首页  >  观点建议  >  观点建议详情

何满潮院士:变革煤炭技术,创新助力强国

2025-02-08   中国矿业大学(北京)新闻网   阅读量:918

    2019年11月,学校正式启动了口述校史工作。5年来,我们通过访谈近百名老教授、老同志、老校友,真实记录他们经历的学校建设发展历史,再现学校发展历程,重温办学育人之路,为弘扬矿大优良传统、传承矿大精神品格贡献档案力量。

    2024年,《奋进新征程 建功新时代——中国矿业大学(北京)师生校友口述访谈实录》出版,本书通过对33名学校培养的校友代表进行口述访谈,分院士篇、高校篇、 行业篇, 生动展示了师生校友一往无前的进取精神和扎实有效的创新实践,展现了新时代自强不息、顽强拼搏的校友群像,再现了学校人才培养和办学发展历程。

    本书可供关心中国矿业大学 (北京) 建设发展的学校师生、 广大校友及社会各界人士参阅。

人物简介

    何满潮,男,1956年5月24日生,河南省灵宝市人。矿山工程岩体力学专家,中国科学院院士、阿根廷国家工程院院士、俄罗斯矿业科学院院士,中国矿业大学(北京)教授、博士生导师,深部岩土力学与地下工程国家重点实验室主任、隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室主任。1977年考入长春地质学院水工系工程地质专业,先后获得学士、硕士学位;1985年硕士毕业后留校任教一年;1986年考取中国矿业学院北京研究生部力学系博士;1989年博士毕业后留校任教;1991年博士后出站并创立岩土工程研究所(2008年被国家批准为深部岩土力学与地下工程国家重点实验室);1998年获得国家杰出青年科学基金资助;2011年获得比利时蒙斯大学名誉博士学位;2013年当选为中国科学院院士;2016年当选为中国岩石力学与工程学会第八届理事会理事长,2020年当选第九届理事会理事长;2017年获得全国创新争先奖;2018年当选为中国人民政治协商会议第十三届全国委员会委员,同年当选为阿根廷国家工程院院士;2019年荣获国际地质灾害与减灾协会(ICGdR)科学成就奖,同年获得中国专利金奖(一种恒阻大变形缆索及其恒阻装置);2021年当选为俄罗斯矿业科学院院士,同年获得国际岩石力学与岩石工程学会(ISRM)会士荣誉称号,并获得该年度ISRM技术发明奖;2022年当选国际地质灾害与减灾协会(ICGdR)副主席;2023年再次获得中国专利金奖(基于N00工法的极薄煤层长壁开采方法)。主要从事矿山岩体大变形灾害控制理论和技术研究。提出了缓变型和突变型大变形灾害的理论体系,研发了多套大变形灾害机理实验系统,创建了深部岩体力学实验室。提出了具有NPR(负泊松比)效应的恒阻大变形锚杆(索)的理念,通过实验定型了具有负泊松比效应的恒阻大变形锚杆(索)序列产品,成功应用于工程实际,取得了巨大的经济和社会效益。研究成果荣获国家技术发明奖二等奖1项、国家科学技术进步奖二等奖3项(均为第一完成人)。

    

    访谈组: 

    您可以简单介绍一下您到中国矿业学院北京研究生部求学之前的学习经历吗?是什么样的机缘让您选择攻读力学系博士?

    何满潮: 

    1956年,我出生在河南西部伏牛山区一个地地道道的农民家庭。家里兄弟姐妹六个,我排行老二。我小时候,家里很穷,每年青黄不接的时候,吃了上顿没有下顿,而父母总是把仅有的一点粮食留给孩子们。从小我便立下“远大”理想——“我一定要好好读书,考上大学,找到一份好工作,让父母不再辛苦。”怀揣着大学梦,我刻苦学习,晚上常常趴在炕上,抱着一个小煤油灯读书。母亲心疼我,不让我晚上看书,我就想了一个办法——用玉米叶子把煤油灯罩起来,这样灯光昏暗,母亲不容易发现,我就能多看一会儿。我的成绩一直保持优异,村里人都说我是读书的“好苗子”。“再穷,也要让孩子上学”,这是我父亲生前最常说的一句话,也是我们家的家风。

