中国工程院院士钱鸣高:为煤炭工业奋斗一辈子

发布时间:2011-12-22浏览次数:2099

        2011年12月,钱鸣高院士80寿辰之际,他的《岩层控制与煤炭科学开采文集》正式出版发行。本文选自钱鸣高院士文集的自序,记录了钱院士奉献煤炭工业一个甲子的求学、从教、科研经历,标题为编者所加,略有删节。以期激励更多投身煤炭工业的科教工作者和莘莘学子,共同推动煤炭工业又好又快发展,为提升我国能源资源产业技术水平、为推动我国经济社会又好又快发展做出新的更大贡献。

       煤是当代工业的食粮,这是20世纪初的一句名言。那时,正值工业化时代初期,能源主要依靠煤炭,煤炭在世界能源构成中的比例高达70%-80%。后来,由于煤炭在环境保护和利用效率方面的原因,逐步被石油和天然气替代,煤炭所占比例下降到20%-30%。然而,我国是富煤国家,石油和天然气资源相对贫乏。在新中国成立时,煤炭在我国能源构成中占90%以上,至今仍然占70%左右。根据最近预测,即使到2050年,煤炭在我国能源构成中的比例仍会在40%以上。因此,在可再生能源未形成规模之前,煤炭仍然是我国工业的食粮。因此,对于我国科技人员来说,如何科学地开发和利用煤炭资源是一种社会责任。

  1950年,我从苏州中学毕业,考入东北工学院就读于机械系,尔后听从号召转学采矿系,从事煤炭事业。记得那时全国煤炭产量仅仅几千万吨,而且大煤矿的开采如开滦和抚顺均采用英国和日本的技术。在校学习期间,没有完整的中文教材,那时是全面学习苏联,因此大量课本是俄文本或翻译本。大学毕业后攻读北京矿业学院研究生,由此使我的一生与煤炭的教学和科学研究联系在一起。

  20世纪50年代,我国煤矿产量低、技术落后。当时,工作面大量使用单体支架,先是木支架,尔后是金属支架。由于单体支架工作阻力小且支护结构很不稳定,因此工作面冒顶事故不断,伤亡严重。当时,如何避免冒顶事故成为煤矿生产中的主题,内容主要在矿压规律和支护稳定性方面。我当时的研究工作也就集中在采场上覆岩层的活动规律、支架工作阻力计算和支护质量监测上。在这方面,我与我的研究集体着重研究了采场上覆岩层的破断规律以及老顶破断后再次形成平衡结构的可能性。至20世纪80年代,我们提出了采场上覆岩层破断后重新组合成“砌体粱”的结构力学模型,讨论了“砌体粱”结构的“S-R”稳定条件,尔后发展为视上覆岩层“老顶”为“板”的破断规律和破断前后的力学效应。这些研究成果,对之后工作面采用液压支架的架型和参数选择、工作面来压预报、支护质量监测和离层区形成的研究均有重要影响。该力学模型后被收录于《中国大百科全书.矿冶卷》有关条目,并作为基础理论被编入教科书,为矿业高等院校广泛使用。在此感谢矿山压力中心站通过每两年举行一次煤矿采场矿压理论与实践讨论会为完善我国矿山压力理论所做的贡献。

  长时间以来,“矿山压力”和“岩层移动”一直是采矿学科中研究岩体运动的两个重要分支。前者采用力学方法研究采矿活动引起的应力变化及其对工作空间稳定性的影响,后者由于岩层的复杂性常采用数学方法(统计方法)研究开采对地表沉陷的影响。而开采过程对岩层内部运动的影响仍然无法预测。为此,我们基于层状矿体的特点,提出了岩层运动中“关键层”的作用,即开采后岩层运动引起的应力或位移变化主要决定于上覆岩层中的硬而厚的岩层(关键层)变形和破断。至此,对于开采活动引起的上覆岩层应力场和裂隙场以及地表沉陷才有了一个全面而统一的解释。

  进入21世纪,由于国民经济的快速发展,我国煤炭产量由1999年的10亿吨很快发展到2009年的29亿吨,约占全世界总产量的40%。由于采矿对环境的负外部性,如此大规模的开采必然对水和土地资源以及排出矸石给区域环境带来严重影响。而所有这一切均于采动后的岩层运动尤其是裂隙场的形成密切相关。由此我和我的研究集体提出了“采动岩体力学”概念和以控制“关键层”为基础的煤矿“绿色开采技术”,其中包括煤与瓦斯共采、保护水资源、控制地表沉陷、不出或少出矸石和矸石替换煤柱等。绿色开采技术提出后,引起很大反响,上述技术尤其是各种充填技术在煤炭系统得到了大力发展。著名国际采矿专家A.K.Ghose专门评论认为:“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的减轻煤矿开采引起的诸多影响。”

