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院士风采——蔡美峰

发布时间:2014/02/26

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 奋发求学路,浓浓师生情

 

蔡美峰1943年出生在江苏如东的一个渔村,出生三个月的时候,父亲在一次打鱼的时候出意外过世,母亲独自拉扯着四个孩子长大,非常艰辛。作为一个成长在农村的苦孩子来说,在那个年代能有机会进入大学学习知识,有机会攻读硕士学位甚至是出国,蔡美峰无疑是幸运的,而在得到命运垂青的同时,他也付出了巨大的努力。

1962年,肩负着乡亲们的重托,怀着强烈的求知欲望,蔡美峰步入上海交通大学,成为一名工程力学专业的大学生。1968年大学毕业,他被分配到了国防科工委一个下属部门,在湖北宜昌待了近十年时间。尽管工作、学习的条件都被“文革”制约着,但蔡美峰从未停止过他那强烈的求知欲,从未放松过学习。文化大革命结束,国家恢复研究生招生,终于迎来了科学的春天。带着十余年的知识储备,蔡美峰作为文革后的第一批研究生,踏进了北京钢铁学院(现北京科技大学)攻读硕士学位,专业是采矿。在这座科学知识的神圣殿堂里,他又有了鲜活的生命力,这也成为他一生的重要转折点。

在钢铁学院,蔡美峰认识了他的导师于学馥教授,可以说于学馥先生是把他引入采矿专业的恩师。报考研究生的时候,于学馥教授知道蔡美峰本科是学习力学的,改行报考采矿专业,还特地告诉他采矿专业很苦,能不能坚持?他当时很坚定地说能。

蔡美峰满怀深情地回忆起在于学馥先生90高龄的时候探望他的情景。“于先生当时还能够提出很有创新性的想法,对于岩石的一些理论依然能娓娓道来。他的另一位学生张玉卓去年也被评为了院士,一位教授能培养出两位院士的情况非常少见,由此也可以看出于先生的学术底蕴深厚。蔡美峰说。

于学馥教授为学生着想的行为也为蔡美峰留下了深刻地印象,在蔡美峰考取澳大利亚访问学者的时候,国内也开始恢复学位制度,于学馥先生被评为全国第一批博士生导师。“虽然当时于先生很希望我能读他的博士,但还是觉得出国更有利于我的科研学术,就非常支持我去澳大利亚。我想,如果没有于先生的引导,我就没机会踏入采矿专业的大门,也不会得到澳大利亚留学机会,不会有如今的研究成果。蔡美峰回忆道。“于学馥先生带学生,第一个特点是以身作则。他自己不断探索、不断形成新的思想,要求学生也有独立思维的能力、有新思想。第二个特点是深入实践,注重通过研究解决实际问题。于先生对学生在学术、生活方面的要求对我的影响都非常深。所以硕士毕业,我留校做了老师之后也一直努力学习、传承于先生的为师之道。”  

蔡美峰很关心他的学生,特别希望让学生学到真东西,进入社会后站稳脚跟。同时,他很关心新一代青年教师的发展。从教书角度来说,蔡美峰觉得青年教师应该与学生保持一种平等的亲密关系,必须靠自己的学识水平给学生提供很多值得学习的东西,给他们树立人品等各方面的榜样。学校也应当着重培养青年教师,关心青年教师的发展。青年教师自身也应努力做学问,不为名利,有自己的思维。同时还要避免有很多项目却没学术成果的问题,要善于总结和提升,早日取得标志性的成果。对待学术研究上的困难,他希望青年教师能够学会不断总结提高,努力提升学术成果的高度。做学问方面,他觉得青年教师要有目标,有恒心,有基础。  

 

 

严谨科研路,莘莘报国志

 

