国家科学技术进步奖推荐书-中国钢铁工业协会

提名2018年度国家自然科学奖项目公示一、项目名称岩石破裂过程灾变机理与失稳前兆规律二、提名者及提名意见提名者中国钢铁工业协会通讯地址北京市东城区东四西大街46号邮政编码100711联系人曲起联系电话[phone]电子邮箱[e-mail]传真[phone]提名意见：岩石破裂过程灾变机理与失稳前兆规律是进行岩体工程灾害预警的关键性理论问题。该项目突破了传统刚性稳定加载理论束缚，在普通试验机上成功测得了失稳条件下岩石的应力-应变全过程曲线，发现了岩体组合结构中非破裂体应变反向是破裂体失稳前兆这一重要特征；发现岩石变形破裂过程的非线性源于岩石介质的非均匀性，原创研发了岩石破裂过程分析RFPA新方法，为岩体工程灾害研究提供了新的分析工具；揭示了岩爆、突水、煤与瓦斯突出等灾害孕育过程中的岩石微破裂前兆特征，提出了基于模拟与监测相结合的岩体工程灾害分析预警新方法。该项目8篇论著被他引2249次，其中SCI-E他引612次、CPCI-S他引205次、CNKI他引1432次。课题组为我国岩石力学界培养了第一个国际岩石力学学会Rocha奖获得者。原创研发了RFPA方法及软件，首次实现了岩石破裂全过程的大规模并行计算分析，已在加拿大、瑞典等国内外百余所高校或研究机构应用。项目提出的岩体工程灾害分析预警新方法在济钢张马屯铁矿、唐钢石人沟铁矿、锦屏二级水电工程深埋隧道等大型矿山、重大水电工程中应用，为工程安全提供重要技术保障。该研究开创了岩石破裂与失稳这一新的研究方向，促进了岩石力学的学科发展，对确保岩石工程安全具有重要的推动作用。该项目内容真实、符合填报要求，申报经各相关方协商，完成人排序无异议，我会已按要求公示无异议。特提名为国家自然科学奖二等奖。三、项目简介该项目属于矿山安全学科。矿山开采和岩体工程开挖引起的灾害造成大量的人员伤亡和财产损失，这些灾害的发生与岩石破裂过程失稳密切相关。该项目自1993年在国家杰出青年科学基金、长江学者奖励计划和973课题等支持下，研究了岩石破裂过程灾变机理与失稳前兆规律，原创研发了岩石破裂过程数值模拟RFPA(RockFailureProcessAnalysis)方法，研究形成了基于模拟和监测相结合的岩体工程灾害分析预警新方法。主要科学发现点为：（1）建立了岩石破裂失稳灾变模型，突破传统刚性稳定加载理论束缚，在普通试验机上成功测得了失稳条件下岩石的应力-应变全过程曲线，发现了岩体组合结构中非破裂体应变反向是破裂体失稳前兆这一重要特征，为岩体工程灾害孕育过程和失稳前兆规律研究奠定了新的理论基础。（2）基于“脆性破裂孕育在小变形之中”的深刻认识，提出了岩石细观统计损伤本构模型，探讨了岩石破裂过程的损伤演化规律，发现岩石变形破裂过程的非线性源于岩石介质的非均匀性。原创研发了用细观非均匀性模拟宏观非线性、用细观连续介质力学方法模拟宏观非连续介质力学问题的岩石破裂过程模拟RFPA新方法，实现了大型岩体工程结构灾害过程的大规模模拟计算。（3）基于开挖扰动过程中应力积累、应力释放和应力转移（3S）规律的基本认识，揭示了岩体内部微破裂是岩体工程灾害存在前兆的本质，揭示了岩爆、突水、煤与瓦斯突出、滑坡等岩体工程灾害孕育过程的岩石微破裂前兆特征，提出了基于模拟与监测相结合的岩体工程灾害分析预警新方法，在大型矿山、重大水电工程的灾害预警中得到成功应用。成果被国内外同行广泛应用，8篇论著被他引2249次，其中SCI-E他引612次、CPCI-S他引205次、CNKI他引1432次。包括国际岩石力学学会的前任主席C.Fairhurst教授和J.A.Hudson教授在内的千余位国内外学者，都在公开出版物中给予了正面引用与评价。RFPA方法打破了岩体工程高性能并行计算软件领域的国外技术垄断，已在加拿大、瑞典、香港等国内外百余所高校或研究机构得到应用。美国工程院院士P.A.Cundall博士称RFPA方法“比Lattice模型能够更加真实地模拟岩石的破裂过程”。