用安全書(shū)寫(xiě)礦區(qū)新生
——記中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院副教授陶志剛

□ 衛(wèi)婷婷

陶志剛

“這是我們針對(duì)滑坡研發(fā)的監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，這邊是研制的具有負(fù)泊松比效應(yīng)的NPR新型錨索……”中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院副教授陶志剛興致勃勃地向記者介紹著。多年來(lái)，他在中國(guó)科學(xué)院院士何滿(mǎn)潮的指導(dǎo)下，與深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)成員們共同研發(fā)了多種有關(guān)地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

雖然是“80后”，但時(shí)至今日，陶志剛已經(jīng)在巖土力學(xué)領(lǐng)域里馳騁多年，可以算得上是該領(lǐng)域里年輕的“老炮兒”了。本以為平日只需將自己沉浸在科研與教學(xué)中，但在談到每日的工作狀態(tài)時(shí)，陶志剛卻吐露了其中的不易。除了涉足科研人員與教師兩份不同的工作，在陶志剛的簡(jiǎn)歷上還能看到其他身份。他對(duì)此打趣道：“我身上有許多標(biāo)簽，除了老師、導(dǎo)師，還有‘工程師’‘業(yè)務(wù)員’，甚至是‘后勤人員’?！闭f(shuō)到這，他忍不住笑起來(lái)，歡樂(lè)的氣氛也感染了周遭。

陶志剛所從事的巖土工程，是土木工程里極為重要的一門(mén)學(xué)科，包括土力學(xué)、巖石力學(xué)和地質(zhì)學(xué)3個(gè)分支，三方面缺一不可。研究巖土工程，不僅要牢固掌握其基本概念與原理，還要對(duì)巖土的物理力學(xué)性質(zhì)、強(qiáng)度變形計(jì)算、穩(wěn)定性分析等理論與方法做到心知肚明，更要在這些理論與原理的基礎(chǔ)上，將其應(yīng)用到土木工程、地質(zhì)工程和隧道工程的實(shí)際操作中，真正服務(wù)于民。因此，一入巖土工程深似海，陶志剛不但要時(shí)刻想著研究，也要深入礦山當(dāng)起“工程師”，還要時(shí)不時(shí)充當(dāng)“業(yè)務(wù)員”，廣泛聯(lián)系合作企業(yè)，將研發(fā)的新材料、新裝備應(yīng)用到對(duì)各種地質(zhì)災(zāi)害的實(shí)際監(jiān)測(cè)中。

這份聽(tīng)起來(lái)有些令人“叫苦連天”的工作，陶志剛卻始終樂(lè)在其中。他在中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室這一平臺(tái)上，盡情揮灑著自己滿(mǎn)腔的科研熱情和教學(xué)初衷，在科研和教學(xué)征途上不懈開(kāi)拓著。

“半路出家”的巖土人

兩個(gè)人，三間房，幾個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，這就是陶志剛剛剛接觸巖土力學(xué)時(shí)的情形。當(dāng)時(shí)，他跟隨中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）何滿(mǎn)潮教授（2013年當(dāng)選中國(guó)科學(xué)院院士）進(jìn)行有關(guān)地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警研究。因?yàn)闆](méi)有專(zhuān)門(mén)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)地，他常常要奔波于多個(gè)實(shí)驗(yàn)室，很大一部分時(shí)間都浪費(fèi)在了路上。如今，當(dāng)時(shí)僅靠幾個(gè)人撐起的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)發(fā)展成為“一辦三部”，即一個(gè)辦公室，教學(xué)部、科研部和實(shí)驗(yàn)部三個(gè)部門(mén)，且擁有近3000m2試驗(yàn)場(chǎng)所、120多個(gè)研究人員的成熟團(tuán)隊(duì)，并在近年來(lái)對(duì)礦山、冶金、交通、國(guó)防、水利等多方面的災(zāi)害控制及監(jiān)測(cè)預(yù)警上做出了突出貢獻(xiàn)。

可陶志剛卻透露，他其實(shí)并不是地道的巖土力學(xué)研究人，而是半路加入的。原來(lái)，本科及碩士階段，陶志剛一直在河北理工大學(xué)（現(xiàn)華北理工大學(xué)）研究地質(zhì)學(xué)，直到2008年來(lái)到中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）師從何滿(mǎn)潮攻讀博士以后，才在其引領(lǐng)下，逐漸走入巖土工程的世界。

