“传道经纬：科学家的故事”何满潮院士主题讲座

　　2024年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。
　　活动承办单位为北京大学建筑与景观设计学院/流域人居系统研究中心、流域地方性建成环境山西省重点实验室、中国城市规划学会流域空间规划分会。本次讲座由汪芳教授组织并主持。本次学术活动得到国家自然科学基金重点项目（编号52130804）支持。

　　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。


　　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。

　　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。
　　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。 　　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。

　　报告交流

　　交流讨论环节由汪芳教授主持，北京大学科研部张存群副部长、东北大学赵兴东教授、中国矿业大学李树忱院长、北京大学胡燮研究员作为讨论嘉宾参与讨论。
　　汪芳教授提到，何院士基于学科交叉，并结合对社会发展规律的深入理解，开展科学工作，极具启发。何院士与国际学术界进行共性科学问题的探讨，并积极推进以中国科学家为主导建立科学体系，意义深远。在讲座中，何院士多次提到，科学成果如何服务国家经济发展，保护人民生命财产安全，这体现科学研究的价值与意义。
　　张存群副研究员对何院士严谨求实的治学态度和传道受业解惑的师者之风给予充分肯定，以问题导向的科研攻关到转化为现实生产力的工程思维对北大营造新工科文化有很大助益。赵兴东教授提出，在煤矿开采中，寻找力的突破点十分关键，而何院士所提出的检测系统对解决该问题有很大的意义。李树忱院长与何院士讨论了学科建设与科学及人生价值观之间的关系。胡燮研究员谈到了人生不同阶段实现人生剩余价值最大化的途径与方法。
　　问答环节中，师生们就人生剩余价值理论的看法、如何平衡理想与现实、人工智能的影响和挑战、提升科研研究的质量等问题展开讨论。何满潮院士强调，同学们目前处于生产者与贡献者的转折点之间，勉励同学们努力尽快跨越临界点，为社会做出贡献；青年人应该以国家的重大需求为己任，关注国家的行业难题和专业的难题，为国家做出自己的贡献。这次交流使师生们对科研工作的使命与人生价值的意义有了更深刻的认识。
　　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。
　　本次“传道经纬：科学家的故事”吸引到来自中国矿业大学、东北大学、清华大学、北京建筑大学、扬州大学、北京林业大学、北京科技大学、北京外国语学院、北京交通大学、中国地质大学、昆士兰大学、国家自然灾害防治研究院、衡水学院生命科学学院、中铁十五局集团有限公司和北京大学兄弟学院的老师、同学们，感谢各位对活动的支持。

　　主讲人：何满潮 院士，中国矿业大学(北京)
　　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。
　　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。