蔡美峰院士主要學(xué)術(shù)成就和學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)

供稿|任奮華 / REN Fen-hua

蔡美峰院士主要學(xué)術(shù)成就和學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)

Academic Achievement of Cai Meifeng , the Fellow of CAE

供稿|任奮華 / REN Fen-hua

■ 發(fā)明了一種完全溫度補(bǔ)償?shù)牡貞?yīng)力測(cè)量方法和裝置，提出了符合工程巖體特性的地應(yīng)力測(cè)量分析理論與計(jì)算方法，推進(jìn)了我國礦山地應(yīng)力測(cè)量的開展、普及與提高，為實(shí)現(xiàn)科學(xué)采礦創(chuàng)造了必要條件。

地應(yīng)力測(cè)量難度大、成本高，致使我國礦山地應(yīng)力測(cè)量開展少、資料缺乏，嚴(yán)重制約了采礦工程技術(shù)水平的提高。要改變這種狀況，就必須開發(fā)低成本、高效率、高精度的測(cè)量技術(shù)與裝置。為此，蔡美峰從上世紀(jì)80年代留學(xué)澳大利亞起的很長一段時(shí)間內(nèi)，主攻地應(yīng)力測(cè)量技術(shù)，并將最適用于礦山的應(yīng)力解除法作為研究重點(diǎn)。通過在澳大利亞5年多系統(tǒng)試驗(yàn)研究和回國后的繼續(xù)研究與工程實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)了影響其測(cè)量精度的兩個(gè)關(guān)鍵問題：一是測(cè)量元件電阻應(yīng)變片對(duì)溫度變化非常敏感，變化1℃就可引起測(cè)量結(jié)果很大誤差；二是傳統(tǒng)地應(yīng)力測(cè)量理論假設(shè)巖石是線彈性、連續(xù)和各向同性的，這與實(shí)際巖體條件不完全相符，從而造成計(jì)算誤差。針對(duì)這兩個(gè)問題，蔡美峰發(fā)明了完全溫度補(bǔ)償?shù)牡貞?yīng)力測(cè)量方法和裝置，其要點(diǎn)是研制出專用應(yīng)變－電阻－電壓轉(zhuǎn)換裝置和通過標(biāo)定試驗(yàn)消除溫度變化產(chǎn)生的虛假應(yīng)變值；建立了符合工程巖體特性的地應(yīng)力測(cè)量分析理論與計(jì)算方法，要點(diǎn)是在由應(yīng)力解除測(cè)量應(yīng)變計(jì)算地應(yīng)力時(shí)，考慮和修正巖體非線彈性、不連續(xù)性和各向異性的影響。詳細(xì)技術(shù)見蔡美峰著《地應(yīng)力測(cè)量原理和技術(shù)》第七章。在提高應(yīng)力解除法測(cè)量可靠性、實(shí)用性和精度方面取得重要突破。

蔡美峰長期致力于我國礦山地應(yīng)力測(cè)量的開拓、普及與提高，撰寫了我國第一部系統(tǒng)介紹地應(yīng)力測(cè)量的專著《地應(yīng)力測(cè)量原理和技術(shù)》；帶領(lǐng)課題組完成了30多個(gè)采礦和巖土工程的地應(yīng)力測(cè)量，為應(yīng)用地應(yīng)力實(shí)測(cè)成果指導(dǎo)科學(xué)采礦做出了示范；第一次將地應(yīng)力測(cè)量引入深凹露天礦邊坡工程，測(cè)得峨口露天礦地應(yīng)力場(chǎng)以水平構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)，否定了山坡地構(gòu)造應(yīng)力已充分釋放的傳統(tǒng)假設(shè)，為改變只考慮自重的邊坡設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)深凹露天礦邊坡設(shè)計(jì)科學(xué)化提供了依據(jù)；改進(jìn)傳統(tǒng)水壓致裂技術(shù)，在山東萬福煤礦首次采用水壓致裂法完成超千米深部地應(yīng)力場(chǎng)測(cè)定，開創(chuàng)了我國礦山在地質(zhì)勘探階段就進(jìn)行地應(yīng)力場(chǎng)測(cè)量的先河。

