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钱鸣高:为办成世界一流采矿学科而奋斗
发布时间:2017-12-07

  钱鸣高院士是我国矿山压力和岩层控制学科的奠基者。他数十年如一日地潜心科研,在上覆岩层活动规律与采场岩层控制理论研究方向形成了自己的体系和学派。他提出的“绿色采矿”、“科学采矿”、“资源经济”等科学思想在国内外产生了广泛深刻影响。这些成就的取得,源于他对煤炭事业的热爱,基于他对国家对民族的责任担当。正是这种爱与责任,支撑起煤炭行业砥砺前行的光辉伟业。

  我国从“站起来”到“富起来”的历史进程中,煤炭行业做出了奠基性的不可磨灭的贡献,在“强起来”的新时代,更将发挥基础性的不可替代的作用。党的十九大报告提出:“加快一流大学和一流学科建设,实现高等教育内涵式发展”。中国矿业大学作为我国矿业和安全领域人才培养和科技创新的重要基地,要深入学习贯彻党的十九大精神,不忘初心,担负起时代赋予的光荣使命,为建设富强民主文明和谐美丽的社会主义现代化强国贡献力量。
  钱院士在耄耋之年依然关注着煤炭科技的进步,关心着青年一代的成长,使我深为感动。我们要积极创造充满生机和活力的人才成长环境,将高素质师资队伍建设作为落实立德树人根本任务和推进“双一流”建设等战略任务的关键支点,创新人才培养机制,全面提高人才培养能力,实现学校内涵发展。在此,特向广大师生推荐钱院士一篇近作,共同学习,以期钱院士的爱校情怀进一步发扬光大。
  ——校长杨仁树


  为办成世界一流采矿学科而奋斗

                                                     ——我的科研经历和感悟

  近期大家都在讨论一流学科建设,我总结了我一生做学问的过程和感悟,希望对矿大一流学科建设有所启发和帮助,也算是尽我的微薄之力吧。所提到的感悟可能不一定合适,仅供大家参考。我的心愿是,希望为之奋斗一生的煤炭和教育事业能得到社会和国际上的认可。
  一、我的科研经历
  1954年我从东北工学院(现称东北大学)毕业,而后分配为北京矿业学院研究生,从此开始了一生的科研工作。在上世纪50年代的一次小型会议上,吴子牧院长(早年留学法国,回国后参加革命,去过延安,是老干部)、向余力(留苏归来的副博士)提出将来应该形成我们自己的学派,对我的影响很深,我一直铭记在心。
  当时认为采煤的学问在矿山压力,我的科研工作也聚焦于此。然而,从哪里入手,虽一直在思考却不得要领,前人可供参考的文献又很少,因此常常处于苦恼之中,更多地只能是在井下观察、搞测定。当然由于经常下井,观察到了很多现象。问题的开始就是工作面冒顶事故不断,迫使我不断思考工作面矿压形成的原因究竟是什么。在不断的观测中,受到周期来压现象的启发,我发现问题的关键在于层状老顶破断成块状后,其运动有一定的规律性,因此有可能形成承载结构,而此结构形态的改变将表现为工作面矿山压力。事实上很多学者已经注意到这个问题,当时也有一些假说,如最初的梁、拱假说,而后发展到铰接岩块假说,虽然各自解释了一定的现象,但都没有完整的力学模型。到1962年,组织上让我指导研究生(国内煤炭系统第一次自行指导),题目就是“采场上覆岩层活动规律”,但这篇论文仍然没有圆满地解决这个问题。