  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。因此,首先必须解决煤炭利用对环境的影响问题,以使其在环境容量范围得以利用。而目前其它可替代的能源,尤其是可再生能源难以形成规模,因此发展洁净煤和二氧化碳处理技术是当务之急。煤炭是自然界的森林经过地质历史时期的自然物理化学过程而形成的自然资源,地球只给予一次,属于不可再生的可耗竭的稀缺性自然资源,应该特别珍惜。煤矿开采不仅在环境上存在负外部性,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一种本质不安全的行业。矿工的劳动是神圣而伟大的,正是他们点燃了自己而照亮了别人。我还记得入学时听到的一句话:“矿工始终是第一位的”。随着国家经济状况的改善,以人为本是必然的理念,煤炭开采业应该脱离高危行业。因此,珍惜资源、发展机械化和自动化,保护环境和保证人员安全的“科学采矿”观是必然的选择。显然,科学地产能不应仅仅是资源量的反应,而应该是可持续的资源量与科学技术、人才和装备的综合体现。据统计,2007年我国高产高效矿井产煤量8亿吨,百万吨死亡率为0.04,也就是说全国煤产量的1/3在保证安全生产方面是科学的,而其余2/3产能是不科学的,尤其是乡镇煤矿的产能在保证安全和保护环境方面均不可取。虽然,煤炭工业为了保证国民经济发展的需要为国家做出了巨大贡献,但一直是在超能力生产,其结果必然导致煤矿事故不断、严重破坏环境,最后延伸到破坏行业形象、人才难以汇集。煤炭行业在为国民经济做出巨大贡献的同时也引起社会责难,付出了巨大社会资本。这意味着,原有的采矿技术和理念需要有重大变革,而实行“科学采矿”是必然的选择。为此,我们对“科学采矿”的科学内涵进行了深入探索。2000年世界采矿大会提出“Everything begins with mining”(一切始于采矿)。采矿是一门既古老又现实的学科,没有采矿就没有资源(能源)。因此,采矿工程必然随着时代的进步而不断发展和完善。

  从高中到大学的学习,培养了我的自学习惯,不受书本约束,与同学热切地讨论,做读书报告,并且学会了提出问题、归纳和梳理问题的能力。1954年毕业后又经过研究生学习,为我之后的科研工作奠定了基础。大学毕业至今已50多年,回忆起来,开始的10年是积累的时期,1966年至1978年是因“文化大革命”的影响而处于停顿的时期。尔后才迎来科学研究的春天,加之研究生制度的恢复,研究工作形成了集体攻关,因而大量的论文发表在这个时期。科学研究只有具备虔诚地进入科学殿堂的精神,才能排除名利的干扰,才能逐步形成正确的思路,而正确的思路源于实践,研究的成果必须得到实践的检验。因此,我坚持的科学研究是一个“实践—理论—再实践”的完全过程。同时,在研究过程中,还要始终保持勤奋,即要“勤于实践,勤于学习,勤于思考,勤于总结”,四方面缺一不可。另外在研究过程中要不断注意“整体—局部”、“森林—树木”、“现象—本质”的关系,可以少走弯路,避免钻牛角尖。一个人的思维往往是不完整的,而集体的讨论能弥补不足,因此,学术争论是形成完整学术观点必不可少的重要途径和手段。

  “上天难,入地也不易”。目前煤炭开采存在的安全、保护环境和机械化等问题,实际上是科技资金和人力投入不足的结果。尤其是探索开采后岩层破断引起的应力场、裂隙场变化和地表沉陷规律,它直接涉及安全生产、环境和资源保护,至今仍然留下不少疑问和需要进一步完善的地方。《岩层控制与煤炭科学开采文集》是记录半个世纪以来,随着煤炭事业的发展,我和我的研究集体在矿山压力及其控制方面,尔后延伸到“绿色采矿”和“科学采矿”所做的探索和研究工作,其中亦反应了一些经验和不少教训,可作为后人的借鉴。

  60多年时间,弹指一挥间。只有利用好有限的人生,才能使科学研究以最高的效率、像接力一样达到科学的顶峰,造福人类。

  2011年是我和夫人何其敏的金婚纪念。50年来,她陪伴我度过了不少艰难岁月,有条不紊地处理了许多家庭琐事,保持着家庭的稳定和美满,使我以最大的精力从事我的教学和科研工作。我把《岩层控制与煤炭科学开采文集》的出版亦作为对她的感激和我与她的金婚纪念。