刘海军  张超  张文烨
本报记者 | 程晖

    党的二十大报告指出，中国式现代化是人口规模巨大的现代化，是全体人民共同富裕的现代化，也是人与自然和谐共生的现代化。我国资源总量丰富，但人均占有量远低于世界平均水平，尤其油气、铁、铜等大宗矿产人均储量远低于世界平均水平。随着近现代的资源开发，地球浅部资源日益减少，国内外矿山相继进入深部资源开采状态，而且随着开采深度增加，工程灾害日益增多，安全问题更加凸显。为此，国际采矿、岩土工程界提出了“深部”概念，深部工程安全成为重要研究对象，向地球深度进军的“入地”问题成为科学探索的目标。
    
开发深部资源
必须把工程安全放在首要位置

    我国“十三五”科技发展规划，曾对“深海、深地、深空、深蓝”战略作出部署，其中“深地”主要指对地球深部矿物资源、能源资源的勘探研发，这是关乎国家重要战略资源和能源开发高效利用的重大举措。
    所谓“深部”，是指随着地下开采深度增加，工程岩体开始出现非线性力学现象（如岩爆）的深度及其以下的深度区间，一般把位于该深度区间的工程称为深部工程，比如矿山、矿井、隧道、地下工程。通往地球深部的路充满荆棘，摸清地下岩石的“脉搏”更不是一件容易的事，而且越深入就越危险。最常见的就是施工诱发的岩爆，可以让一颗小小的石子瞬间变成“子弹”，既伤人伤设备，又耽误工期，是深井矿山面临的主要安全隐患之一。
    岩爆是指地下开采的深部区域岩体中聚积的弹性势能，由于地下工程活动破坏了原有平衡而突然猛烈释放，导致岩石脆性爆裂并弹射出来的现象，最高震级可达4.6级，烈度可达7~8度。岩爆往往造成开挖工作面严重破坏、设备损坏和人员伤亡，并危及地面建筑物。比如，2008年“西电东送”的标志性工程锦屏二级水电站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，是世界上施工难度最大的水工隧洞之一，施工过程岩爆风险极高。当时，中国工程院院士、东北大学岩石力学与工程专家冯夏庭带领团队深入一线，摸清深部工程围岩剧烈破坏的“脾气”，掌握调控措施，将实验室的成果应用到强烈岩爆频发的现场，一举攻克了深地工程难题。
    巴基斯坦N-J水电站工程，是“一带一路”中巴经济走廊上的重大能源项目，被誉为“巴基斯坦的三峡工程”。2015年5月，工程发生极强岩爆，停工修复半年之久。又是冯夏庭带领团队远渡重洋，现场开展岩爆监测与预警的“实时诊断”，及时精准地预警出隧洞开挖过程中潜在岩爆区域与等级。川藏铁路巴玉隧道，拉萨至林芝段控制性工程海拔3500米，地处板块缝合带，是世界首座重度岩爆铁路隧道，岩爆发生强度大、频率高世界罕见。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。冯夏庭主动请缨，进军川藏，直面高海拔、强岩爆的困难挑战，自主研发高原铁路隧道岩爆智能微震监测预警系统。由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%。实践证明，充分发挥科学研究科学实验的作用，用科技的力量来守护工程安全，直接降低了岩爆等带来的危害，为施工人员及设备安全提供了可靠保障。
    