  随之而来的是一系列政治运动和文化大革命,学校搬迁四川,这项研究工作无形中停顿了,但我的思维没有停顿。在这一段时间,尤其是1972年引进英国的液压支架时,对工作面支架阻力的确定争论比较大。由此,老顶破断后岩块相互限制形成的结构问题又提到日程上来。一次偶然的机会(也是由于不断实践和长期思索的结果),我把坚硬岩块视为构件单元,用结构力学方法获得了老顶破断岩块相互铰接形成结构的力学模型的解,并确定了其稳定条件。该模型解和稳定条件使得工作面各种来压现象(顶板大变形和台阶下沉等)和支护原理得到了合理、充分的解释。
  1978年,该模型在孔庄煤矿实测中得到了验证。由于生产需要,孔庄煤矿希望采用先采下层煤而后再采上层煤(煤层间距20m左右)的开采方案,这就提出了上层煤是否会被下煤层开采所破坏的问题。由于当时思路已经打开,也即相对坚硬的砂岩破断后因铰接作用可以像砌体一样重新排列整齐,因此我认为上行开采是可行的,并在矿井进行了上行开采试验,取得圆满成功。在这期间还进行了大量的现场测定,得到了块体运动的全部信息。至此,证实了砌体梁模型的成立。
  1982年,我去英国Newcastle参加岩层力学国际会议,在大会上报告我的研究成果,题目就是“采场上覆岩层活动规律”。英国人是表面上的“谦谦君子”,内心却认为中国落后贫穷,得向他们学习。但在这次会议上,我的报告得到了认可,当时主持人认为在这个领域我是引领者(可能是出于客气),之后我的文章被他们引用,会议组织者I.W.Farmer教授告诉我我的文章他的研究生都看了。由此研究工作得到了质的突破,达到豁然开朗的境地。经过1981-1987年间国内多次召开的矿山压力理论与实践讨论会,该模型也得到了大家的普遍认可。此后,“采场上覆岩层活动规律”模型被记录在中国大百科全书“矿冶卷”的“长壁工作面地压”条目,还被国际着名采矿学者A.K.Ghose称之为“鸣高模型”,同时获得了煤炭系统第一个国家自然科学奖。
  采矿是使岩体由稳定到破坏,因此矿山“岩体力学”大部分表现为岩体破断后的力学效应。砌体梁力学模型建立后,使得矿山压力研究必须聚焦于上覆岩层的破断规律。也就是说,采场上覆岩层运动是块体运动,而此块体运动就形成了采场矿山压力的“非连续性和大变形”规则。为此,采场的支护必须可缩,在可缩中保持岩体的稳定。鉴于覆岩呈块体运动,必须研究坚硬岩层如何随着工作面推移出现破断,以及破断块体的形状,由此发展到研究老顶呈“板”状的破断规律,以及破断时的力学扰动。进一步将岩层运动研究由采场拓展到整个覆岩,提出了“关键层”理论,据此得到了岩层移动过程中形成的裂隙分布,最突出的就是“O”形圈规律,为抽采瓦斯提供了依据。关键层理论表明,开采后上覆岩层运动对地表的影响,事实上是块体和散体运动的综合反应。显然其研究成果使原本为两门学科的矿山压力与岩层移动得到统一。
  在这一过程中,我的体会有以下几点:
  (1)要了解问题的主攻方向。
  (2)要了解该领域的研究成果及存在的问题。
  (3)加强实践,不断观察出现的现象。事实上,创新是突破原有知识与思维方法在解决实际问题中碰撞出来的火花。
  二、关于煤炭开采的科学系统研究