    1973年,我17岁时从灵宝市第五高级中学高中毕业后,先在农村的广阔天地锻炼了4年。1977年,恢复高考,我考入长春地质学院水工系工程地质专业(现吉林大学地学部建设工程学院)。慢慢地,我发现工程地质是一个很有趣的专业,不仅与金矿有关,还与铁矿、煤矿等有关。资源禀赋不同,地质条件各异,宝藏不同,灾害的种类也不同。于是,我本科毕业后又考取了硕士研究生,一股脑儿读了8年。

    我们专业全国就一个班,班里面30名学生中有21名报考研究生,但录取名额只有一个,考试标准还很高,竞争非常激烈。经过考试,非常有幸,我最后胜出。硕士3年,大概用1年的时间学习文化基础课。从第二年开始进行专业实习和论文设计,这时候发生了一件对我一生影响巨大的非常事件。当时,抚顺矿务局的西露天矿是我国最大的露天煤矿,发生了上百次滑坡,也毁坏了很多设备。研究这个课题时,我发现自己的地质知识不够用,还需要深入学习力学知识。为此,我决定转变研究方向,报考力学博士。

    “报考力学博士,不下大力气真不行。”当时吉林大学在长春地质学院旁边,没有围墙,我就利用业余时间到吉林大学旁听数学、力学课程,一听就是一年。“旁听可不能一个人进教室,那样容易被发现,要随着上课的学生一起进教室。”为了能顺利走进课堂,我琢磨出了门道。旁听让我对跨专业报考博士充满信心。1986年,我赴北京拿下了中国矿业学院北京研究生部力学专业唯一的博士生招生名额,成为有理力学专家陈至达教授的博士生。

    

    访谈组: 

    1986年至1989年您在攻读博士期间,师从力学专家陈至达先生,能和我们分享一下陈先生的故事吗?陈先生的教导对您之后工作经历有什么帮助或影响吗?

    何满潮: 

    陈先生是我们国家研究大变形理论的专家,是钱伟长先生的第一个研究生,钱伟长先生是冯·卡门的学生。我攻读博士学位的时候,中国石油化工总公司下面有一个企业叫抚顺石油一厂,由于露天矿发生滑坡,10个车间被破坏停产。抚顺石油一厂是1928年由日本人建的,该厂是用煤炭和油母页岩资源生产人造石油。为了减少运费,该厂建的时候离抚顺西露天矿很近。这种情况下,如果滑坡或者不均匀变形,该厂就会出问题。

    在1987年4月28日至5月6日,这里发生了5次大滑坡,炼油车间就坏了,这事惊动了党中央、国务院。然后国家就派了国家经济委员会主任和国家计划委员会的两个副主任,到现场主持200多人的专家会议。咱们学校当时的校长彭世济是专业组副组长,负责主持调查问题原因。当时抚顺西露天矿有个总工程师坚信设计不会错,认为这是世界上最著名、最具有权威的专家设计的,不会错。

    来自东北工学院(现东北大学)的专家认为,房子旁边挖个菜窖对这个房子都会有影响,那么挖这么一个长约6000米、宽约3000米、深约350米的露天大坑,离这里约100米的一个厂子出问题,怎么能没有关系?但是这个说法没有理论支撑。所以他们就到北京图书馆查阅文献,查到1986年12月的《长春地质学院科学研究报告年鉴》中有一篇文章《抚顺西露天矿北方边坡问题分析》。文章详细讲述了抚顺西露天矿危险区到什么时候会发生滑坡,而且会发生连续的滑坡,扭断哪几个铁路干线,破坏哪几个台阶,发展的方向是什么,最后会影响什么。此文作者之前已经预测到这一事故。这篇文章是我根据我的硕士学位论文所写的。

