鲜学福(年1月—),矿山安全技术专家,中国工程院院士,煤层瓦斯(煤层气)基础研究的开拓者。长期致力于矿井煤层气理论及其工程应用的研究,通过理论和实践验证解决了国际上有争议的瓦斯吸附键问题,建立了煤与瓦斯突出潜在危险区预测的力学方法。先后获国家科技进步奖3项,年荣获“庆祝中华人民共和国成立70周年”纪念章及“最美奋斗者”称号。
年,鲜学福考入四川省立教育学院数学系。年,为了国家需要,他改学工科,重新报考大学。
年,在毕业分配登记表上,他在最后一栏志愿栏里郑重写下“终身献身煤矿事业”。今天看来,他实现了当初的诺言。改革开放以来的40年,鲜学福一直紧盯国家能源需求,为我国矿山安全技术及工程领域、矿井煤层瓦斯开采理论及工程应用等领域的研究作出了巨大贡献。
敢为人先 率先攻克国际性难题20世纪60年代,国家经济建设急需能源方面的工程技术人才,鲜学福被派赴苏联留学,学习苏联当时很热门的水力采煤技术。就在鲜学福学成归国准备大展拳脚的时候,苏联的水力采煤技术因其固有的缺陷在国内已逐渐被淘汰,水力采煤矿井所剩无几,这几乎让他赴苏联所学技术毫无用武之地。
但随着煤矿安全生产问题日益突出,特别是煤与瓦斯突出和瓦斯爆炸成为煤矿安全生产最大的拦路虎。鲜学福看在眼里,急在心里。由于当时中国在治理煤与瓦斯突出时,基本上都是照搬苏联经验。鲜学福说,苏联的斯可琴斯基院士,曾总结出最有效的手段是在有突出危险煤层的上(或下)部先开采保护层来保护突出层。当用层间距60米以下的上保护层和层间距10米以上的下保护层开采危险层时,整个开采阶段都将受到保护,同时指出,由于开采保护层将造成邻近卸压层向保护层涌出大量瓦斯,为此要进行打钻预排瓦斯,并加以利用。当时重庆的南桐、中梁山煤矿下保护层开采都面临层间距小于10米的保护层开采问题,而近距离开展保护层开采风险系数极大,国外也尚无成功先例,可否突破外国的经验?
带着这个挑战,鲜学福开启了他学术生涯的第一次转向。20世纪60年代初,他组织重庆大学釆矿系在南桐矿务局开展保护层开采防治瓦斯灾害方面研究的老师,开展了近距离保护层开采及瓦斯抽放方面的研究。终于在60年代中期,鲜学福组织的科研小组经过坚持不懈的试验,最终取得技术突破,在重庆南桐矿务局成功实施了近距离开采保护层抽放瓦斯的工程实践,攻克了近距离开采保护层抽放瓦斯这一具有极大风险的国际性难题,使我国成为世界上最早实践近距离煤层保护层开采及瓦斯抽放技术的国家。
此后,又在此基础上与博士生孙培德合作研究建立了开采保护层双层和多层系统越流的固气耦合渗流计算方法,并解决了邻近层有效保护范围的划分问题。在20世纪70年代,鲜学福就提出煤层中的瓦斯不仅是致灾因素,也是一种较洁净能源和资源的学术观点,使我国煤矿瓦斯安全工作重点逐渐由治理措施转化为防治结合,采煤前先对瓦斯进行抽采,化害为利,从源头上对瓦斯灾害进行防治,并对瓦斯资源加以利用。
鲜学福和他的团队在煤与瓦斯突出灾害的防治方面开展了大量理论和实践研究,其分管的项目在年召开的全国科学大会上获奖。
探幽入微 解决国际性学术争议年3月18—31日,*中央、国务院召开了规模盛大的全国科学大会,明确了“科学技术是生产力”的马克思主义基本论断,打开了解放思想的先河,确立了尊重知识、尊重人才的根本方针,迎来了中国历史上灿烂的科学的春天。
对此,鲜学福感同身受。和全国众多科技工作者一样,鲜学福学术和教学生涯中的*金时期,就是从这个春天开始的。年以后,鲜学福得以全身心地投入中断多年的煤与瓦斯突出灾害防治研究中。
对于瓦斯抽采工程实践及煤与瓦斯突出机制的研究,厘清甲烷分子与煤表面分子的相互作用机制至关重要。20世纪80年代末到90年代初,国际上对这一问题尚无定论,多数学者认为甲烷分子与煤表面分子之间的作用力为范德华力,但也有少数学者,如爱丁格尔、陶尼克等提出,在较大的压力条件下,它们之间可能存在化学键,且一般是亚稳态的。
