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做世界之最的创造者--记我校深部岩土力学与地下工程国家重点实验室
来源:办公室  浏览:4805


         世界矿井冻结表土深度纪录由它创建。

      世界上12个最深岩土工程中3个采用了它的技术。

      发明了综合机械化固体废弃物充填技术,实现人类百年煤矿充填技术的突破,为此,国际著名刊物  《Science》主动约稿,美国粘土矿物学会会刊封面发表文章。

      ……

      它就是深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,在进入国家重点实验室行列仅仅五年的时间里取得了一个个令人惊叹的成就。

      精彩的背后总有着不平凡的故事。

植根沃土,源远流长

      任何一颗大树都有植根的深厚土壤。

      中国矿业大学因煤而生,缘煤而兴,在这里,实验室有着强大的后盾。

      在我校,地下矿产开采研究源远流长。学校很早就成立了岩石力学与岩层控制中心等科研机构。钱鸣高院士在采场矿山压力研究方面形成了系统全面的学说,他提出的采场上覆岩层的“彻体梁理论”为国内外所公认。崔广心教授在矿井建设领域形成了完整的理论体系,提出了井壁附加力理论、深土冻土力学理论,形成了特殊地层条件竖井井壁破坏机理及防治技术。此外,冻结法凿井技术、充填开采技术等在我校一直有着深厚的科研基础。

      对此,实验室副主任周国庆教授深有感触。

      他介绍:“在我校,实验室有着完整的学科群背景,与实验室密切相关的学科有岩土工程、工程力学国家重点学科,防灾减灾工程及防护工程、地球探测与信息技术等省部级重点学科,更为重要的是有学校整个采矿的大学科背景作为支撑,没有这些,我们当初申报国家重点实验室就不会成功。”

      虽然距离实验室的申报已经7年多时间了,他依然清晰地记得申报时的情景。

      他回忆道,当时和我校同时申报竞争的都是实力雄厚的高校或科研机构,而我们并没有像现在这样一个单独完整的实验大楼,最初教育部专家组来校考察时,有岩石力学与岩层控制、地下工程与结构两个部级重点实验室作为主要部分,还有其他实验室作为支撑,专家为了考察整个实验室,在文昌校区内转了一大圈。科技部终审时,我们的实验大楼还没改造完成,向专家们介绍主要通过展板的方式进行。之所以能申报成功,是因为我们拥有尽管相对分散,但已形成完整学科链的实验室体系。

      他说,实验室的创建与发展必须感谢学校。想想当年能走出一条路子来,真的很不容易。当然也是因为集聚了江苏省、徐州市及全校之力,不少学院都参与了申报,江苏省及徐州市、学校的领导都参加了当时终审现场考察。现在学校在南湖投资8000余万元新建20000平方米实验中心大楼,在全国很少有这样的实验、办公条件,还给予了“相对独立”的人、财、物管理权限,为实验研究人员专门增设了研究员职称系列。这些都为实验室快速发展奠定了物质和制度基础。


瞄准需求,迎难而上

      凡事预则立,不预则废。

      实验室获得批准了,建设一个怎样的实验室,怎样建设这个实验室?大家都在思考探索着。

      2008年的2月18日,春寒料峭,还没开学,在一个小会议室,实验室所有骨干成员都已到齐。“没有大的会议室,人数太多,我们是站着开的会,大家只谈‘干什么、怎么干’两个问题。”实验室办公室主任李亭回忆说。

      “其实国家重点实验室功能是明确的,一是进行基础科学研究,二是作为国际交流合作平台,三是培养国际化高层次基础科学研究人才。我们之所以还要开会深入讨论凝练方向,目的是统一思想。只要大家对实验室的发展思想统一、认识一致,然后分工协作、各个突破,就能无往而不胜。”实验室主任缪协兴说。

      经过讨论,大家一致认定实验室的发展要结合国家与行业的需求,并瞄准国际前沿。

      缪协兴教授介绍,目前,我国已经有47处千米深井,最大开采深度已达到1501米,中东部矿区以每年10米至25米的速度向深部延伸。深部煤炭资源开采往往面临着系列难题:煤层埋藏深、瓦斯含量大、高地应力、冲击矿压、地温高、矿井突水等。