    当时中国石油化工总公司安全技术处处长张宝光查到这篇文章以后,一看署名是长春地质学院,他就跑到长春。他了解到我已经在北京读博士,又到北京找到我,让我把文章里的情况给他说一说。他希望我能做这个方向的课题。我说这个问题属于工程地质问题,而我现在攻读的是力学博士学位,我必须做力学方向的博士学位论文。他问我谁能定这个事,我说只有找我导师。陈至达先生说这是一个典型的大变形力学问题,我可以做。他们就给了我们44.5万元的科研经费。当时陈先生一个月工资90元,我一个月工资56元。1987年的时候,咱们学校全年的纵向科研经费加上横向科研经费还不到20万元,我们一个项目经费就44.5万元,第一笔就来了50%,学校此前还从来没见过这么多科研经费。那时陈景润做的一个国家自然科学基金项目也就2000元的科研经费。所以,这个项目在学校影响很大。

    陈至达先生是一个学术民主、非常严谨的人。和陈先生一起把这个项目拿下来,他是项目负责人。他对我说:“你是做力学的,这个项目你有没有把握?你如果没有把握,我们就别要那么多经费了,你能毕业就行。你如果有把握,你就把这个项目做大。”他以前也没负责过这么大的项目,所以他也有压力。他问我:“这个预算是不是小数点不太对,是不是4万元啊?如果做这个项目没有把握,咱们少要一点就行了。”后来,陈先生专门给中国石油化工总公司总经理陈锦华写了封信:“这个项目由我的学生何满潮博士全权负责,有什么事由他同您汇报。”陈锦华总经理接到这封信以后,不知道怎么回事,就把我叫过去问我的导师为什么写这封信,我给他解释了一下。两年后我们成功地完成这个项目,最后还获得了一个奖。

    陈至达先生是一个水平非常高的老师,总是从哲学的高度上教授知识。陈先生是陈嘉庚家族的,他的家族垄断了整个东南亚的食品加工业,他的一生名下有很多财产。陈先生到世界上任何一个国家,只要到银行,凭着签字就可以取钱的。但是他生活非常节俭,不浪费一分钱。那时候交通非常不方便,坐火车花的钱少但是很麻烦。而飞机不是有钱就能坐的,局级干部要有部级的介绍信,坐飞机到抚顺要25元钱,我那时候和他坐飞机都需要到中国石油化工总公司开介绍信。同陈先生坐飞机时在机场买饮料,饮料在机场外也就2元钱,到机场里就要5元钱了。陈先生觉得太贵,他就只买一罐,我们师徒俩拿着吸管一起喝。但陈先生热衷于公益事业,有些兰州的力学青年学者要在兰州开会,他拿出2000元钱来支持他们的会议。所以,陈先生的很多细节是非常有意思的。

    陈至达先生不仅教授学生如何做学问,他还全面关心学生生活。我那时候刚结婚,有一次和他出差,他对我说了一句话:“夫妻之间不能讲道理,你非要在家里把道理讲清楚,夫妻关系就完了。”我当时还不理解这句话,不过几十年生活之后,我就明白了陈先生是一个非常有智慧的人,他的生活阅历和他看待问题的方法非常值得我们学习。

    在科研业务上,我们这个国家重点实验室的前身是岩土工程研究所,岩土工程研究所是陈至达先生提出建设的。陈先生1987年提出,未来的露天矿和地下采矿就是个大变形破坏问题,如果这个问题不解决,将来煤矿开采会面临灭顶之灾,后来实际情况也是这样。我们通过大变形材料的应用研究,抑制了这种大变形灾害的产生。后来在大变形材料的支撑下,把中国煤矿人员伤亡的势头给遏制住了,因为它利用框架自动成巷,减少了一半巷道的掘进,减少了很多人的伤亡,这与大变形控制理论和材料是密不可分的。

    无数的矿难,看似是矿山开采的问题,其实首先是地质科学问题;铁道与公路滑坡,说起来是工程问题,但其实首先也是地质科学问题,而造成的破坏又是一个力学问题。力学的整体思维和地质科学的思维完全不一样,两者结合起来才能真正解决问题。学科的交叉让我找到了新的科学生长点。硕士生导师谭周地教授教给了我良好的工程地质宏观思维,让我知道如何掌握问题的本质;博士生导师陈至达教授教给了我力学思维,让我找到了解决问题的方法。

    

    访谈组: 

    我们了解到您1989年博士毕业之后留校任教,奋斗在教学科研一线,您可以和我们分享一下您选择留校任教、从事教学与科研工作的原因吗?在任教期间,有什么令您印象深刻的经历吗?