初入實(shí)驗(yàn)室不久發(fā)生的一件事就給陶志剛帶來(lái)很大震撼。2008年恰逢我國(guó)汶川發(fā)生8.0級(jí)特大地震，舉國(guó)悲痛中，何滿(mǎn)潮在地震發(fā)生不到10天就親赴現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查。隨后，他將調(diào)查結(jié)果進(jìn)行匯總，用了不到一年時(shí)間就提出了一套全新的理論：雙體災(zāi)變力學(xué)理論。何滿(mǎn)潮基于牛頓力變化測(cè)量建立了雙體災(zāi)變力學(xué)模型，將提出的牛頓力測(cè)量方法應(yīng)用于發(fā)震斷裂和滑坡的監(jiān)測(cè)預(yù)警中，目前相關(guān)技術(shù)已經(jīng)在全國(guó)381個(gè)滑坡牛頓力現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。

不到一年就可以使我國(guó)發(fā)震斷裂及滑坡的監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)前進(jìn)一大步，陶志剛為此深受鼓舞，也更加確定了自己研究巖土工程的正確性。隨后陶志剛被派到河南省靈寶羅山礦區(qū)進(jìn)行了為期一年的實(shí)地研究，開(kāi)展“靈寶市羅山礦區(qū)滑坡體遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的研發(fā)及工程應(yīng)用”研究。

深入項(xiàng)目研究后，陶志剛才發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室是在該礦區(qū)已有總面積多達(dá)17.96萬(wàn)m2、總體積多達(dá)405.2萬(wàn)m3的滑坡體的情況下接下這塊“燙手山芋”的。當(dāng)時(shí)大面積的滑坡體已經(jīng)嚴(yán)重影響礦區(qū)的安全開(kāi)采，有關(guān)部門(mén)也早已下令停采。為了使礦山重獲新生，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)重重攻關(guān)，最終取得了多項(xiàng)突破創(chuàng)新成果。

自從來(lái)到礦山，陶志剛積極參與研究。他提到，由于傳統(tǒng)的滑坡監(jiān)測(cè)主要是位移、變形、水位等參數(shù)的監(jiān)測(cè)，是產(chǎn)生滑坡災(zāi)變的必要條件，而非充分條件，不能作為滑坡災(zāi)變預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的主要依據(jù)。要想預(yù)測(cè)準(zhǔn)確，必須找出災(zāi)變發(fā)生的充分必要條件及其可測(cè)參數(shù)。經(jīng)過(guò)研究，團(tuán)隊(duì)提出了牛頓力監(jiān)測(cè)原理及測(cè)量方法，將可測(cè)的人為力學(xué)系統(tǒng)插入到不可測(cè)的天然力學(xué)系統(tǒng)中，使其煥然一新，成為全新的、部分力學(xué)量可測(cè)的復(fù)雜力學(xué)系統(tǒng)，再借助擾動(dòng)力達(dá)到了通過(guò)直接測(cè)量而間接計(jì)算滑體滑動(dòng)力的目的。豐富了原理知識(shí)后，團(tuán)隊(duì)進(jìn)而針對(duì)已知原理提出了切實(shí)的牛頓力監(jiān)測(cè)方法，建立了天然力學(xué)系統(tǒng)和人為力學(xué)系統(tǒng)之間的函數(shù)表達(dá)式，計(jì)算出了不可測(cè)的滑體下滑力。

在監(jiān)測(cè)原理和方法的基礎(chǔ)上，加上何滿(mǎn)潮的指導(dǎo)，團(tuán)隊(duì)繼續(xù)大開(kāi)腦洞，成功研發(fā)出新一代滑坡體遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)不但可自動(dòng)調(diào)節(jié)自身功能，實(shí)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)捕捉；還增加了監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)平鋪顯示功能，可將所有監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)直觀地顯示在監(jiān)測(cè)人員眼前，大大降低了監(jiān)測(cè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，使其能夠又快又準(zhǔn)地對(duì)異常監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)進(jìn)行定位。