  近十几年,由于国家对能源的需求,煤炭得到大规模开发。为此,煤炭为国民经济发展作出了重要贡献,行业本身也是竭尽了全力,但社会却对行业的责难很多。经过长期思索,我认为是行业突出的负外部性影响了社会。因此,我在多个场合谈到行业的“贡献和责难”。贡献是明显的,没有煤炭就没有钢铁和水泥,因此也谈不上大规模的建设。但煤炭的开采和利用对环境的影响也是显而易见的,再加上行业的不安全性,这些导致了行业影响和社会地位低下。至今采矿学科仍然不是能够汇聚人才的学科,导致学采矿的年轻人自尊心和自信心不强。显然,煤炭行业的健康发展存在问题。针对这一问题,我的思考是:人类的万物来自于大自然,经过使用后又回归大自然。因此,“获取-使用-回归”是人类与大自然相互关系的三大学问。在这一过程中,人类对使用特别感兴趣,因为它直接与自身的利益有关,为此市场经济在使用领域发挥到极致。而获取与回归却与我们赖以生存的地球环境有关,而环境在市场经济中又难以用价格来表述,由此导致市场失灵。这期间善待地球、善待环境就是善待人类自己。因此,人类不能只研究使用而不注意“获取与回归”对环境的影响。
  采矿是粗放而又艰苦的行业,入地比上天更难,由于难又不被重视因而成为粗放,越是粗放的行业越是没有被开垦的处女地。由于行业艰苦而又为社会所必须,因此行业必须保证安全、机械化和智能化,用人要少而精,待遇要高,要有社会地位。近年来,由于国家需要利用了大量煤炭,为国民经济作出了贡献,但超过了环境容量,破坏了环境,而且安全事故不断。这些在企业成本中又难以体现,形成了行业的负外部性,由此导致社会的抱怨与责难。同时,市场经济引起的消费波动,常常会使煤炭经济掉入“冰窟窿”。这方面固然有国家政策等方面的原因,更多的是由于行业本身缺乏防备和相关预测研究。鉴于此,我从2003年开始就呼吁要研究“绿色采矿”“科学采矿”和“资源经济”。搞清楚这些学问从而使煤炭工业得以健康发展。
  1.关于绿色采矿
  进入21世纪,由于国民经济快速发展,煤炭产量由近十亿吨很快发展到25亿吨,而后发展到40亿吨,接近全世界产量的40-50%。如此大规模的开采,加之矸石排放,必然对水资源、土地以及区域环境带来严重影响。所有这些都与采动后的岩层运动,尤其是裂隙场的形成密切相关。鉴于此,我和我的研究集体提出了以控制“关键层”为基础的煤矿“绿色开采技术”,包括煤与瓦斯共采、保水开采、控制地表沉陷、矸石减排等。绿色开采提出后在国内外引起了很大反响,上述技术尤其是各种充填开采技术在煤炭系统得到大力发展,充填采煤技术方法百花齐放。在国际上由于我们第一次提出绿色开采,着名的采矿专家A.K.Ghose专门作了评论:“绿色开采不仅仅是一个新的术语,同时还试图对煤矿开采及其对环境的多种影响的整体认识引入一个统一的概念。本刊被授权在本期发表由中国矿业大学钱鸣高院士、许家林教授以及他们的合作者完成的一篇带有方向性的有关绿色开采技术的论文。这篇论文是相当重要的,因为首次提出了如何利用绿色开采技术来最大限度地减轻煤矿开采引起的诸多负面影响。”“煤矿开采及其伴随的对周围环境的影响是多种多样的。除了下沉损害和土地损失,它还影响当今一个很关键的资源——地下水。具有同等重要地位的另两个问题是合乎环境要求的矸石处理方式以及煤层瓦斯的优化利用。中国专家在绿色开采技术方面的创新性发展是基于‘关键层’理论的。关键层理论巧妙地把岩层移动和上覆断裂岩层中瓦斯和水的渗流和流动结合在一起。他们同样还促进了一系列技术的发展,比如利用采空区充填、条带开采和覆岩离层注浆充填等方法来保护地表建筑。这些技术为减少采矿对环境的破坏提供了方向,有望改变煤矿开采作为环境掠夺者的面貌。本刊对作者提出的具有重大前景的绿色开采的创新概念表示赞赏!”