    何满潮: 

    我印象最深的一件事情是有一次我和毕业生座谈,有一名研究生读过马克思主义剩余价值理论。他提出了一个问题:我们高校的科研模式是老师拿来科研项目,定下来研究方案和思路,由学生来完成,学生完成了这个项目以后就毕业了。按照马克思主义剩余价值理论,剩余价值是工人创造的,学生就是工人,所以剩余价值是学生创造的,但是谁占有了?我们学生毕业了我们肯定没有占有,是老师占有了。按照马克思主义剩余价值理论,这里面就有剥削和被剥削的问题。

    像这样的问题,他讲得非常有道理,而且现在的科研模式就是这样。他提出这个问题,他说他也很困惑,他也不愿意有这样的推论,但是按照马克思主义剩余价值理论就是这样。最后他说:“何院长,我不能带着这个困惑毕业。”我听了以后也觉得很震惊,我没思考过这个问题。后来我回答了三条:第一,作为一个工科的研究生,能够用马克思主义的剩余价值理论来分析问题、认识问题、解决问题,这是值得表扬的。第二,我直觉这个结论可能是有问题的,但是我也不知道问题在哪里,因为我也不是学这个的,而且我没有认真去读过马克思主义剩余价值理论和资本论。第三,允许我在两年之内来研究一下剩余价值理论和资本论的问题,然后我再回答。我们约定在两年时间之内在座的学生们不能再提这个观点。

    当时我是力学与建筑工程学院的院长和党委书记,我不希望学生们不是因为成绩被别人所知道,而是因为他们提出的这个问题把力学与建筑工程学院弄得很出名。我说这个可能有问题,我希望他们能够配合。两年之后我把他们请回来,或者我会发表一篇文章来阐述我的观点。他们很配合我。后来我专门买了英文版的《资本论》,看完后有些地方看不懂,我就又买了3本中文版《资本论》,看不懂的地方就反复看中文版。

    我第一个感触是觉得马克思用40年的时间研究资本论的问题,一辈子就写了这一套书,而且到逝世的时候也只出版了第一本,后面两本都是恩格斯帮他出版的。第二个感触是马克思作为一个科学家的研究水平是很高的,他把错综复杂的社会经济运行形态,用一个剩余价值理论的数学公式表达得非常清楚。第三个感触是他不仅能够表达得清楚,而且利用这样一个规律提炼出很多推论,并指导了整个共产主义运动。后来我按照他的理论又重新推导了一个新的剩余价值理论。

    现在的社会经济运行形态有新的变化,所以新的剩余价值理论要能够解释当前新的变化。例如,社会主义为什么要改革?资本主义为什么不灭亡?学生为什么会有上面提到的困惑?这些大大小小的问题,必须要有新的理论去加以解决。后来我思考了很长时间,写了一个新的公式。现代社会形态也需要有资本,不管这个资本是国家资本,还是资本家资本,或是个人资本,但首先要有资本;同时加上机器等各种各样的东西,加上工人的劳动,再加上科学技术就等于产品。产品进入流通后有了价值,最后产生剩余价值。

    这个公式说明这个阶段应该是科学技术和工人的劳动共同创造了剩余价值。这从马克思认为的单纯工人创造剩余价值,发展到工人和科学技术共同创造剩余价值。你现在怎么能分清楚,哪些剩余价值是工人的劳动创造的,哪些剩余价值又是科学技术创造的呢?可以不要工人的劳动,把工人的劳动都变成机器人的劳动。创造机器人也是一种科学技术,不要工人的状态下,科学技术可以独立创造剩余价值,现在看来显然是成立的。科学技术创造剩余价值这种形态是一定会存在的。所以在现阶段的社会,是由工人和科学技术共同创造了剩余价值。马克思预见的共产主义社会是什么社会呢?共产主义社会的形态一定是科学技术创造剩余价值,人退居到可有可无的位置。