解决深部工程难题
必须依靠科技基础设施支撑

    深地开采与深部工程建设由于高应力、强烈地质构造活动、大规模开挖扰动等，极易诱发岩爆和塌方等灾害，对国家财产和生产安全造成重大威胁。为了切实解决这些难题，东北大学创造性发挥从地质到采矿选矿、从冶炼到轧制、从材料到机械全产业链学科专业群优势，建设了深部金属矿山安全开采教育部重点实验室，并由冯夏庭亲自担任重点实验室主任。通过重点实验室10年的成果积淀，又以冯夏庭为学科带头人建设了深部工程与智能技术研究院，旨在融合东北大学人工智能与深部工程学科的优势力量，聚焦深部工程岩体力学与安全，深部油气资源开发与储存等问题。近年来，该科研团队自主研发深部工程岩体破裂与灾变过程系列真三轴试验装置12台套、国际首套高精度微震智能监测系统，测试尺度涵盖室内厘米级试样、米级大型三维物理模型和现场百米乃至千米级原位监测，制定了该领域6项国际建议方法，获国家科学技术进步奖二等奖4项，获国际岩土力学计算机方法和进展协会杰出贡献奖。其中，深部金属矿山安全开采教育部重点实验室有一个岩爆科技攻关小组，三年多来不畏寒暑、不分昼夜，每年365天驻守在祖国边疆某重大工程现场，进行岩爆监测预警与现场试验研究，获取第一手资料、解决一线工程难题，甘做地球心脏的“理疗师”，真正把论文写在了祖国大地上。
    为了打造国家战略科技力量，支持辽宁建设重大科技基础设施项目，建设具有全国影响力的区域科技创新中心，东北大学会同辽宁省、沈阳市政府，精心谋划了“超大型深部工程灾害物理模拟试验设施”项目，冯夏庭担任首席科学家领衔建设。中国工程院9位院士组成的专家组通过了项目论证，并从设施体量、先进程度、技术能力、建设周期等方面给出了建议和意见，为项目重大决策提供了科学依据。这个超大型深部工程灾害物理模拟试验设施，以总输出8万吨荷载能力加载系统作为基础平台，可在深部复杂地质条件下测试5米×5米×5米模型，可智能监测开挖、开采、抽采等深部工程变形和破裂全过程，可实现多任务智能协同总控系统与大数据云共享。项目建成后，将在世界范围内首次实现工程灾害5米级超高仿真物理模型试验，为深部工程地质、深部工程安全科学和深部工程岩体力学领域提供科学研究平台，促进机械、材料、信息等学科交叉融合发展，保障国家资源能源战略安全，有力支撑智能制造、新材料、资源能源等产业发展，助力辽宁全面振兴取得新突破。

加快深部工程实验项目建设
必须通力合作多方推动

    “超大型深部工程灾害物理模拟试验设施”项目，是站在科技自立自强的高度，前瞻谋划的重大科技基础设施，也是辽宁省打造区域性科创中心迫切需要的国家级创新平台。该项目对于增强原始创新能力、实现重点领域跨越、保障科技长远发展、实现从科技大省迈向科技强省的目标具有十分重要的意义。辽宁省委、省政府高度重视科技基础设施建设，《辽宁省“十四五”科技创新规划》提出依托东北大学建设深部工程与智能技术国家重点实验室，不久前出台的《辽宁全面振兴新突破三年行动实方案》明确指出“推进沈阳深部工程试验装置等大科学装置纳入国家战略布局”。沈阳市将“超大型深部工程灾害物理模拟设施”项目列为沈阳市首个重大科技基础设施项，并给予多方面的支持，目前正在建设中。东北大学充分发挥深部工程岩体力学学科优势，整合校内资源，开展科研攻关、协同创新，全力建设功能完备、技术领先、运行高效、创新有力、成果产出显著的重大科技基础设施。
    当前，科技发展一日千里，需要统筹各领域资源，协调各方面力量，加大投入力度，加快项目建设，完善工作机制，为引育壮大新动能夯实基础，为培育战略科技力量添砖加瓦。同时，要抓住政策机遇，用好时间窗口，补上重大科技基础设施和大科学装置短板，尽快推进设施建成并发挥效能。要积极推进部省市校共建，着力强化科技教育人才支撑，深化科教融汇发展，开展“卡脖子”关键核心技术攻关行动，增强科技创新能力。
    专家建议，广大科研工作者也要肩负起服务国家高水平科技自立自强的使命，发扬科学家精神，坚持把向地球深部进军作为必须解决的战略科技问题，在产学研合作中构筑大平台、凝聚大团队、攻关大项目、培育大成果，将更多实验室科技成果转化为现实生产力，系统解决生产、管理、安全等方面的难题，引领推动产业结构调整和转型升级。