      缪协兴教授分析:“深部资源开发与地下工程已成为国家战略的需求。煤炭开发正面临深部化、西部化、大型化的发展趋势。特别是随着深部化的发展,许多新的前瞻性基础科学问题开始出现,而破解这些科学和技术难题,提高深部煤炭开采水平正成为我国矿业领域面临的重大课题,甚至成为保障我国能源安全的必然战略选择。”

      他还以煤矿充填采煤技术为例讲述了基础科学研究在目前煤炭开采中的重要性。

      他说,上天难入地更难,地球内部还有着太多的奥秘需要探索,许多看似简单的煤矿工程其实有着深厚的科学基础。比如煤矿充填采煤技术,说的简单点就是把煤炭开采出来,用其他固体物充填进去,支撑着地面不塌陷,以确保地面不受影响。但这个看似简单的问题其实包含着复杂的科学问题。之前人类已经进行了上百年的研究,但一直没有找到太好的解决办法。

      他介绍:这首先需要解决的是基础科学问题,需要掌握岩层运动理论及规律,只有掌握岩层运动规律,才可能知道如果不填充的时候岩层运动是什么样子,充填以后岩层又是什么样子,多厚的覆岩会有多大应力,充填的密实度应该达到多少,太大了做起来成本太高,太小了又不能保证地面控制效果,这些都是科学问题,还有更多机械技术问题涉及面就更广了。解决了科学问题只是第一步,还要考虑实际的工程应用问题,这里面有三个基本要求:要保证安全、高效采出煤炭,要严格控制岩层运动与地表沉陷,还要有显著的经济和社会效益。煤矿的很多技术不是实验室模拟就可以的,动辄就是几百万上千万元的投入,如果计算不好,就会满盘皆输。

      为了准确定位,实验室还邀请了国内外这方面的顶级专家,组成了学术委员会对实验室的发展规划进行了多次研讨,最终将自身定位于围绕国家深部煤炭资源开发与重大地下工程建设,开展基础与应用基础研究。目标为构建创新型、开放式、高水平系统研究平台,吸引造就优秀科学家和高层次创新人才,研究深部岩土力学与地下工程领域重大科学理论和关键技术难题,为开发深部资源及地下空间提供理论支持和关键技术保障。

      后来,围绕具体科学问题,经过多次的提炼,实验室最终提出了竖向深入、横向穿越、层向控稳的三个发展方向。

      竖向深入即揭示深部土与冻土渐进破坏机理,建立全新的水热耦合分离冻胀理论模型,创新深厚表土层中冻结壁和井壁设计理论,开发内层可缩井壁技术,并在煤矿和非煤矿山广泛推广应用。横向穿越即研究深部岩体非线性物理力学特性,揭示灾变机理,发明恒阻大变形控制技术,揭示深部高温高湿岩体软化大变形和热害机理,发明新型深井降温技术,建立现场工程实验室。层向控稳即建立采动岩体破坏移动控制理论,提出控制采动岩体“结构关键层”和“隔水关键层”稳定原理,发明综合机械化固体废弃物充填技术,并广泛推广应用。

科技创新,大显身手

      谋事先谋势,谋定而后动。

      思想统一了,定位清晰了,接下来就是埋头苦干。但知易行难。我国煤炭复杂的赋存条件决定了矿大人需要负重前行。

      据了解,我国中东部地区需要大量的煤炭,然而经过多年的开采,这些地方埋藏较浅的煤炭资源日渐减少,“三下”压煤(建筑物、铁路和水体下压煤)与深部煤炭比例日益上升,埋深1000米以下的资源已经占预测总量的65%以上。这些煤炭开采面临着更为棘手的技术问题。

      怎么办?国际上没有完全可以借鉴的经验。

      “必须从基础理论研究开始,一步步,稳扎稳打,形成自己完全独立的科学与技术体系”,实验室达成了高度共识。

      比如,穿过400-800米的深厚表土层,矿井的“深部化”使井筒受到的水压和地压大大增加,在这种复杂的条件下,易出现涌土、水土喷涌现象,用常规的建井技术已经不可能,超深厚表土井筒工程建设成为了深部煤炭资源开发的瓶颈。