1985年,蔡美峰被国家选派作为访问学者赴澳大利亚留学并攻读博士学位。蔡美峰抵澳后,原本是要去悉尼附近的卧龙岗大学从事坑道支护技术的研究,那个项目经费充足,也比较容易出成果,从另一方面来说蔡美峰硕士毕业后也一直从事着这方面研究。而当时悉尼新州大学另有一个地应力课题,是一个外国博士研究生准备了一年半后,认为无法继续而放弃的。这个项目的经费需要逐年申请,没有保证。蔡美峰在国内的时候,就接触过这方面的工作,当时因为没有摸清地应力的分布规律,有些矿井建了十多年都不能投产。因为地应力测量难度大,成本高,致使我国地应力测量起步较晚,技术不完善,开展也不广泛,地应力资料的缺乏,严重制约了我国采矿工程和技术科学水平的提高。蔡美峰深刻体会着地应力对采矿工程的极端重要性,他从国家需要出发,勇于承担风险,决定从事这方面的课题研究。

因为选择了一个大家都不愿“啃”的骨头,科研方面只有他一个人孤军奋战。他的研究不光要耗费脑力,还要耗费巨大的体力,试验需要200多块70 kg左右的岩石试块,他每天要把岩石试块从试验台上搬上搬下,要在一尺半高的试验台底部爬进爬出,劳动强度不低于建筑工地上的运料工。而为了早点出成果,他常常是从早上八点一直干到晚上九点。他为研究忘记了休息,但他时刻惦记着党和人民的恩情。当时他只有一个念头:没有党组织的信任和培养,没有父老乡亲的哺育,自己不可能有今天这样的机会,冲着这些,自己只有勤奋,只有刻苦,取得成就,才能不负这些重托,才能报答党和人民的恩情。终于经过近五年的努力,他的研究成果得到了国际专家的认可。这为后来他在地应力测量领域取得国内外瞩目的突破性成果,提出以地应力为切入点的金属矿采矿优化理论等奠定了坚实的基础。

1990年,蔡美峰获得博士学位,当时澳大利亚政府已经宣布接受所有中国留学生永久居留申请。蔡美峰却坚持认为,国家在不算富裕的情况下花了很大的代价让他有了出国学习的机会,在国家需要的时候回国服务,这是天经地义的。因此,在拿到博士学位半个月后,他毫不犹豫地选择了回到祖国的怀抱。

时至今日,蔡美峰的学术研究成果颇丰,也获得了业界的肯定。他的主要研究除了之前提到的地应力测量研究技术,还有边坡稳定性优化设计方法、露天转地下开采优化理论预测岩以及爆趋势技术。

露天采矿场的一个重要构成要素就是边坡角,采矿坑要注重边坡稳定性。要是想降低采矿成本,就需要提高边坡角,但是边坡角过陡稳定性就不好,过缓又不利于挖掘。因此蔡美峰研究出了边坡稳定性优化的设计方法,根据优化设计理论来涉及边坡角。当矿产资源埋藏的深度比较大的时候,采用露天开采在技术上还有成本上的开采困难比较大,深度开采会开挖出大量的岩石也会占据大量土地。那么针对这个问题,他提出了整套露天转地下开采的优化理论。 地应力会随着深度的增加而线性增长,所以深度开采就会面临高地应力的问题,从而会引发岩爆,也就是人为造成的地震。岩爆若发生在采矿过程中会造成巨大的损失。所以蔡美峰的第四个研究成果就是关于预测岩爆的,他提出了预测岩爆趋势的技术,从而探究深度开采安全的问题。

凡是与蔡美峰教授一起工作过的人,无不对他一丝不苟、周密思考和谦虚谨慎的治学态度留下深刻的印象。十几年如一日,蔡教授长期从事采矿工程领域的教学和科研工作,倾注了全部心血。 

六十多年的人生道路,对于蔡美峰教授来说充满了坎坷和艰辛。作为一名在艰苦环境中成长起来的科研工作者,蔡美峰以自强不息的精神和达观坚韧的人生态度在平凡的科研岗位上做出了不平凡的业绩;作为一名共产党员,蔡美峰忠诚于自己的事业,在工作的各方面都起到了模范带头作用,用实际行动体现着共产党员的先进性;作为一名高校教师,蔡教授多年的工作经历体现了新时代教师甘于奉献的时代精神、率先垂范的师德风尚和乐观进取的人生态度。