  2.关于科学采矿
  随着科学发展观和低碳经济的提出,煤炭作为主体能源的地位必然受到质疑。但是,目前其他可替代的能源尤其是可再生能源还没有形成规模,煤炭在近期内还将大量使用。因此,必须首先解决煤炭利用对环境的影响,使其在环境容量范围内利用,而发展洁净煤和二氧化碳的处理技术是当务之急。煤炭是自然森林经过巨大的自然物理化学过程形成的自然资源,地球只给予一次,属于不可再生性的可耗竭、稀缺性自然资源,需要特别珍惜。煤炭开采不仅在环境上有负外部性,而且由于煤矿井下作业环境和开采期间地应力的多变及由其引起的煤、岩和瓦斯的动力事故难以预测,因此在这些问题没有解决以前,煤炭开采业是属于本质不安全的高危行业。矿工的劳动是神圣而伟大,他们点燃了自己照亮了别人。我始终记得大学入学时的一句话“ШАХΤёРПЕРВЫЙВСЕГДA!”(矿工始终是第一位的)。由于煤炭开发和利用形成环境和安全的负外部性,再加上经济管理不当,因此在煤炭作为主体能源为国家经济发展作出贡献的同时也受到社会的责难。为此随着国家经济状况的改善,以人为本是必然的理念,煤炭开采应该从高危行业名单中消除。因此,在多次报告会上,我一再提出:珍惜资源、发展机械化和智能化、保护环境和保证工人安全的“科学采矿”必须得到发展。“科学采煤”在英文中是以“SustainableCoalMining”表示,它意味着环境容量和安全保障。科学采矿同样在行业内引起强烈反响。当时煤炭经济形势较好,大力发展了充填技术和复垦技术,有的学者还制定了科学产能以及煤矿开采科学性的评分标准,为各种条件下科学采矿提供了方向。同时,也提出了资源应该实现在环境容量内的科学利用。这事实上也是煤炭科技“由大变强”的必由之路,也是煤炭学科的发展方向。应该说,上述思路对煤炭行业的健康发展提出了方向性的意见。
  3.资源经济问题
  资源经济的研究还是很不够。一个行业经济上不去,如何吸引人才?由于煤炭行业的特殊性,很难适应市场经济的波动,至今国内还没有一个资源城市有效地转型为经济城市,而先进国家已经没有资源城市。市场经济是企业家的经济,企业家的行为很大程度上决定了行业能否健康发展,但当前,煤炭企业家的责任仍不十分明确。在市场经济条件下资源与企业利润如何管理?这些问题都值得行业去研究,并提供政府决策。
  三、我未竟的事业
  我们国家是个大国,地质条件多样。因此在复杂生产的同时应该如吴子牧院长说的那样形成我们在这一领域的学派,形成我们的体系。这也是转变为煤炭强国必须进行的工作。
  1.关于岩层控制和岩层移动
  我在上覆岩层活动规律与采场岩层控制理论研究方向初步形成了自己的体系,并在该领域初步形成了自己的学派。尽管如此,形成完整的“采场岩层控制理论”仍然存在很多研究工作有待完善和发展,缺少的是:老顶在某些条件下(如浅部开采)呈现为厚板时的破断规律以及由此形成的矿山压力特点,此时岩块的断裂面可能难以形成铰接关系;其次是基于岩层移动的地表沉陷机理与预计,我国地域广阔,因此开采形成的地表沉陷现象有很大差别,以前的估算是采用统计数学的办法,但沉陷实质上是力学问题,是块体运动和散体运动综合的结果,而在我国绝不是用一种模式可以解释清楚。可能解决的方向是研究关键层的稳定和破坏规律;还有就是采区巷道的“大变形”原理和控制方法至今实践很多而机理仍然是空白,当然将来还要发展到深部问题。
  2.关于完整的“采煤学”
  学科发展需要培养人才,更需要培养带头人。过去采矿的教育仅仅讲授如何出煤,且主要讲系统和工艺,对保护环境和环境容量与行业的经济规律(实质上就是绿色采矿和科学采矿)都没有介绍。因此,应出版完整的“采煤学”,让采矿工程专业毕业的学生具有驾驭技术、环境保护和经济规律的能力,成为真正的采矿人才。