上述成果在國內(nèi)外權(quán)威與重點(diǎn)刊物和重要學(xué)術(shù)會(huì)議發(fā)表論文數(shù)十篇，得到國內(nèi)外同行高度關(guān)注和評(píng)價(jià)并被廣泛引用和應(yīng)用。獲1999年國家技術(shù)發(fā)明三等獎(jiǎng)(排名第一)。

■ 提出了以地應(yīng)力為基礎(chǔ)的采礦設(shè)計(jì)優(yōu)化理論，創(chuàng)造性地解決了有代表性礦山開采中的關(guān)鍵技術(shù)難題，提高了我國采礦工程和技術(shù)的科學(xué)水平。

金屬礦床多數(shù)是無定的脈狀礦體，賦存狀況極其復(fù)雜。經(jīng)典力學(xué)方法無法計(jì)算具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的采礦工程問題，因此傳統(tǒng)采礦設(shè)計(jì)只能靠經(jīng)驗(yàn)類比。采礦規(guī)模擴(kuò)大和向深部發(fā)展，經(jīng)驗(yàn)類比法失去了作用。為了保證開采安全和高回收，必須進(jìn)行采礦設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確計(jì)算和分析，地應(yīng)力作為礦體力學(xué)邊界條件的確定使現(xiàn)代數(shù)值模擬等計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用成為可能。在沒有實(shí)測(cè)地應(yīng)力資料時(shí)，假設(shè)自重應(yīng)力場(chǎng)為條件，垂直應(yīng)力是水平應(yīng)力的2倍，而實(shí)際情況水平應(yīng)力是垂直應(yīng)力的2倍左右。如此計(jì)算，一個(gè)寬度為2倍高度才安全的巷道會(huì)設(shè)計(jì)成高度是寬度的2倍，寬高比失調(diào)將導(dǎo)致巷道坍塌破壞，影響正?；夭珊鸵馂?zāi)害事故。為此，蔡美峰提出以實(shí)測(cè)地應(yīng)力為基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)際礦體賦存條件，通過定量計(jì)算和分析，確定最佳開采總體布置、采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、開采順序、開采工藝、支護(hù)加固與安全監(jiān)控措施，最終實(shí)現(xiàn)安全高回收的開采目標(biāo)，逐步形成了具有自身特色的采礦設(shè)計(jì)優(yōu)化理論，并在地下、露天和露天轉(zhuǎn)地下采礦工程中得到成功應(yīng)用。

在“九五”國家攻關(guān)專題“新城金礦復(fù)雜條件礦床采礦方法研究”中，針對(duì)該礦圍巖破碎、穩(wěn)定性差和原有的兩步回采工藝造成的生產(chǎn)能力小、開采難度大、礦石損失率大等問題，首先實(shí)測(cè)獲得礦區(qū)地應(yīng)力狀態(tài)，然后進(jìn)行開采順序和工藝的優(yōu)化，提出了“品”字形布置采場(chǎng)進(jìn)路的一步連續(xù)回采技術(shù)，使采場(chǎng)生產(chǎn)能力和勞動(dòng)生產(chǎn)率大幅度提高，礦石損失率和貧化率顯著下降。獲2000年國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)(排名第二)。

在“十五”國家攻關(guān)課題“大型深凹露天礦高效運(yùn)輸系統(tǒng)及強(qiáng)化開采技術(shù)研究”中，針對(duì)隨著開采深度增加開采難度越來越大、生產(chǎn)效率下降，生產(chǎn)成本急劇上升的難題，在系統(tǒng)的地應(yīng)力測(cè)量和巖石力學(xué)研究基礎(chǔ)上，首次采用三維數(shù)值模擬和三維極限平衡分析相結(jié)合的邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，將首鋼水廠鐵礦總體邊坡角提高3°以上，減少剝巖量近億噸。同時(shí)，在該礦建立了新型高效運(yùn)輸系統(tǒng)和自動(dòng)化實(shí)時(shí)生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)。攻關(guān)5年中，盡管開采深度不斷增加，礦石成本仍然下降31%，勞動(dòng)生產(chǎn)率提高2.3倍，創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益1.39億元/年。獲2007年國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)(排名第一)。