    社会主义国家目前的情况并不能说明社会主义制度落后,资本主义国家的先进并不能说明资本主义制度是先进的。先进的科学技术延缓了资本主义的灭亡,先进的科学技术正是社会主义国家改革的目标,所以我们国家以科技创新立国是对的。我们国家设置的研究生制度是希望每个研究生应该向老师学习科技创新的本事,学习用科学技术来创造剩余价值。研究生的劳动是可替代的,老师的劳动是不可替代的,老师有科技创新能力,研究生要学习的是通过自己的学习形成不可替代的原始创新的本事,这是研究生的天职,而不是和老师计较剩余价值在哪里,剩余价值是老师和学生用科学技术共同劳动创造的。

    每次我给学生上课,我第一节课就讲马克思主义剩余价值理论,学生不要给老师算账,学生要好好学习。这是我教学生涯里面印象非常深刻的一件事,是学生提出的问题促使我来思考这个问题,后来我把这个问题写了一篇文章《论研究生的价值观教育》,发表在《瞭望》期刊上。文章论述了研究生的价值和普通劳动者的价值是什么。第一个观点是你应该创造的价值要高于你的消费价值,你有剩余价值,你才有价值。第二个观点是普通劳动者都有一个价值曲线。从你生命诞生的那一刻起就在消耗社会的价值,直到你能够劳动,才从消费者成为生产者。可以创造价值,但你并不是一个贡献者,你创造的剩余价值还没有把你前面的“账”还完,一直还到那个零点,你大概就三四十岁了,到那时候你才是社会的贡献者。普通劳动者到他生命一结束,他贡献的步伐也就结束了;一个研究生的价值在他生命结束之后,其所创造的科学技术仍然为这个世界在创造剩余价值,这就是科学家的价值、研究生的价值所在。一位杰出科学家的价值即使生命结束了,他的成果还在继续创造剩余价值。

    

    访谈组: 

    请您和我们分享一下深部岩土力学与地下工程国家重点实验室创建之初的情况。这个实验室对当时以及现在有哪些深远的影响和意义?可以简单概括一下实验室成立32年来的发展历史和主要成果吗?

    何满潮: 

    从1991年的岩土工程研究所,到2008年被国家认定为国家重点实验室,到2023年进行重组,实验室走过了32年的历程。成立的时候,我们国家能源开采事故太多,每年大概都有几千人伤亡。我们这个实验室在陈至达先生的大变形力学的支撑下及与李四光先生的地质学的两个学科的融合下,最后解决了煤矿的一些问题,从而减少了人员伤亡。

    从1991年开始的30年是奋斗创立深部岩土力学与地下工程国家重点实验室的30年。第一个10年,获得了4个部级奖;第二个10年,获得了4个国家奖;第三个10年,获得了4个国际奖。这些奖项说明不了什么,但是它们记载了我的人生理想,也记载了我无数次的苦思与失败,更记载了我有限次的成功和欢乐。奋斗的30年间,更值得我记住的是创建了一个国家重点实验室。我们根据近20年的现场实践经验和理论凝练,研发了23套岩石力学实验装备系统,形成了深部岩土力学与地下工程国家重点实验室的基本框架。

    截至目前,吸引了1名外国专家来实验室工作达10年之久,吸引了美国、加拿大、意大利等6个国家的专家来实验室开展实验工作,吸引了百名以上外国权威专家来实验室参观,还吸引了上千名国内专家、学者来实验室参观学习。实验室先后承担了10余项国家级重大科研项目,多次荣获国家级大奖,在中国、美国、日本及欧洲多国已授权发明专利300余项……如今,它已成为世界首屈一指的岩体工程力学研究平台,美国亚利桑那州立大学Kulatilake教授评价我们实验室是全世界顶尖级实验室;国际岩石力学与岩石工程学会软岩专委会首届主席Kanji教授认为2000年以后软岩的发展主要在中国,标志性成果之一就是我们实验室的成立并自主研发了系列软岩力学试验系统;国际岩石力学与岩石工程学会前主席Hudson教授评价我们实验室必将推动岩石力学研究迈向更高水平。2022年实验室也积极响应国家的号召,组织行业权威专家,积极参与全国重点实验室重组这一国家重大行动中,目前已顺利完成了申报答辩,相信实验室的重组将为实验室未来的飞速发展插上坚实的翅膀。以上这些都是全体师生和全体毕业校友共同奋斗的结果。