      经过数次试验,实验室揭示了深部土与冻土渐进破坏机理,建立了全新的水热耦合分离冻胀理论模型,攻克了“600m特厚表土层冻结法凿井关键技术”,首次建立了特厚表土层冻结壁和冻结井壁设计计算体系,首次研发并应用了特厚表土层冻结法凿井施工多项关键工艺。该技术荣获国家科技进步二等奖,专家鉴定结论为“达到了国际领先水平,具有广泛的推广应用前景”。

      项目负责人杨维好介绍,该技术已经成功应用于工程,先后创造了冻结法凿井穿过表土厚度首次突破400m、首次突破500m和创造587.5m(郭屯煤矿主井)及675.6m (龙固煤矿北风井)的世界纪录。

      除了攻克深部凿井技术难题,实验室还把一个困扰采矿人百余年的问题摆到了自己面前,那就是开采“三下”压煤必需的采动岩层稳定性控制理论与充填开采技术,他们决定啃下这个“硬骨头”。

      靠着顽强的毅力,牺牲了无数个休息日,吃住在现场,缪协兴和他的团队拿下了这一项目,建立了采动岩体破坏移动控制理论,提出控制采动岩体“结构关键层”和“隔水关键层”稳定原理,发明了综合机械化固体废弃物充填技术。

      缪协兴教授介绍,综合机械化固体废弃物充填采煤技术从采煤方法、工艺到装备都形成了自己独立完整的技术体系,国家授权发明专利达到20余项,形成了国家的行业标准,是我校的重大创新成果,同时推广到印度等多个国家。

      他解释:这项技术能在采煤的同时,把矿区固体废弃物(包括矸石、粉煤灰、建筑垃圾、黄土、风积沙等)直接充填采空区用于安全高效回收煤矿“三下”压煤及房柱开采遗留的煤柱,既提高了煤炭资源采出率,又循环利用了矿区固体废弃物,保护了矿区生态环境和土地资源,社会效益往往大于经济效益。

      对此技术,德国鲁尔集团总裁、亚琛工业大学教授Junker博士一直不敢相信,他亲自随缪协兴赴山东省济宁市花园煤矿考察。他表示,“这是我至今所知道和看到的最好的充填采煤技术,它克服了我们开发风力充填技术时无法解决的许多问题。”

      2012年,这项技术获得国家技术发明二等奖,目前已经在全国几十个煤矿推广应用,产生巨大经济和社会效益。同时,该技术的理论研究成果发表在《Science》,还被列入《国家自然科学基金资助项目优秀成果选编(五)》。

      此外,实验室还研究了深部岩体非线性物理力学特性,揭示了灾变机理,发明了恒阻大变形控制技术,揭示了深部高温高湿岩体软化大变形和热害机理,发明了新型深井降温技术,建立了现场工程实验室,其中,深部巷道围岩稳定控制技术成果已经在徐州、淮南、淮北、淄博等地的深井大型矿区推广应用,节省支护成本所取得的经济效益达到100亿元。


团队建设 凸显特色

      人本、学术、包容、规范,这是实验室的管理理念。

      想事、谋事、干事、成事,这是实验室的管理目标。

      缪协兴对队伍要求严格:要么不干,要干就干好。如果由于个人原因工作没做好,这位文质彬彬、略显清瘦的大学教授会批评人批评到令人受不了。他说,我们背负的是国家的责任,我们承担着几百万矿工兄弟的期待。

      虽然要求严格,行业艰苦,但大家还是愿意在大团队。

      “这里充分尊重个人意愿,有学术自由。”曾在法国巴黎综合理工大学做过访问研究的青年教师杨圣奇说。

      与传统的管理体制不同的是,实验室创建了“以团队为核心”的管理体系,8个团队像是一个个独立的“法人”。

      缪协兴说:“每个团队都具有承担研究任务、建设运行平台、负责人才培养、组织学术交流等职能,并且这些都作为基本的考核单元。实验室的资源配置、经费使用、采购计划、人才引进和培养等都是根据团队的研究特色、工作绩效等进行规划。”