  四、我的感悟
  1.科研感悟
  在科研过程中,我体会对事业要精于“勤”:要勤于学习、勤于实践、勤于思考和勤于总结,只有踏踏实实地完成这样的循环才能做出真正的成果。在研究过程中要不断反思“整体-局部”“森林-树木”“现象-本质”的关系,这样可以注意到问题的边界条件,可以少走弯路,避免钻牛角尖。在这一点上艺术与科学是相通的,正如王国维形容的三种境界:“昨夜西风凋碧树。独上高楼,望尽天涯路”“衣带渐宽终不悔,为伊消得人憔悴”和“众里寻她千百度,蓦然回首,那人却在灯火阑珊处”。他描写了做学问的艰难和成功的喜悦。
  2.关于人才
  社会发展需要竞争,竞争是激烈的又是必须的。有时自以为“周围”的人了解你,认为“胜利必得”。其实更大范围的人并不了解你,因此失败又是必然的。失败时不要气馁,要检查自己,要坚持再等待机会,最后社会会理解你。
  古语道“千里马常有,而伯乐不常有”,说明人才的培养还与管理者密切相关。一开始认为学科的外行领导内行有缺陷,但事实上不知晓具体科学技术不等于不懂科学发展规律,这样的所谓“外行”领导在业务上与教授们没有冲突,而且容易看出他们之间的矛盾所在,并去解决它。因此,只要掌控了学科的基本规律,知道学科的科学技术内涵,并善于倾听意见,外行也能做好伯乐,同样可以把学科搞好。内行了解学科的规律,若出于公心,他们的确可以成为好领导。反之,若他们眼光狭隘,从自己小的研究领域利益出发去领导学科发展,也可能会埋没“千里马”,这样也有可能阻碍整体学科的发展。显然,进步的社会应该有“伯乐群”,尤其在领导岗位上时,更应该当好伯乐,使自己领导的学科健康地发展起来。
  一个人的精力是有限的,而集体的力量是无限的,我虽然在有些方面形成了思路,但由于人生苦短,工作不可能全部完成,必然要后继有人。若方向正确就要让年轻人继续下去,这是历史发展的必然。当然由于我认识的片面性,也希望年轻人以批判的眼光去继承和发扬。为此,我在八十岁时写下了以下一段话:“60年的时间,弹指一挥间。怎样利用这有限的人生,能够使科学研究以最高的效率,像接力一样达到科学的顶峰,造福于人类”。事实上,这中间还有不少生产关系问题需要解决。我建议有关领导,应该像吴子牧院长那样高瞻远瞩有远见。特别像我们这样的大国,煤炭产量遥遥领先,是人家的好几倍,而且地质条件又有很大差别,必须要做强。必须不断总结,在理论和实践上都应该有自己独到的认识。为此,在行业的理论与实践方面如何做以及达到什么样的成效,都应该做到心中有数。另外,要不断地发现人才,团结他们,真正做到“尊重知识、尊重人才”。召开国际会议应该有自己的观点,不能成为别人的讲台。要鼓励出“既见树木又见森林”般的大成果。院士制度的建立是为了发展生产力,同样也是为了形成我们自己的学派和在国际上的学术地位。
  科学家的文化修养应该是服从真理,对的就是对的,要坚持,而错的就应该承认是错的。更不能有嫉妒心理,要海纳百川,国家和民族的尊严和利益高于一切。而有关领导,应该关心知识分子,尤其是潜在的“千里马”,要关心他们的生活和健康,关心他们工作的进展。人无完人,那些有才能的人也会有不少缺点,因此应该帮助他们团结起来,处理好相互间的关系,这样才能形成有国际影响的科技成果,从而使矿业大学的采矿能达到并不断保持一流学科的地位。
  文字/钱鸣高
  本期编辑/李昕沿



来源:中国矿业大学北京
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