基于模拟与监测相结合的岩体工程灾害分析预警新方法，已在济钢张马屯铁矿、唐钢石人沟铁矿、淮南矿业、锦屏二级水电工程隧道工程的岩爆、突水和煤与瓦斯突出等灾害的监测预警中得到应用，实现了“基于监测的模拟”和“基于模拟的预警”，为岩体工程安全提供了技术保障。课题组已在数十所高校或研究机构建立了基于RFPA分析系统的“数值实验室”，国内外学者应用该系统已完成硕士、博士学位论文300余篇，并为我国岩石力学界培养了第一个国际岩石力学学会Rocha奖获得者，实现了国际岩石力学学会设奖26年来我国零的突破。四、客观评价该项目突破了传统刚性稳定加载理论束缚，在普通试验机上成功测得了失稳条件下岩石的应力-应变全过程曲线，发现了岩体组合结构中非破裂体应变反向是破裂体失稳前兆这一重要特征；发现岩石变形破裂过程的非线性源于岩石介质的非均匀性，原创研发了岩石破裂过程模拟RFPA新方法，为岩体工程灾害研究提供了新的分析工具；揭示了岩爆等岩体工程灾害的岩石微破裂共性前兆特征，提出了基于模拟与监测相结合的岩体工程灾害分析预警新方法，在大型矿山、重大水电工程的灾害预警中得到成功应用。在8篇论著（论文7篇、专著1部）中，7篇SCI论文发表在Int.J.RockMech.Min.Sci.,RockMech.RockEng.,AmericanJ.ofScience等行业权威杂志。论著被他引2249次，其中被SCI-E他引612次、CPCI-S他引205次、CNKI他引1432次。该项目的学术贡献及国内外评价体现在如下三个方面：（1）在普通试验机上成功测得了失稳条件下岩石的应力-应变全过程曲线，发现了岩体组合结构中非破裂体应变反向是破裂体失稳前兆这一重要特征，为岩体工程灾害孕育过程和失稳前兆规律研究奠定了新的理论基础。美国工程院院士、国际岩石力学学会前主席C.Fairhust教授在国际岩石力学学会会刊《ISRMNewsJournal》的前言“FromthePresident”中给予该成果两个自然段的专门评述，称“唐教授的研究令人感兴趣地看到，岩石的实验室试验在一定程度上能够反映出大尺度现象的一些规律。在他的工作中，考虑了加载机的回弹行为和受载岩石峰后区行为的相互作用。……我们再次看到，有关压缩破裂和非稳定变形机制研究的解析和数值分析模型，不仅可以对于试验的设计提供有价值的指导，而且对于推知大尺度失稳现象也提供了一种方法”。英国皇家工程院院士、国际岩石力学学会前主席J.A.Hudson教授在《岩石力学与工程学报》发表的“书评”中评价完成人“将加载系统的刚度概念应用于大尺度地质体的开创性思想对于理解失稳现象是一个有重要意义的进步，进而推广到剪切失稳模式更是一个重大的发展”。（2）提出了岩石细观统计损伤本构模型，探讨了岩石破裂过程的损伤演化规律，发现岩石变形破裂过程的非线性源于岩石介质的非均匀性。原创研发了岩石破裂过程模拟RFPA新方法，实现了大型岩体工程结构灾害过程的大规模模拟计算。中国科协出版的《岩石力学与工程学科发展报告（2009‐2010）》对RFPA方法进行了全面评述，指出RFPA方法“突破了传统认为有限元方法难以处理非均匀、非连续介质力学问题的局限，克服了岩石非线性变形分析中长期困扰人们的不收敛性问题，……大大扩展了有限元方法的应用范围”。国际岩石力学权威杂志Int.J.RockMech.Min.Sci.副主编L.R.Jing教授，在其综述文章中称“近期一个典型的研究进展是唐春安等在1998年利用有限元模拟非均匀岩石的破裂过程”。美国工程院院士P.A.Cundall博士在Int.J.RockMech.Min.Sci.的综述文章中称RFPA方法“比Lattice模型能够更加真实地模拟岩石的破裂过程”。法国学者D.Amitrano等在J.GeophysicalResearch,GeophysicalResearchLetters,Int.J.Fracture等杂志多次明确评价了完成人“基于弹性损伤理论建立的分析方法在模拟脆性破坏方面的成功”。