专家风采 | 何满潮院士：科学、艺术与人生

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7月4日，中国岩石力学与工程学会理事长、中国科学院院士、中国矿业大学（北京）教授何满潮先生做客北京大学科学研究部、北京大学研究生院主办的“传道经纬：科学家的故事”，讲述“科学、艺术与人生”。何满潮院士讲述了隧道工程中的科学艺术融合之美，讨论能源开采的技术突破和地震及深地“钢琴”计划，并分享科研工作中人生价值追求的心得体会。

图 讲座后何满潮院士与现场观众合影

隧道工程：科学艺术融合之美

隧道工程是地质历史的画卷，钻头的改进凸显了人力工程的智慧。其中涉及的关键科学技术是隧道开挖补偿法。该方法可以总结为三个原理：首先，所有的破坏均由开挖引起；其次，开挖会产生三个效应，分别为三轴状态变为单轴状态、径向应力为零、切向应力集中；最后，由于破坏发生在开挖一段时间之后，因此需要在没有产生破坏的时间内实施补偿措施，迅速消除三个开挖效应，充分发挥围岩的三轴强度和调动深部围岩强度，有效控制破坏，达到工程稳定状态。

何院士用三张图讲解了三个效应的补偿机制，即径向应力不为零，岩石强度由二维变成三维，浅部岩石由单轴变为三轴的强度，调动深部岩石，与浅部的岩石共同连接，以保护整个隧道的安全。对于第三个效应，使切向应力集中程度降低。如此便实现了开挖的补偿。

图 隧道开挖补偿法原理示意图

对于开挖补偿的力学机制，可以用摩尔圆来解释，其原理是避免强度线与破坏包络线相交。在应力还未达到破坏包络线的时候，需要进行补偿，在补偿后，两线不相交，便保证了安全。

图 四节棍圆周运动示意图

何院士用一个艺术图案解释这一现象。图案是四节棍的每一个节点做圆周运动形成。在研究破坏时，同样也与圆有关系。从这个例子中，何院士表示，科学是有艺术美感的，科学和艺术总是融合在一起，两者融合之美值得体会。

科学人生的价值之美

在早年，何院士在与学生的交谈中受到启发，对马克思主义的剩余价值学说产生了兴趣。上个世纪下半叶到本世纪初，整个社会运行形态发生了根本性的变化，科学技术的介入使产生剩余价值学说的因素发生了根本性的变化。除了工人的劳动之外，科学技术也会产生剩余价值。为证明这一理论，何院士提出，在极端的情况下，如果将工人的劳动转化为机器劳动，这样就使得所有的剩余价值都实现由科学技术创造。在资本主义社会，先进的科学技术创造了剩余价值，在一定程度上缓和了其社会的矛盾。社会主义社会制度先进，科学技术发展正在赶超，因此国家进行科技创新是深刻且必要的。

在这样的推论中，可以看出共产主义社会实现的美好愿景，而这个美好蓝图，是由科技进步支撑的。同理，放置于学校科研工作的视域下，学生需要学习老师的科研方法，培养创新性的思路，以创造剩余价值，为社会做贡献。

图 人生价值模型示意图

在此基础上，何院士团队创造性地建立了人生的价值模型。对于一个普通劳动者，在生命开始之初是作为一个社会资源的消耗者存在的，但在工作之后，便由消费者转变为生产者，当生产大于消耗时，便产生了剩余价值，可为社会做出贡献。对于一个大学生或者是研究生，因为学习时间较长，消耗的社会资源更大，消耗和生产所匹配的零点出现得更晚，但是到了生命结束的时期，其创造的技术仍然可以创造社会价值，并在一定时间后逐渐消减。对于一个杰出科学家，即使在生命结束的时期，其社会影响力仍然可以保持很长的时间。因此，国家重视研究生培育的重要使命，是为了创造更多的剩余价值，让国家更加强盛。

能源开采与花瓣现象

英国的煤炭开采方法会造成深层次与浅层次的岩土破坏，从而造成花瓣现象。致灾破坏现象产生的时候，一定会出现花瓣现象，即花瓣定律。学界先后证明了花瓣现象出现的充分性和必要性，而更重要的是如何消除这一现象。

图 英国采矿法中的花瓣现象

在煤矿开采时，会出现冒落带、裂隙带、弯曲下沉带，造成地表台阶下沉，可用损伤不变量方程来描述这一现象。沉降损伤、裂隙损伤和碎胀程度三个损伤变量分别与煤的开采量相除，得到三个系数k1、k2和k3，三者加起来是不变的，恒等于1，因此构成了损伤不变量方程。对于英国的采矿法，方程中的沉降损伤是已知的，而裂隙损伤和碎胀程度是未知的，一个方程两个变量，因此方程是无解的。先前20年，国内外采矿出现事故较多，原因多为采矿方法存在风险，但是如今损伤不变量方程得以解开，采矿事故逐渐减少。