團(tuán)隊(duì)還為羅山礦區(qū)布置了“天羅地網(wǎng)”，在礦區(qū)滑坡體上安裝了53套遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，建立了羅山礦區(qū)滑坡災(zāi)害遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)網(wǎng)。系統(tǒng)得到應(yīng)用后大大節(jié)約了滑坡治理的成本，也在極大程度上保障了羅山礦區(qū)的安全開(kāi)采。

不止是露天煤礦的開(kāi)采，團(tuán)隊(duì)取得的一系列成果還可應(yīng)用于因高速公路邊坡、西氣東輸管線(xiàn)等工程因素引發(fā)的滑坡地質(zhì)災(zāi)害，以及地震引發(fā)的滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，也可用于對(duì)其他巖體邊坡深部力學(xué)及其加固結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)上。其在確保人民生命和國(guó)家財(cái)產(chǎn)安全、延長(zhǎng)礦山開(kāi)采服務(wù)年限、促進(jìn)社會(huì)和諧和企業(yè)可持續(xù)發(fā)展等多方面都具有重大意義和廣闊的應(yīng)用前景。

為地球做心電圖

哪里有山、有礦、有大壩，哪里就有陶志剛的身影。2009年，在離開(kāi)河南省靈寶羅山礦區(qū)后，當(dāng)時(shí)讀博士三年級(jí)的陶志剛幾乎無(wú)縫對(duì)接進(jìn)入另一個(gè)號(hào)稱(chēng)亞洲最大的單體露天礦山——南芬露天鐵礦，而且一待就是3年。他笑稱(chēng)，自己博士和博士后的時(shí)光完全寄托在了礦上，甚至博士時(shí)期的畢業(yè)論文都是在礦上完成的。

那時(shí)，陶志剛常常要在礦山上一直工作到夜幕降臨，還要冒著滾石橫飛的危險(xiǎn)在礦山上艱難攀爬。但常年在礦上忍受的風(fēng)吹日曬也給予了陶志剛最好的回饋。在何滿(mǎn)潮的指導(dǎo)、陶志剛的實(shí)地考察下，實(shí)驗(yàn)室成功研發(fā)出恒阻大變形纜索研發(fā)及滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，為滑坡、崩塌等災(zāi)害的防治提供了重要幫助。用何滿(mǎn)潮教的話(huà)來(lái)說(shuō)，他們的研究目的就是為地球做心電圖，而研發(fā)的這套系統(tǒng)就充當(dāng)著做心電圖的儀器，以此來(lái)監(jiān)測(cè)地球心跳的平穩(wěn)度。

本溪鋼鐵（集團(tuán)）礦業(yè)公司南芬露天鐵礦是亞洲最大的單體露天礦山。1999年以來(lái)，由于礦區(qū)的特殊地形以及長(zhǎng)期開(kāi)采的影響下，采場(chǎng)下幫邊坡處形成了多處較大規(guī)模的滑坡體，嚴(yán)重的滑坡體一度使礦區(qū)十年來(lái)都處于不能開(kāi)采的“空窗期”，給企業(yè)造成重大損失。實(shí)驗(yàn)室和南芬露天鐵礦的專(zhuān)家齊心協(xié)力，試圖解決邊坡巖體大變形災(zāi)害監(jiān)測(cè)過(guò)程中的一系列難題。

他們先是通過(guò)對(duì)不同材料、結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，確定了其中主要的參數(shù)。帶著這些參數(shù)，團(tuán)隊(duì)來(lái)到礦區(qū)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)恒阻大變形纜索進(jìn)行力學(xué)特性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果令所有人驚喜：當(dāng)恒阻大變形纜索具有的恒阻力在達(dá)到850kN時(shí)，保持恒阻的變形量可達(dá)2000mm，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外在該方面的研究空白。此外，團(tuán)隊(duì)還建立了恒阻大變形纜索的能量本構(gòu)關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上，成功研發(fā)了以北斗衛(wèi)星為通信平臺(tái)的滑動(dòng)力3S遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，從根本上實(shí)現(xiàn)了對(duì)滑坡災(zāi)害進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與超前預(yù)警預(yù)報(bào)。將該技術(shù)用于礦區(qū)下幫邊坡滑動(dòng)力監(jiān)測(cè)預(yù)警工程中時(shí)，在場(chǎng)的所有人都屏住呼吸，緊張的氣氛蔓延在每一絲空氣中，當(dāng)最終發(fā)現(xiàn)通過(guò)該系統(tǒng)確實(shí)能及時(shí)掌握滑坡體穩(wěn)定狀態(tài)的那一刻，包括陶志剛在內(nèi)的所有人都舒了一口氣。