有关RFPA方法的第一篇英文论文（代表性论文之一）成为国际岩石力学领域顶级杂志Int.J.RockMech.Min.Sci.创刊50年来总排名第六的高引论文。第三完成人梁正召的博士论文分别获得全国百篇优秀博士论文奖和国际岩石力学学会Rocha奖（中国26年来第一位获奖者）。（3）揭示了岩爆、突水、煤与瓦斯突出、滑坡等岩体工程灾害孕育过程的岩石微破裂前兆特征，提出了基于模拟与监测相结合的岩体工程灾害分析预警新方法，在大型矿山、重大水电工程的灾害预警中得到成功应用。美国工程院院士、宾州州立大学D.Elsworth教授采用了课题组提出的基于弹性损伤本构关系来进行岩石损伤过程的数值模拟。俄罗斯科学院L.Lavrov院士评价“唐春安等利用基于连续损伤力学原理的数值模拟方法解释了岩石单轴循环加载过程中的Kaiser效应”。中国矿业大学王恩元、何学秋教授等认为“唐春安建立了一个岩石统计损伤的本构模型，假定细观单元强度和损伤耗散能释放率满足特定的随机分布，将细观单元的断裂和岩石损伤与声发射建立了关联，并建立了声发射数和岩石局部强度统计分布之间的关系。法国Lunam大学Grondin教授课题组认为完成人提出的“声发射撞击数与损伤单元数具有正比关系的估算”对于岩体工程灾害的预警是非常合理而有价值的。由中国岩石力学与工程学会主持、包括四位院士等同行专家组成的鉴定委员会，认为该项目成果“改变了国内外岩石力学界岩爆难以监测预警的传统认识，为水电乃至其它岩土工程行业今后开展类似工程的岩爆监测、预报、预警提供了成功范例”。该方面的成果已获得中国岩石力学与工程学会的特等奖和一等奖、冶金科学技术奖一等奖和中国高校科技进步二等奖。第一完成人于1995年获得国家杰出青年科学基金资助，1999年被聘为东北大学采矿工程学科长江学者特聘教授，2003年1月成为行业权威杂志Int.J.RockMech.Min.Sci.的编委，2003年3月当选中国岩石力学与工程学会副理事长，分别应邀在2004年日本“第三届亚洲岩石力学学术研讨会”和2005年澳大利亚“第六届国际岩爆与矿山微震活动性学术研讨会”做大会特邀报告，并作为大会主席于2009年在大连成功承办了“第七届国际岩爆与矿山微震活动性学术研讨会”及2010年在西昌成功承办“岩爆监测预报与控制学术研讨会”。第二完成人于2006年度获得德国洪堡基金会的资助，2009年入选“新世纪百千万人才工程”国家级人选，2012年获得首届优秀青年科学基金资助，2013年获得中国青年科技奖，2014年获得澳大利亚奋进长江研究学者奖学金资助，2015年获得国家杰出青年科学基金资助，同年被入选教育部“长江学者奖励计划”特聘教授。五、代表性论文专著目录序号论文专著名称/刊名/作者影响因子年卷页码发表时间通讯作者第一作者国内作者SCI他引次数他引总次数知识产权是否归国内所有1Numericalsimulationofprogressiverockfailureandassociatedseismicity/InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences/TangCA2.2681997年34卷249-261页1997年02月01日唐春安唐春安唐春安190596是2Numericalstudiesoftheinfluenceofmicrostructureonrockfailureinuniaxialcompression-PartI:EffectofHeterogeneity/InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences/TangCA,LiuH,LeePKK,TsuiY,ThamLG2.2682000年37卷555-569页2000年06月01日唐春安唐春安唐春安，刘红元，LeePKK,TsuaiY,谭国焕116290是3Coupledanalysisof