在此基础上，何院士介绍了解开损伤不变量方程的方法。在方程中，令k3等于1，其物理意义是产生的碎胀体积等于采矿的体积；k2和k1等于零，意味着深层破坏和浅层破坏消除，在方法上是生态保护的。在此原理之上，形成了110 / N00采矿方程。

破坏性的爆破往往产生玫瑰花图纹，称为玫瑰花现象。而通过建设性的爆破，可以使玫瑰花形的裂缝转变为单一裂缝。110工法是消除花瓣现象后的开采新方法，可以将煤矿采出率提高约15%，在全国范围内得到了推广。N00工法则是更好的采煤方法，是煤矿开采技术重大突破和重大创新与升级，可以将煤矿采出率提高40%-45%，其研究成果已经达到国际领先水平。自2009年110工法实施以来，死亡人数显著下降，给我国采矿事业带来了高效与安全。

地震与深地“钢琴”计划

对于活动断层的监测，始于美国。1985年，美国在Parkfield建立跨断层监测科学实验场，实验场建成后，Parkfield地区发生了4次地震，都未能测出和预报。为此，美国科学家发表文章“地震不可预报”，其观点在地震界产生很大影响。美国跨断层测量系统存在的问题，主要是其监测的形变、位移、地磁等参数，是产生地震的必要条件，而不是充分条件。要想准确的预测预报，必须找出充分必要条件同时满足的可测参数，符合牛顿第二定律。

基于此问题，何院士团队建立了双体灾变力学模型，通过力学的推导，建立牛顿力集度和位移-时间方程，测算地震的加速度，进而测算位移和力。在此基础上，通过滑坡物理模型实验和地震物理模型实验，建立跨断层牛顿力变化为主体的综合测量系统，由此产生不同类型的深地“钢琴”系统。这套系统运用于现场实测验证，在跨滑面牛顿力现场测量（823点）中，布点内14次滑坡均成功预报，破解了滑坡短临预报的科学难题，也为地震预报提供了思路。

此外，国际上也建立了国际对比研究计划项目ICRP2022 “面向地震预测的跨断层牛顿力测量”，致力于完成钢琴材料研究的内容。国家层面，获批面向地震预测的111引智基地“面向地震预测的跨断层测量学科创新引智基地”的计划。

结 语

1. 现象是复杂的，其本质往往简单。现象和艺术关联，科学则与本质关联。

2. 能源开采中花瓣的出现是致灾的条件，其必要性被Fatou证明，其充分性被Qiao证明，上述构成了新采法的理论基础。

3. 探测地震的深地“钢琴”计划，也许在不久将来能够揭开地震预报的面纱。

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岩体力学是研究岩体力学性状的一门理论科学，同时也是应用科学。岩体力学的研究可以为工程设计和施工提供科学依据，其应用成果是地质灾害防治和资源开发的重要支撑。何院士凭借深厚的学术造诣、宽广的科学视角，把科技成果应用在实现现代化的事业中，为科技进步和社会发展做出了重大贡献。何院士在分享前沿科技成果的同时，勉励青年同学肩负国家使命、追求崇高人生价值，使与会的老师、同学受益匪浅，为当代青年学子树立了卓越的榜样。

院士简介

何满潮院士是矿山工程岩体力学专家、中国科学院院士、阿根廷工程院院士、俄罗斯矿业科学院院士、中国矿业大学（北京）教授，隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室主任，兼任国际地质灾害与减灾协会副主席、中国岩石力学与工程学会理事长、中国矿业知识产权联盟理事长、开放科学促进联合体理事长、中国矿业科学协同创新联盟理事长，国际地质灾害与减灾协会科学成就奖(2019年)、全国创新争先奖状（2017年）、全国杰出科技人才奖(2016年)和何梁何利科技进步奖（2014年）获得者。

何院士主要从事矿山岩体大变形灾害控制理论和技术研究。提出了“缓变型”和“突变型”大变形灾害的理论体系，研发了多套大变形灾害机理实验系统，创建了深部岩体力学实验室。形成了无煤柱自成巷110/N00工法技术体系，引领了矿业科学技术第三次革命。提出了具有NPR（负泊松比）效应的恒阻大变形锚杆（索）的理念，通过实验定型了具有负泊松比效应的恒阻大变形锚杆（索）序列产品，成功应用于工程实际，取得了巨大的经济和社会效益。获国家技术发明二等奖1项，国家科技进步二等奖3项，中国专利金奖2项，ISRM技术发明奖1项。

本文转载自中国岩石力学与工程学会