在“十一五”國家科技支撐計(jì)劃課題“露天轉(zhuǎn)地下相互協(xié)調(diào)安全高效開采關(guān)鍵技術(shù)研究”中，為了避免首鋼杏山鐵礦露天與地下開采相互擾動(dòng)或脫節(jié)，出現(xiàn)減產(chǎn)、停產(chǎn)局面，基于地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果和礦體賦存條件，制定了露天轉(zhuǎn)地下開采優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了不停產(chǎn)平穩(wěn)過渡，產(chǎn)能和效益提高2倍以上。2011年1月科技部驗(yàn)收認(rèn)定課題成果總體達(dá)到國際先進(jìn)水平，部分處于國際領(lǐng)先水平。

■ 以由地應(yīng)力主導(dǎo)的能量聚集和演化為主線，揭示礦震、巖爆等誘發(fā)規(guī)律及其與采礦過程的關(guān)系，為開采動(dòng)力災(zāi)害的預(yù)測(cè)和防控研究提供了一條有效途徑。

隨著開采深度的增加，地應(yīng)力越來越大，由此引發(fā)礦震、巖爆等一系列災(zāi)害事故。蔡美峰提出了以地應(yīng)力主導(dǎo)的能量聚集和演化為主線，進(jìn)行礦震、巖爆等開采動(dòng)力災(zāi)害預(yù)測(cè)和防控研究的方法，取得了重要的實(shí)用成果。

在“撫順礦震時(shí)間－空間－強(qiáng)度預(yù)測(cè)及其對(duì)城市危害性評(píng)價(jià)研究”中，首次提出了開采擾動(dòng)勢(shì)模型，建立了礦震與開采量、開采深度、斷層構(gòu)造和應(yīng)力環(huán)境的關(guān)系。根據(jù)開采擾動(dòng)勢(shì)模型計(jì)算出撫順老虎臺(tái)礦開采擾動(dòng)誘發(fā)的能量，由能量結(jié)合地震學(xué)知識(shí)對(duì)撫順礦震趨勢(shì)和震級(jí)作出了預(yù)測(cè)，并被隨后的事實(shí)所證實(shí)。研究成果在指導(dǎo)撫順城市安全規(guī)劃和老虎臺(tái)礦減震防災(zāi)中發(fā)揮了重大作用。

在“玲瓏金礦深部巖石力學(xué)與采礦方法綜合研究”中，提出了金屬礦發(fā)生巖爆的兩個(gè)必要條件：巖石具備儲(chǔ)存高應(yīng)變能的能力，采場(chǎng)具有產(chǎn)生高能量的應(yīng)力環(huán)境。以此為指導(dǎo)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)地應(yīng)力，通過定量計(jì)算獲得深部采場(chǎng)圍巖中的應(yīng)力、應(yīng)變分布和能量聚集與演化規(guī)律(應(yīng)力乘應(yīng)變之積為能量)；同時(shí)通過試驗(yàn)獲得巖石的力學(xué)特性參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)該礦深部開采巖爆趨勢(shì)做出了預(yù)測(cè)，提出了以優(yōu)化采礦方法為主的巖爆防控措施。

“深部開采動(dòng)力災(zāi)害預(yù)測(cè)及其危害性評(píng)價(jià)與防治研究”成果獲2003年國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)(排名第一)。

供稿作者簡介：任奮華，副研究員，博士，碩士生導(dǎo)師。2005年3月畢業(yè)于北京科技大學(xué)工程力學(xué)專業(yè)。先后承擔(dān)完成“十五”國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目1項(xiàng)、“十一五”國家科技支撐計(jì)劃課題3項(xiàng)和國家“863”計(jì)劃2項(xiàng)；目前在研項(xiàng)目“十一五”國家科技支撐計(jì)劃課題重大項(xiàng)目《井中科學(xué)探測(cè)》和國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目《深凹露天礦高陡邊坡穩(wěn)定性研究》；參與完成橫向科研課題等10余項(xiàng)。獲省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)2項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文30余篇，其中被SCI、EI和ISTP檢索15篇。主要研究方向：巖石力學(xué)與工程，工程地質(zhì)災(zāi)害分析預(yù)測(cè)與防治，巖土工程，采礦工程設(shè)計(jì)優(yōu)化，礦山壓力控制。

北京科技大學(xué)土木與工程學(xué)院，北京 100083

10.3969/j.issn.1000-6826.2014.01.02