向地球深部进军——讲述中国工程院院士冯夏庭的故事

发布时间:2025-04-09点击数:

暑假,东北大学校园宁静祥和,实验室却是一番热火朝天的景象,几个青年人紧张地布置装置,仪器旁研究人员紧盯显示屏上跳动的数字不停记录……穿梭于实验室之间,终于在走廊里找到中国工程院院士、东北大学校长、深部金属矿山安全开采教育部重点实验室主任冯夏庭教授。步履匆匆的冯夏庭,行动快语速也快,“我们搞科研的没有节假日的概念,只有完成项目的时间节点”。

提升中国在科技领域的国际话语权

1982年,来自安徽潜山农村的冯夏庭,考入东北工学院采矿工程专业。研究生期间,他师从岩石力学专家林韵梅教授,开启了在岩石力学智能分析方法及其工程应用领域的漫漫科研之路。冯夏庭回忆:“导师对我的影响特别大。1994年,她在东北大学组织了第一次岩石力学国际会议,为我们打开了国际视野。”正是在林韵梅教授的指导下,冯夏庭在国际上最早提出“智能岩石力学”方法研究。

2009年5月18日,国际岩石力学学会(ISRM)理事会在香港大学召开,时任ISRM副主席的冯夏庭当选下一届(2011—2015年)主席。这是ISRM成立以来,中国人第一次当选为该学会主席。

国际岩石力学学会成立于1962年10月,作为世界岩石力学研究的顶尖学术团体,其宗旨是鼓励和协调岩石力学领域的国际合作与交流,组织召开相关的国际会议等。其主席的选举有一套非常严格的制度,竞选者必须经历国家小组推荐、工作业绩网上视频展示、理事会演讲、会员国投票等一系列程序。

作为一名中国科学家,能在激烈的国际竞争中成功胜出,冯夏庭认为“我之所以能够当选,首先归功于国家魅力”。

冯夏庭说,伴随着我国经济的高速发展,国内在铁路交通、水利水电、能源矿山、市政城建等基础设施建设方面进入了新的大发展时期,给岩石力学研究带来了很好的机遇。“就岩石工程建设而言,我国的大型工程项目令世界瞩目。”

在冯夏庭看来,中国科学家积极参加国际学会组织的各种活动,加强国际交流和沟通,是他此次成功当选的又一砝码。“我们在国际学会中一直都很活跃,真正做到了在国际学会组织中有人、有声、有朋友。”冯夏庭说,中国国家小组自1979年加入ISRM以来,经过多年的努力,取得了不错的成绩。中国著名的岩土力学专家陈宗基院士、钱七虎院士等先后担任过国际岩石力学学会副主席。特别是近年来,在钱七虎的带领下,由国际岩石力学学会组织的历次大会,中国的出席人数是最多的。

“真正把中国建成科技强国,提升中国在科技领域的国际话语权,以引领世界科技发展,这是我们一直努力做的事情。”冯夏庭说,“原来都是我们出去做访问学者,去学人家的东西,回来之后再创新,然后变成自己的东西,然而现在这种状态已经倒过来了。”现在,越来越多的外国学者到中国、到东北大学来做访问学者,学习中国的先进科技。

不能虚报的“狼来了”

“入地”比“上天”更难。向地球深部进军,越深入就越危险。最常见的就是施工诱发的岩爆,严重的可达震级4.6级,释放的强大能量,可以让一颗小小的石子瞬间变成“子弹”。冯夏庭说:“工程建设不断向地球深部走,岩爆等灾害问题不仅耽误工期,还伤人、伤设备,破解这些难题,就是我们的职责。”

冯夏庭是最早在我国提出智能岩石力学研究的学者,他从事的智能岩石力学是国际上新兴的学科研究方向,其目的是针对当前岩石力学研究的两大“瓶颈”问题——岩石的参数选定问题和模型的建立问题,开辟一条全新的研究途径。经过冯夏庭和团队的努力,团队在岩石力学的研究方面取得了非常显著的成果:提出了岩石力学参数的智能辨识方法、材料本构关系识别的进化方法、神经网络——数值计算方法等。研究成果得到了国内外知名专家学者的广泛推崇。

在谈到个人取得的成就时,冯夏庭非常低调:“林韵梅教授、王咏嘉教授、徐小荷教授等我的导师与前辈们给了我很多指导,教育并要求我作为科研工作者该如何做科学研究。”

20世纪80年代,冯夏庭的同学中有很多人脱离了艰苦的采矿专业,选择出国、搞外贸。而冯夏庭选择静下心来读书学本领。“我们学科的特点就是不仅是在实验室工作,更多的是在工地现场。现场环境很恶劣,有的隧道里面可能四五十摄氏度,又潮又湿。为了解决岩爆问题,凌晨三四点钟都要在隧道里来保证监测设备系统的运行安全。发生灾害的过程中或者之后,马上要到现场去,看看跟你想象的、预计的是不是有差别,你预警的结果对不对,现场发生了,要验证这个东西,它不能开玩笑。以前老是有人喊‘狼来了’,如果狼总是不来,人家就不相信你的技术。我就要做到喊‘狼来了’,就是狼真的要来,你要不应对的话它就真来了。”经过反复验证、不断应用,冯夏庭团队提升了自己的信心,团队也不断壮大。“国家、省、市都给我们很多的支持、鼓励,我们更感到这是一种责任。要承担更大的责任,不断地去努力工作。国内的工程解决了,国外的工程要陆陆续续地往前推进。”