为解决这一学术争议,—年,鲜学福院士打破学科界限,率先开展学科交叉研究,吸纳化学学科的学生加入团队,采用X射线散射、红外光谱、CT扫描技术多种表征测试手段,从分子水平上研究了甲烷在煤中的吸附(解吸)过程,掌握了煤表面与甲烷分子相互作用势的大小、分布,以及吸附态的特征和实验测定,得出非极端条件下煤与甲烷的相互作用力为范德华力。
在当时的条件下,虽然可用于分子与固体表面相互作用研究的实验技术很多,但都无法用于对甲烷与煤吸附体系的研究,考虑到采用同位素取代(氘代氢)后可克服煤中C—H键的影响,鲜学福带领团队尝试了用现场低温红外光谱对甲烷在煤中吸附进行实验测定。结合量子化学计算方法和现场低温红外光谱实验对煤表面与甲烷相互作用的研究,得出甲烷与煤表面的相互作用是各向异性的,当甲烷在煤核表面呈正三角锥重叠式吸附时能量最低,相互作用势最大,在此基础上也得出甲烷与煤表面分子之间的作用力属于范德华作用力,吸附过程为物理吸附,从理论和实验上解决了尚有争议的甲烷与煤表面作用的吸附键属性问题,为煤与瓦斯突出机制的研究及瓦斯抽采技术的开发奠定了坚实的基础。
另辟蹊径 建立煤与瓦斯突出灾害预测新方法据资料记载和不完全统计,从年法国鲁阿雷煤田依阿克矿发生第一次煤与瓦斯突出以来,世界上有包括中国在内的20多个国家发生了4万次左右煤与瓦斯突出灾害,最大的两次为年发生在苏联顿巴斯加加林矿的突出(突出煤量吨,瓦斯量立方米)和年发生在中国重庆天府三汇一矿的突出(突出煤岩量吨,瓦斯量00立方米)。长期以来,世界各国众多科学家开展了对这一科学问题的研究,特别是俄罗斯和中国,在突出的防治方面已经取得了一定成绩,但煤与瓦斯突出灾害现象仍时有发生。
在鲜学福看来,煤与瓦斯突出,实际上是一种矿山工程地质灾害,它的防治包括了要阐明突出发生的机制,找到其预测预报方法,开发出其监测手段和制定出与其对应的防治措施,其中最核心的科学问题是机制与预测,而关键技术难点也在这里。这一核心问题的研究不仅涉及地质与工程科学,还涉及与它们相关的物理、化学、力学和数学等学科。
对煤与瓦斯突出潜在危险区的预测在瓦斯灾害防治中至关重要,长期以来,对这一问题的研究大多停留在定性研究阶段。煤矿生产的实践表明,煤与瓦斯突出具有区域性和成带性,而发生煤与瓦斯突出的区域多数就位于一个矿井的地质构造变动带。为探究该现象发生背后的原因,鲜学福带领团队从力学的观点出发,认为该现象的发生,可能是与地质构造带煤岩层的几何形态发生了变化有关,同时也与地质构造带中煤岩体的物理力学性质发生了相应的变化有关。
鲜学福认为,只要在矿井建设前和生产期间能取得较为详细的地质资料,按力学的思路进行地应力测试,并有针对性地获取煤岩物理力学性质,就可以用力学的数值方法来进行矿井煤与瓦斯突出潜在危险区的预测。
基于该思路,鲜学福提出了一种利用凯塞尔效应测地应力的方法,用该实验方法证明了复合岩石和含瓦斯煤的应力应变规律与单一岩石和煤具有一致性,为数值计算含瓦斯复合煤岩本构方程的选择提供了依据。基于实验结果,在德鲁克-布拉格强度准则的基础上,建立了充瓦斯煤岩断裂破坏的应力强度和应变强度准则,并提出了用稳定性系数来划分突出潜在危险区的方法。
在研究中,鲜学福从不满足于一般性的理论推导,不管这种推导在逻辑上有多严密,仍要通过数值计算及与室内实验、现场应用结果进行比对,反复验证。基于此,鲜学福将提出的这种煤矿井工开采预测煤与瓦斯突出潜在危险区的方法在重庆南桐鱼田堡煤矿、砚石台煤矿、水江煤矿,四川芙蓉巡场煤矿、绿水洞煤矿和河南平顶山八矿等多座煤矿进行了应用,证明了发生突出的区域与预测结果具有很好的一致性,验证了方法的可靠性。
引领前沿推进国际首次超临界二氧化碳压裂现场试验在科研的道路上,鲜学福永葆一颗求索求真之心,始终