从一个苦孩子成长为中国工程院院士,蔡美峰付出良多,收获良多。他用自己的顽强奋斗燃烧着壮丽的人生,照亮着最光辉的事业。在步入2014年之际,他也有一个新年愿望,那就是:祝国家繁荣昌盛,学校人才辈出,团队成果丰硕。

                                                  (供稿 刘蕊)

 


   

蔡美峰院士主要学术成就和学术贡献

 

1.发明了一种完全温度补偿的地应力测量方法和装置,提出了符合工程岩体特性的地应力测量分析理论与计算方法,推进了我国矿山地应力测量的开展、普及与提高,为实现科学采矿创造了必要条件。

 

地应力测量难度大、成本高,致使我国矿山地应力测量开展少、资料缺乏,严重制约了采矿工程技术水平的提高。要改变这种状况,就必须开发低成本、高效率、高精度的测量技术与装置。为此,蔡美峰从上世纪80年代留学澳大利亚起的很长一段时间内,主攻地应力测量技术,并将最适用于矿山的应力解除法作为研究重点。通过在澳5年多系统试验研究和回国后的继续研究与工程实践,发现了影响其测量精度的两个关键问题:一是测量元件电阻应变片对温度变化非常敏感,变化1℃就可引起测量结果很大误差;二是传统地应力测量理论假设岩石是线弹性、连续和各向同性的,这与实际岩体条件不完全相符,从而造成计算误差。针对这两个问题,蔡美峰发明了完全温度补偿的地应力测量方法和装置,其要点是研制出专用应变-电阻-电压转换装置和通过标定试验消除温度变化产生的虚假应变值;建立了符合工程岩体特性的地应力测量分析理论与计算方法,要点是在由应力解除测量应变计算地应力时,考虑和修正岩体非线弹性、不连续性和各向异性的影响。详细技术见附件材料中蔡美峰著《地应力测量原理和技术》第七章。在提高应力解除法测量可靠性、实用性和精度方面取得重要突破。

蔡美峰长期致力于我国矿山地应力测量的开拓、普及与提高,撰写了我国第一部系统介绍地应力测量的专著《地应力测量原理和技术》;带领课题组完成了30多个采矿和岩土工程的地应力测量,为应用地应力实测成果指导科学采矿做出了示范;第一次将地应力测量引入深凹露天矿边坡工程,测得峨口露天矿地应力场以水平构造应力为主导,否定了山坡地构造应力已充分释放的传统假设,为改变只考虑自重的边坡设计方法,实现深凹露天矿边坡设计科学化提供了依据;改进传统水压致裂技术,在山东万福煤矿首次采用水压致裂法完成超千米深部地应力场测定,开创了我国矿山在地质勘探阶段就进行地应力场测量的先河。

上述成果在国内外权威与重点刊物和重要学术会议发表论文数十篇,得到国内外同行高度关注和评价并被广泛引用和应用。获1999年国家技术发明三等奖(排名第一)。

 

2.提出了以地应力为基础的采矿设计优化理论,创造性地解决了有代表性矿山开采中的关键技术难题,提高了我国采矿工程和技术的科学水平。 

金属矿床多数是无定的脉状矿体,赋存状况极其复杂。经典力学方法无法计算具有复杂结构的采矿工程问题,因此传统采矿设计只能靠经验类比。采矿规模扩大和向深部发展,经验类比法失去了作用。为了保证开采安全和高回收,必须进行采矿设计的准确计算和分析,地应力作为矿体力学边界条件的确定使现代数值模拟等计算技术的应用成为可能。在没有实测地应力资料时,假设自重应力场为条件,垂直应力是水平应力的2倍,而实际情况水平应力是垂直应力的2倍左右。如此计算,一个宽度为2倍高度才安全的巷道会设计成高度是宽度的2倍,宽高比失调将导致巷道坍塌破坏,影响正常回采和引起灾害事故。为此,蔡美峰提出以实测地应力为基础,根据实际矿体赋存条件,通过定量计算和分析,确定最佳开采总体布置、采场结构参数、开采顺序、开采工艺、支护加固与安全监控措施,最终实现安全高回收的开采目标,逐步形成了具有自身特色的采矿设计优化理论,并在地下、露天和露天转地下采矿工程中得到成功应用。