国家需要就是我们努力的方向

冯夏庭表示,东北大学为他的研究和发展提供了一个自由宽松的研究氛围和良好的科研平台,这些都为科研成果的取得起到了很好的促进作用。

运用国家“973”项目“灾害环境下重大工程安全性的基础研究”首席科学家之一冯夏庭提出的智能岩石力学理论和方法,我国成功地解决了三峡工程、清江水布垭水利枢纽工程等一些重大工程技术难题。冯夏庭认为,国家的需求为科研提供了很多机遇,而国际学术前沿课题给科研提供了很好的推动力。他表示,做研究必须要有兴趣,国家需求与前沿问题都很多,在学校的培养和导师前辈的指导下,“通过多年的摸索已经发现了自己的兴趣和方向,即发现问题、申请课题、通过研究解决问题,不断向前迈进,这也成为了我个人的追求,也是我作为一个科研工作者的责任。所以,我一再强调,科学研究要面向国家的需求,面向国际的前沿。”

冯夏庭主要从事深部工程岩体力学与安全研究工作,主持国家“973计划”“863计划”,国家自然科学基金国际合作重大、重点和部级等重大科研项目20余项,发表高水平论文180余篇,出版中英文专著5部,获发明专利授权70余项,获国家科学技术进步奖二等奖4项(其中3项排名第1)。荣获国际岩土力学计算机方法和进展学会杰出贡献奖、首届“全国创新争先奖状”等。谈到做科研工作,他的经验是:“科研之路不可能一帆风顺,所以必须学会坚持,不要轻易放弃!”

2008年,“西电东送”的标志性工程——锦屏二级水电站建设长大深埋引水隧洞群,平均洞线长达16.67公里,最大埋深2500多米,是目前世界上施工难度最大的水工隧洞之一,施工过程具有极高岩爆风险。冯夏庭和团队深入一线,慢慢摸清了深部工程围岩剧烈破坏的“脾气”,掌握了调控措施,将实验室的成果应用到强烈岩爆频发的现场,一举攻克了这个世界性的深地工程难题。

“通过近4年的努力,我们将微震监测技术引入这个工程,给隧洞做了个全身‘CT’,进而确定是否需要‘手术’。”冯夏庭介绍,在团队的不懈探索下,现在已经将岩爆的定性预警提升到对等级和位置的定量预警。

巴基斯坦某水电站工程,是“一带一路”倡议的重要项目。2015年5月31日,发生极强岩爆,停工修复达半年之久。冯夏庭带领团队及时精准地预警出隧洞开挖过程中潜在的岩爆区域与等级,为施工人员及设备安全提供科技保障。

重大铁路隧道控制性工程在海拔3500米,地处板块缝合带,是世界首座重度岩爆铁路隧道。修建过程中,一度遭遇每天20次岩爆的险情,重达4吨的开挖台车被震得整个飞出,被称为“石头炮弹隧道”,工程方先后更换了7支施工队。冯夏庭带领团队挺进现场,用自主研发的高精度岩爆监测预警系统,现场监测持续918天,为铁路隧道装上预警“听诊器”,为施工人员人身安全撑起“防护罩”。得益于监测预警的准确性,监测区域未出现因岩爆造成的人员伤亡事故,施工效率提高20%。

在重大铁路项目施工现场,初入项目隧道时,岩爆微震监测数据处理效率很低,而且不同人员数据处理的标准差异很大,预警准确率受到很大影响。项目组的师生在冯夏庭院士的悉心指导下,借助人工智能建立了微震数据智能分析处理方法,搭建了岩爆智能监测预警系统,统一了数据处理标准,提高了数据处理效率,预警及时性与准确性得到提升。

通往地球深部的路充满荆棘,摸清地下岩石的“脉搏”不是一件容易事。井下作业条件十分艰苦,40公斤的监测设备需要人力运输,调试设备徒步上万米也不稀奇。“今天条件再艰苦,仍比70多年前要好很多。当年,老一辈东大人本着‘国家需要就是我们努力的方向’的理念,义无反顾地奔赴一线,给我们留下宝贵的精神财富。我们要弘扬这种精神,坚守老一辈采矿人的初心。”冯夏庭说。

春节期间,为确保工程的安全高效施工,课题组每年都安排骨干成员坚持驻守工程现场,以高度的责任感确保工程持续安全施工、工程进度不因岩爆而延误、工程建设成本降到最低。当前,岩爆平均预警准确率已达到85%以上,受到了各界的广泛好评。

谈到今后的工作,项目负责人冯夏庭院士说:“未来,我们将继续响应习近平总书记‘向地球深部进军是必须解决的战略科技问题’的号召,迎难而上,敢为人先,面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康,进一步向着解决岩爆时间预警这一世界难题前进,争取实现更短时间范围的岩爆时间预警,为以中国式现代化全面推进中华民族伟大复兴贡献东大力量。”

(文:丁义浩、刘宇豪)