲得巖石全應力應變曲線，難以獲得巖石的“峰后特征曲線”。而地質和工程學家發現，巖石破壞后依然具有支撐能力。

作為一名工程地質力學專家，李曉越來越多地感受到工程實踐對巖石力學試驗機獲得峰后破裂力學特性的新需求?！拔覀兤惹行枰粋€能進行CT實時掃描的巖石力學試驗系統，解決巖石壓裂裂縫形成機制與空間展布規律這一關鍵科學問題，指導和優化儲層壓裂工程設計。”李曉強調。

為加強系統剛度，科研人員設計了剛性四立柱作為反力裝置，實現了高達200噸的壓力，可施加萬米深度的地殼應力，遠超目前國際領先的70噸壓力。這一設計為揭示深部巖石力學特性奠定了基礎，實現了巖石損傷破裂全過程的試驗目標。

“壓力山大”的兩次失敗

“壓力是真大！”回顧該試驗機的研制歷程，李曉感受最深的是兩次失敗的經歷。

高精度旋轉，是該試驗機的核心技術之一?！绊椖繂又?，世界上所有巖石力學試驗機均是靜止固定、不能轉動的，還沒有一臺可旋轉式巖石力學試驗機。”在沒有任何類似設備可供借鑒的“零基礎”上，中國科學家們出發了。

為實現“高精度”，他們首先采用了“雙排滾柱軸承旋轉”方案。在理論計算和數值仿真表明方案可行的情況下，第一次試驗卻讓研究人員大失所望?！案呔葘崿F了，但軸承摩擦阻力大導致旋轉阻力大，只好放棄?！崩顣哉f。

第二個方案圍繞如何降低試驗機在200噸高壓下旋轉的摩擦阻力，研究人員采用了“雙油缸油膜液浮支承旋轉”方案，試圖用油膜降低摩擦阻力。歷經八、九個月后的研制，該方案最終由于高壓下油膜壓縮、垂直定位精度不夠放棄。

連續遭遇兩次失敗，項目組經反復的實驗室小試、樣機中試，最終設計了“限位油缸靜壓支承旋轉方案”，成功研制了高精度旋轉式的伺服控制巖石力學剛性試驗機，首次實現了大尺度試樣、模擬深部地層環境、觀測巖石損傷破裂動態過程的試驗目標，突破了巖石破裂演化與氣液運移試驗的技術瓶頸。

突破“卡脖子”技術

該試驗機的另一個重要子系統是高能量的“電子直線加速器CT”設備，其核心部件為加速管。目前，這一設備國外對我國禁運，是不折不扣的“卡脖子”設備。

為此，項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”，研制成功了具有完全知識產權的6MeV電子直線加速器?！斑@套系統從物理設計、機械設計、加工制造、整管焊接、微波調配、性能測試等整套工藝全部由項目組自主完成?！崩顣越榻B。

據記者了解，該研制項目共突破包括靜壓支承降阻控制技術、調心推力限位油缸垂直定位技術、高精度旋轉伺服控制技術、高壓高低溫旋轉密封與供液技術、6MeV邊耦合駐波加速管、寬動態范圍CT線陣探測器、動態原位高精度探測成像等七項關鍵核心技術。

科學家們期待，未來，上述關鍵技術的突破面向軍工、航天、材料、機械、無損檢測等等更廣闊的領域和場景。

自去年10月起，該試驗機陸續開展巖石力學試驗。根據試驗結果以及建立的理論模型，科學家們研發了頁巖氣開采壓裂滲流產能預測軟件，對我國頁巖氣開發的壓裂設計提供了技術支撐。此外，在干熱巖地熱能開發、天然氣水合物開采、高放射性核廢料地質處置、深地科學鉆探及深部地質工程等方面，該試驗機也具有廣闊的應用前景。

來源：科學網