在“九五”国家攻关专题“新城金矿复杂条件矿床采矿方法研究”中,针对该矿围岩破碎、稳定性差和原有的两步回采工艺造成的生产能力小、开采难度大、矿石损失率大等问题,首先实测获得矿区地应力状态,然后进行开采顺序和工艺的优化,提出了“品”字形布置采场进路的一步连续回采技术,使采场生产能力和劳动生产率大幅度提高,矿石损失率和贫化率显著下降。获2000年国家科技进步二等奖(排名第二)。

在“十五”国家攻关课题“大型深凹露天矿高效运输系统及强化开采技术研究”中,针对随着开采深度增加开采难度越来越大、生产效率下降,生产成本急剧上升的难题,在系统的地应力测量和岩石力学研究基础上,首次采用三维数值模拟和三维极限平衡分析相结合的边坡优化设计方法,将首钢水厂铁矿总体边坡角提高3°以上,减少剥岩量近亿吨。同时,在该矿建立了新型高效运输系统和自动化实时生产调度系统。攻关5年中,尽管开采深度不断增加,矿石成本仍然下降31%,劳动生产率提高2.3倍,创经济效益1.39亿元/年。获2007年国家科技进步二等奖(排名第一)。

“十一五”国家科技支撑计划课题“露天转地下相互协调安全高效开采关键技术研究”中,为了避免首钢杏山铁矿露天与地下开采相互扰动或脱节,出现减产、停产局面,基于地应力实测结果和矿体赋存条件,制定了露天转地下开采优化设计方案,实现了不停产平稳过渡,产能和效益提高2倍以上。20111月科技部验收认定课题成果总体达到国际先进水平,部分处于国际领先水平。 

3.以由地应力主导的能量聚集和演化为主线,揭示矿震、岩爆等诱发规律及其与采矿过程的关系,为开采动力灾害的预测和防控研究提供了一条有效途径。

 

随着开采深度的增加,地应力越来越大,由此引发矿震、岩爆等一系列灾害事故。蔡美峰提出了以地应力主导的能量聚集和演化为主线,进行矿震、岩爆等开采动力灾害预测和防控研究的方法,取得了重要的实用成果。

在“抚顺矿震时间-空间-强度预测及其对城市危害性评价研究”中,首次提出了开采扰动势模型,建立了矿震与开采量、开采深度、断层构造和应力环境的关系。根据开采扰动势模型计算出抚顺老虎台矿开采扰动诱发的能量,由能量结合地震学知识对抚顺矿震趋势和震级作出了预测,并被随后的事实所证实。研究成果在指导抚顺城市安全规划和老虎台矿减震防灾中发挥了重大作用。

在“玲珑金矿深部岩石力学与采矿方法综合研究”中,提出了金属矿发生岩爆的两个必要条件:岩石具备储存高应变能的能力,采场具有产生高能量的应力环境。以此为指导,根据现场实测地应力,通过定量计算获得深部采场围岩中的应力、应变分布和能量聚集与演化规律(应力乘应变之积为能量);同时通过试验获得岩石的力学特性参数。在此基础上,对该矿深部开采岩爆趋势做出了预测,提出了以优化采矿方法为主的岩爆防控措施。

“深部开采动力灾害预测及其危害性评价与防治研究”成果获2003年国家科技进步二等奖(排名第一)。

                                                                                                                                                        (供稿 任奋华)       

 

 

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