盘点岩石的六大无损检测方法

来源： 中煤科总院深地院、数字深地圈、无损检测NDT

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【导读】 岩石无损检测是指在不破坏岩石的情况下确定其强度等相关特性的方法，基本原理是通过物理或化学手段探测岩石内部结构或缺陷引起的声、光、电、磁、热等响应的变化，进而间接获得岩石内部结构或缺陷的形状、性质和状态。

目前常用的岩石无损检测方法可以分为非接触式和接触式方法。非接触式方法主要包括数字图像相关、红外热成像、X射线层析成像以及核磁共振成像等方法；接触式方法主要包括超声波检测与成像以及电阻率检测与成像等方法。

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数字图像相关

   

数字图像相关（Digital Image Correlation，DIC）技术是一种非接触式现代光学测量技术。由于具有光路简单、环境适应性好、测量范围广以及自动化程度高等诸多优点已经被广泛应用于土木工程、机械、材料科学、电子封装、生物医学、制造、焊接等科学及工程领域。

在实验室，该项技术常被用于测量岩石破裂过程中的位移与变形，基于变形结果还可以用于测定裂纹应力强度因子 ；在野外，该项技术还可用来判断岩石工程安全状态和评估岩体工程结构稳定性等，如图1所示。然而，为了获得高精度的岩石表面变形，需要高分辨率和高帧率的图像采集与处理设备，这极大增加了测量成本，限制了其使用范围。  

图1 数字图像相关获得的岩石变形过程中表面变形

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红外热成像

   

红外热成像技术是运用光电技术检测物体热辐射的红外线特定波段信号后将该信号转换成可供人类视觉分辨的图像和图形，并可以进一步计算出温度值的一项技术。热红外在军事、工业、汽车辅助驾驶、医学领域都有广泛的应用。   此外，通过红外热成像技术可以实时、无损、   非接触地观测岩石表面的损伤过程，并判断内部损伤出现的位置，如图2所示 。但是，该方法对亮度变化不敏感，且往往缺乏背景细节信息。  

 

图2 煤样红外热像序列

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X射线层析成像

     

X射线层析成像（CT）是指通过X射线对岩石进行扫描重建其内部三维结构信息分布图像的技术。由于成像精度高，该项技术已被广泛应用于诊断人体内部病变，同时其在材料科学 和岩土工程领域也被大范围使用，常被用来获得岩石内部孔隙喉道分布、矿物结构、夹杂物、裂缝发育情况等细观结构，如图3所示 。  

然而，该方法对流体并不敏感，检测含流体岩石时往往需要加入造影剂，同时当岩石内部包含金属矿物时会产生极大伪影，因此在岩石检测方面仍存在一定局限性；另外，由于该方法成本较高且存在辐射泄漏等风险，通常只能在实验室使用，限制了其使用场景。  

 

图3 不同初始围压下破裂试样的X射线CT三维重构图像

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核磁共振成像

     

核磁共振成像技术是利用核磁共振原理，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，计算其穿过岩石内部不同结构后的衰减，获得构成岩石的原子核位置和种类，从而重建岩石内部的结构图像的一项技术。  

目前该项技术在物理学、化学以及医学领域均得到了很好的应用。 由于具有快速、无损和灵敏等优点，该项技术还在岩石物理领域被用于精细刻画储层岩石的孔隙结构、评价储层的孔隙度、渗透率、饱和度等参数，同时根据核磁图像的亮斑和亮度还可直观定性地认识和描述岩石内部孔隙演化和微裂缝的发育情况，如图4所示 。尽管如此，金属矿物对核磁共振成像影响较大，不宜对金属矿物含量较大的岩石进行检测。  

 

图4 花岗岩的冻融损伤核磁成像

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超声波检测与成像

   

超声波检测（UT）是指通过测定超声波穿透岩石或岩体后声波信号的声学参数（波速、衰减系数、波形、频率、频谱、振幅等）的变化，间接地了解岩石或岩体的物理力学特性及结构特征的一类技术，如图5所示 。由于超声波方向性好、能量高、穿透能力强且测量原理简单，已就被广泛应用于地质、水电、煤炭、交通、石油、建筑等各行业的岩石工程中。  

在实验室，超声波检测技术常被用于测定岩石的弹性参数，评估岩石完整性以及监测岩石破裂过程等；在野外，也常被用于测定岩体弹性参数、划分岩体结构类型、估计岩体松动层厚度、判定岩体稳定性、检测岩体加固质量、监测围岩支承压力以及地应力测试等。

岩石超声波检测获得的参数实际上是超声波穿过岩石后的平均值，并不能进一步获得超声波传播路径上的局部细节。为了获得更多的参数变化细节，可以在岩石周围布置多个超声换能器以获得在不同方向上的超声波信号，然后利用层析成像方法对岩石内部参数进行反演，从而可以更详细地了解岩石内部结构、缺陷以及应力分布情况。目前，超声波成像技术已成为实验室研究岩石破裂过程的常规手段，如图6所示。

图6 岩石变形过程中速度结构的变化

同时，由于该项技术主要对岩石的电学属性敏感，可以查清地下的电阻率电导率物理参数，常用来勘查包含水、金属或者其他高阻类的地质体，目前其已成为勘探领域的常规手段之一 。

（来源： 中煤科总院深地院、数字深地圈、无损检测NDT ， 微土木人荐读 ）