    我们实验室今后30年的使命,是在前30年的基础上完成力学和地质学两个学科的进一步融合和升华。胡克定律和牛顿定律之间是什么关系?从胡克定律到牛顿定律之间的这一段小变形,实际上是在非线性力学里面的,胡克定律是线性的,非线性力学里面包括了大变形、分岔和混沌,然后到破坏运动。非线性力学的分岔和混沌,怎么能够把它标志出来,能够在混沌之前去控制它,将是我们实验室的一个任务。

    如果说我们实验室前30年有什么贡献的话,那就是在煤炭领域提出了一个新的工法,彻底扭转了安全形势;在理论上是为从胡克定律到牛顿定律之间的非线性科学奠定了一个基础。而目前非线性力学的分岔问题和混沌问题,是数学、力学和计算机科学还不能逾越的一个难题,这是国内外的难题。我们实验室有可能在今后的30年里面解决这样一个难题。我们实验室今后的工作任重而道远。

    

    访谈组: 

    2013年您当选中国科学院院士后,仍坚持每年都要给本科生上课,奋斗在教学一线。您认为青年学子在人生的旅途中应树立怎样的价值观和追求?

    何满潮: 

    青年人是祖国的未来。希望青年人要好好学习马克思主义剩余价值理论,学习马克思作为一个真正的科学家的精神,能够用40年时间为社会做一件事情。树立正确的价值观,这个价值观就是践行国家和人民给予青年人的使命,用科技创新的才能为国家创造剩余价值,这个也是新时期青年应该追求的方向。你给社会创造巨大的剩余价值,你就有价值,否则你毫无价值。你追求价值的标准是:当你生命结束的时候,你所创造的科学技术仍然给这个社会在创造剩余价值。这是研究生应该具有的,也是他们区别于一个普通劳动者的根本标志。

    我深知,一个人的力量是薄弱的,要突破人生价值的极限,最有效的途径就是传承,把自己的知识、技能、经验毫无保留地传授给青年人,突破人生价值的极限。

    

    访谈组: 

    您创立的110工法和N00工法,在很多矿山进行应用并带来很好的效益。您能和我们分享一下110工法和N00工法从开始研究到推广应用的过程吗?

    何满潮: 

    110工法离不开历史上的每一个工法。最开始的工法是1706年英国人创造的121工法。钱鸣高院士贡献的砌体梁理论告诉我们煤柱为什么要留,而且要留足够大的煤柱才能安全。宋振骐院士贡献的传递岩梁理论证明不用留那么大,有个小的就行,他发现有低盈利区和高盈利区,煤柱可以比较小了,大约只有四五米就可以。实际上钱院士和宋院士的理论是一样的,属于121工法。

    21世纪初,我国的经济发展迅速,其背后最大的动力就是能源,而煤炭资源占比超过七成。我国的煤炭资源储量丰富,但当时在国际上的煤炭开采技术与安全保障技术是相对落后的,煤炭事故频发。不仅如此,我国煤炭的开采量与利用率也极低,煤矿的平均采出率不到50%,产煤量几乎与浪费量相等,存在着严重的资源浪费现象。

    一直到现在,我国煤矿应用最广泛的还是1706年起源于英国的121工法,即开采1个工作面、配套2条巷道、留设1个煤柱。在采煤的过程中需要提前掘进巷道,留设许多煤柱,导致很多煤炭资源无法开采出来,采矿之后形成的巨大矿压容易坍塌而压毁巷道,引起地表的沉陷,甚至威胁采矿工人的生命安全。