      与一般的考核不同,实验室采取的是“团队刚性指标、人员柔性考核”,实验室是以团队进行总结和考核,对个人不设定硬性指标。这样一种自由和宽松的环境,能够充分发挥个人的特长,年轻学术骨干得到了充分关怀与快速成长。

      团队负责人靖洪文说:“每个人的特长都不一样,我们中有些动手能力比较强,善于做模拟实验,有些人基础能力比较强,善于写论文、分析计算,还有些更适合跑现场等。然而,我们的成果不仅仅需要在实验室里面发现,还需要进一步从工程实践中进行验证,并通过技术进行创新。所以,我们会根据实验室发展战略,结合个人优势与特长,尽可能地把人放在最合适的工作岗位,最大限度地调动各类人才的积极性,营造‘创业有机会、干事有舞台、发展有空间’的氛围。”

      实验室青年教师浦海表示,“没有非常硬性的指标,我们的急功近利和浮躁心少了。在国外进修培训时,也无需担忧如何应付教学工作、考核任务了。但我们却更忙、更充实了,因为认定的目标可以坚定地做下去,很多成果都是随着科学研究自然而然地产生。”

      为了让年轻人尽快成长,近年来实验室还选派23位青年学者或博士到国(境)外培养,并在收入上向年轻人倾斜,让他们没有后顾之忧。

      正是在这样的环境中,实验室一大批人才脱颖而出。近年来,实验室有7人入选教育部新世纪优秀人才支持计划,1人获得江苏省有突出贡献中青年专家称号,1人入选江苏省“333高层次人才培养工程”中青年首席科学家,2人入选江苏省“333高层次人才培养工程”中青年科技领军人才,1人获得江苏省“六大人才高峰”高层次人才项目资助,1人入选江苏省“青蓝工程”中青年学术带头人。浦海还成为学校首位国家优秀青年科学基金资助者。

      此外,实验室营造了宽松、和谐而又富有创新的学术环境。实验室定期开展各种学术活动,设立开放基金,注重引进国际著名学术大师。实验室于2012年全职引进了美国工程院院士、西弗吉利亚大学Syd S.Peng教授。实验室充分利用Syd S.Peng教授的学术水平和学术影响力,组建了研究团队,制订了与实验室建设和发展目标密切相关的研究方向。

      实验室还建立了海外知名学者工作团队。特别是利用“国家高等学校学科创新引智计划”和“国家引进海外高层次文教专家重点支持计划”,建立了包括国际岩石力学学会原副主席、葡萄牙波尔图大学Luis Sousa教授,国际环境岩土工程协会、国际减灾联盟主席、美国北卡罗来纳大学Hilary I.Inyang教授,英国皇家工程院院士、诺丁汉大学Yu Hai-Sui教授等在内的实验室高水平外专工作团队,形成了一个高层次的合作与交流网络。

结语

      厚德载物,天道酬勤。

      通过不懈努力,实验室交上了一份令大家满意的答卷。

      近五年,这个70多人的团队承担了国家“973”计划、国家“863”计划、国家科技支撑计划等科研项目、自然科学基金重点项目,项目经费超过2亿元;荣获国家技术发明奖、科技进步奖等7项,省部级科技奖49项;发表SCI收录论文128篇、EI收录论文647篇;出版著作33部;国内外授权发明专利83项,获得软件著作权8项,组织编写国家行业标准17项……

      “任重而道远、风雨兼程、厚积薄发、生生不息。”面对成绩,作为领头羊的缪协兴却把眼光投向未来。

      “虽然实验室研究面向深部恶劣环境和艰苦行业,建设主体在非中心城市,存在人才引进和稳定等诸多实际困难,但矿大人从来没有停止过前进的脚步。” 实验室全体成员一致表示。

      让我们期待这个优秀的团队下一个五年的辉煌。

 

---------转自中国矿业大学新闻网


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