長(zhǎng)久的研究壓力終于得到紓解，開(kāi)采一年后，礦區(qū)已安全采出80萬(wàn)噸礦石，并成功預(yù)警了兩次邊坡失穩(wěn)災(zāi)害，實(shí)現(xiàn)了團(tuán)隊(duì)最初立下的“加固—防治—監(jiān)測(cè)—預(yù)警一體化”的終極研究目標(biāo)。

打造錨索發(fā)展“加速器”

近年來(lái)，在軟巖大變形和巖體滑坡錨索拉斷等問(wèn)題的解決中，普通錨索已漸漸變得有些“力不從心”，為此，從礦山回到“平原”不久的陶志剛，又于2016年與實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目“恒阻大變形錨索負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究”中就這個(gè)問(wèn)題展開(kāi)研究。

采訪(fǎng)中，陶志剛特別提到，其實(shí)在項(xiàng)目研究之前，實(shí)驗(yàn)室就已經(jīng)在國(guó)家原“973”計(jì)劃和國(guó)家自然基金重大項(xiàng)目的支持下，對(duì)負(fù)泊松比（NPR）新型錨索復(fù)合材料開(kāi)展研制。其中發(fā)明的具有特殊結(jié)構(gòu)的NPR新型錨索復(fù)合材料，突破了巖體大變形災(zāi)害控制受制于傳統(tǒng)PR材料抵抗變形能力不足的技術(shù)瓶頸。此外，實(shí)驗(yàn)室還發(fā)明了以NPR錨索為主體的綜合技術(shù)，解決了礦山巖體大變形災(zāi)害難以控制的大問(wèn)題，已在吉林、遼寧、黑龍江、內(nèi)蒙古、河北等16個(gè)省份的露天煤礦、金屬礦開(kāi)采以及煤礦地下井工開(kāi)采等工程中得到應(yīng)用，近3年累計(jì)新增銷(xiāo)售額12.5651億元。

盡管如此，針對(duì)恒阻大變形錨索負(fù)泊松比效應(yīng)的理論和試驗(yàn)研究尚屬空白。對(duì)此，陶志剛以恒阻大變形錨索為試驗(yàn)對(duì)象，采用室內(nèi)靜力拉伸試驗(yàn)、連續(xù)紅外熱成像探測(cè)、離散激光測(cè)溫、環(huán)向應(yīng)變測(cè)量與數(shù)值模擬計(jì)算等理論和方法，研究恒阻大變形錨索的徑向和軸向變形規(guī)律、溫度效應(yīng)、熱紅外成像效應(yīng)、應(yīng)力場(chǎng)演變特征及能量吸收特性等，從而揭示了恒阻大變形錨索負(fù)泊松比的結(jié)構(gòu)效應(yīng)和能量吸收機(jī)理。

其中，他首先利用HWL-2000恒阻大變形錨索靜力拉伸試驗(yàn)系統(tǒng)，在處于靜力拉伸的條件下，就恒阻大變形錨索徑向和軸向變形規(guī)律這一問(wèn)題與團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了探討，繼而揭示了幾何尺度上的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)特性。接下來(lái)，他們利用激光點(diǎn)陣測(cè)溫系統(tǒng)、貼式測(cè)溫傳感器和熱紅外成像系統(tǒng)，通過(guò)紅外圖像及紅外溫度場(chǎng)的分析與反演，獲得了恒阻大變形錨索能量吸收的熱紅外機(jī)理和負(fù)泊松比熱紅外響應(yīng)特征，揭示了溫度與恒阻大變形錨索負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)特性之間的關(guān)系。與此同時(shí)，團(tuán)隊(duì)通過(guò)應(yīng)變片組群構(gòu)建了恒阻大變形錨索環(huán)向應(yīng)變場(chǎng)探測(cè)網(wǎng)，再通過(guò)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行插值計(jì)算，獲得了恒阻大變形錨索環(huán)向應(yīng)變?cè)茍D和應(yīng)變場(chǎng)演化規(guī)律，最終探明了應(yīng)變與恒阻大變形錨索負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)特性之間的關(guān)系。