    面对采矿所面临的一系列难题,我带领团队开创性地提出了110工法和N00工法,从根本上解决了煤炭开采安全与资源利用问题,被誉为我国的“第三次矿业技术变革”。

    在开采煤矿的过程中,一改121工法的采煤方式,不需要掘进2条巷道,只需要打1条巷道,这就是110工法:1个工作面、1条巷道、0个煤柱。实际上,另一个通道依旧存在,但是这个通道利用采矿的压力自动成巷。在以往的采煤技术里,是利用煤柱去抵抗压力,而110工法是借力打力,利用矿压形成另一条巷道。这是一项颠覆性的技术工艺,也是110工法的诀窍所在。未来巷道支护的发展方向就是完全自动成巷,也就是N00工法。N00工法的设想是在开采一大片煤田的过程中,有N个工作面、0个巷道、0个煤柱,完全利用压力形成巷道。当前,我已经带领团队完成2G版N00工法的装备,3G版正在矿井做试验,未来还将有4G版、5G版,形成无人矿井开采。那将是煤炭系统发展最好的时代。目前,110工法和N00工法已在我国五大主要煤炭产区推广应用,影响产能约23.6亿吨,占全国总产能的63%。无煤柱自成巷110工法和N00工法,被业界誉为“第三次矿业技术变革”。

    

    访谈组: 

    您是否可以结合NPR新材料的超常特性和NPR锚杆(索)产品的应用优势,谈一下材料革命与工程革命的产生与意义呢?

    何满潮: 

    我国作为矿业大国,由于矿山开采引发的岩体大变形灾害始终高居不下,如露天矿开采滑坡、金属矿地下开采岩爆、煤矿巷道塌方和冲击等,由此造成大量的生命、财产损失,严重制约矿产资源的安全高效开发。同时,随着国家“一带一路”倡议的深入实施和西部大开发战略的新一轮推进,西部地区交通基础设施建设正在大规模兴起。受欧亚板块、印度板块和菲律宾海板块挤压影响,我国西部地区地形地貌起伏剧烈,地层岩性复杂多变,构造运动频繁,同时面临高海拔、高地应力、高地温和高渗压等复杂地质环境。因此,在西部地区深埋隧道建设过程中,必将面临围岩大变形难题,如岩爆、软岩大变形、突水突泥等灾害,严重制约地下工程安全高效建设和运营。

    研究表明,大多数岩体灾害都是由小变形发展到非线性大变形,进而导致灾害发生。现有工程性控制钢铁材料为具有泊松比(Poisson Ratio,简称PR)效应的材料,即受拉时发生颈缩变形从而破断的小变形材料,不适应致灾岩体的大变形特性而破断和功能失效,从而导致灾害发生。因此,深部工程大变形的破坏特性呼唤着大变形材料革命,研究能够忍受岩体大变形的控制材料、技术和方法,对于岩体大变形灾害控制至关重要。

    150多年前,法国力学家圣维南(1870年)提出了理想塑性材料的概念,之后米塞斯(1913年)、普拉格(1951年)等著名科学家相继对理想塑性进行了大量研究。他们的工作让人们认识了理想塑性材料具有忍受大变形而强度不下降的奇特性质。但是150多年以来,如何制作具有理想塑性特点的材料一直悬而未决。2004年,我提出猜想,高强理想塑性或高强准理想塑性材料可能是一种在受力拉伸时颈缩消失、具有负泊松比(Negative Poisson’s Ratio,简称NPR)效应的材料。经过10余年的不懈探索,终于研发出了一种新型材料,将两种材料混合在一起形成了一种特殊的结构,叫作NPR结构。应用此种结构制作的钢筋材料受力拉伸后会变粗,也就避免了受力断裂的风险。这也实现了150多年来对于研发理想塑性材料的追求目标,极大地推动了冶金与金属材料领域的学科发展。

    目前,NPR结构新材料已在工程中广泛应用,在矿山开采恶劣环境条件下,表现出良好的吸收能量能力及长期稳定性。在井工开采领域,通过NPR材料代替PR材料,形成了利用矿压自动成巷新技术,可以减少巷道掘进量约50%,实现了传统开采方法的技术变革。该技术应用覆盖了我国五大主要煤炭产区,影响产能约23.6亿吨,占全国总产能的63%。在深大露天开采领域,通过NPR锚索代替PR锚索,控制了滑坡发生,保证了安全生产。