目前，項(xiàng)目剛剛結(jié)題，從研究開(kāi)始到結(jié)束，這兩年來(lái)陶志剛有過(guò)苦惱，有過(guò)辛酸，但也收獲了快樂(lè)與成就。在他看來(lái)，有苦有甜，這正是科研最好的意義。

嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)教育為先

自從加入深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室這個(gè)大家庭以來(lái)，陶志剛的生活似乎就被各種研究理論、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所包圍，但在這之外，他也從未忘記自己的另一個(gè)重要身份：教師。

在談到對(duì)學(xué)生的教育上，陶志剛特別強(qiáng)調(diào)，首先要讓學(xué)生了解什么是科研?！昂芏鄬W(xué)生不懂什么是科研，也不知道科研具體要做什么，甚至連論文也不會(huì)寫(xiě)?！睘榇耍罩緞偢械筋H為無(wú)奈。他所在的中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院顯然也注意到這種情況，專(zhuān)門(mén)實(shí)行了“本科生導(dǎo)師制”這一制度。也就是說(shuō)，在學(xué)生入學(xué)第一年學(xué)校就為其分配導(dǎo)師，手把手指導(dǎo)學(xué)生該研究什么，又該怎么去研究。到了第三年，學(xué)生就要親自“上戰(zhàn)場(chǎng)”，跟隨導(dǎo)師到各種礦區(qū)現(xiàn)場(chǎng)參與實(shí)地研究。

能做到這些，對(duì)于剛?cè)氪髮W(xué)校園的學(xué)生來(lái)說(shuō)顯然很難，因此，在招收學(xué)生時(shí)，陶志剛極為看重學(xué)生的責(zé)任心與勤奮度。他表示：“既然選擇科研，就不能‘三天打魚(yú)兩天曬網(wǎng)’，做就要做到底，決不能當(dāng)‘半路逃兵’?！痹谒磥?lái)，良好的人品才是人生中最寶貴的財(cái)富，是最亮眼的黃金招牌。

與學(xué)生合影

這一點(diǎn)在陶志剛身上表現(xiàn)得很鮮明。有一年，陶志剛在連續(xù)工作多天后的一日清晨，猛然發(fā)現(xiàn)自己的臉有些不聽(tīng)使喚，到醫(yī)院一查才發(fā)現(xiàn)一側(cè)臉已經(jīng)面癱，不僅眼睛無(wú)法閉緊，連話(huà)也說(shuō)不利索。在這種情況下，進(jìn)行單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)研究還好，但該怎么給學(xué)生講課？

陶志剛當(dāng)機(jī)立斷絕不能耽誤學(xué)生的課程，于是他在每天扎完針灸后又繼續(xù)走上講臺(tái)。就這樣，整整兩個(gè)星期，陶志剛每天貼著膏藥，斜著眼、歪著嘴艱難地完成了教學(xué)內(nèi)容?！皬哪且院?，我也會(huì)適當(dāng)進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，做到勞逸結(jié)合?！碧罩緞傂φ劦馈?/p>

研究巖土工程以來(lái)，礦區(qū)、實(shí)驗(yàn)室和教室就好似成了陶志剛的另一個(gè)家，他與團(tuán)隊(duì)在這個(gè)大家庭里為地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)與預(yù)警譜寫(xiě)了多個(gè)傳奇，但對(duì)自己的家庭卻充滿(mǎn)了愧疚之情。他提到，妻子同樣是一名科研人員，每日結(jié)束了在中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類(lèi)研究所繁雜的實(shí)驗(yàn)工作后，常常顧不上腰酸背痛，便又馬不停蹄地趕回家照顧孩子、老人。而陶志剛由于工作原因，經(jīng)常要到各地出差進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，因此即便想要幫助妻子分擔(dān)家務(wù)，也時(shí)常感到無(wú)能為力。盡管作為科研人員，陶志剛已經(jīng)盡全力做到最好，但作為丈夫，他表示虧欠妻子太多太多……

未來(lái)，陶志剛表示會(huì)兼顧科研之家與生活之家，平衡兩個(gè)家之間的地位，并繼續(xù)用不懈的追求、堅(jiān)定的信念打造屬于未來(lái)的科研之路。