    目前,该技术在全国已有700余处应用,并推广至水利边坡加固和活断层监测等领域。相关技术在煤炭和金属矿山、交通工程等行业广泛应用,取得了重大的经济和社会效益,引领和推动了相关领域的技术进步,为安全生产做出了突出贡献。同时,该项目研发的NPR结构新材料可推广应用于火箭相关的高强紧固件、汽车防撞系统的相关构件、防震抗震建筑构件制造以及活动性断层错动控制等领域,具有广阔的推广应用前景。

    一代材料会带来一代技术,一代技术会带来一代工程革命。材料革命的标志是消灭颈缩,工程破坏特性呼唤材料革命;材料革命必然会引起工程革命,同时材料革命和工程革命是国家级战略性创新平台的两大使命。

    

    访谈组: 

    您在这40多年的教学与科研过程中,肯定会有一些科研的瓶颈,这些瓶颈您是如何克服并且去解决的?

    何满潮: 

    这些现代科学存在的瓶颈,例如边坡稳定到边坡失稳的滑坡问题,稳定的隧道的塌方、岩爆等失稳问题,建筑物地震以后的安全问题等,实际上都是线性力学到非线性力学的分岔到混沌的过程,混沌就意味着破坏和运动。现代科学认为线性问题是可以解决的,接近线性的非线性问题是可以研究的,但是到分岔和混沌就是最大的瓶颈问题,从数学上、力学上、计算机科学上,国内外都遇到了强大的挑战。

    怎么克服这个困难,我们开辟了一个新的途径,就是我们用大变形的材料,尤其是用恒阻大变形的材料,一般到非线性以后它都非常复杂,我们到非线性以后变成一个简单线性材料的特性。所以我们创造发明NPR材料的目的不仅仅是工程,更重要的是科学,它解决了一个非线性科学根本没办法解决的问题。它是一个简单线性以后就变平了,用这么一个函数插入任何一个力学系统里面,然后变成一个复合函数,复合函数中任何一个复杂变动的关键点,在线性函数上都有所表现,从胡克过程到牛顿过程之间全给记录下来了。

    我虽然从科学上解决不了,但是我给了它一个解答。这个解答是一个物理解答,是一个材料解答,是一个恒阻大变形材料的解答,是用恒阻大变形材料解决了一个非线性科学的最难的问题,所以这也是我们遇到最大的瓶颈问题。

    

    访谈组: 

    您认为当代青年学子应具备怎样的科学素养?在新时代的伟大征程中如何为国家建功立业?请您对学校的青年学子提些寄语或者期待。

    何满潮: 

    当今中国处在世界百年未有之大变局的时代背景下,国际形势严峻复杂。广大师生要坚决拥护中国共产党的领导,在以习近平同志为核心的党中央的坚强领导下,爱党爱国,努力奉献。作为科技工作者,应学习贯彻党的二十大报告所指出的“必须坚持科技是第一生产力、人才是第一资源、创新是第一动力”的指示。不畏艰难险阻,破解“卡脖子”难题、关键技术攻关是这个时代赋予我们的使命。

    未来的剩余价值应该由高科技智能化来创造,由全体人民共同占有,而教师和学生作为科研攻关和科技创新的共同体,应努力提升科技创新本领,在实现个人人生价值的同时,也为社会创造更大的剩余价值。同学们应积极求索、奋发上进,怀着坚定的信仰在科学道路上坚持前进,努力练就科技创新的过硬本领,去创造新的科学技术、去创造剩余价值、去引领未来,以创新驱动发展,做对社会有价值、有用的人,为全面建成社会主义现代化强国、实现第二个百年奋斗目标贡献科技力量。

    特别鸣谢——何满潮院士对本稿的亲自审定和大力支持!

来  源/档案馆

本期编辑/王宏羽

责任编辑/王丽晔

何满潮
中国科学院院士