Z1东大岩石破裂自然奖项目公示

推荐2016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、推荐单位意见矿山开采和岩石工程开挖引起的灾害造成大量的人员伤亡和财产损失。开采或岩石工程开挖诱发的许多工程灾害都与岩石破裂过程失稳有关，岩石破裂过程灾变机理与失稳前兆规律是认识灾害发生的机理和进行灾害预警的关键性理论与技术问题。本项研究从实验研究、数值模拟方法研究及其工程应用等方面，系统地研究了岩石破裂过程灾变机理与失稳前兆规律，创建了岩石破裂过程失稳的数值模拟方法RFPA，为岩体工程灾害研究提供了新的分析工具，推动了岩石破坏力学的发展；研究形成了以岩石微破裂监测与并行数值模拟相结合的工程岩体灾害预警新方法，在10余个典型或重大工程中得到成功应用，通过现场工程措施的实施，确保了岩石工程的安全，创造了可观的经济效益和社会效益。该项目创建了岩石破裂过程失稳的数值模拟新方法，并为国内外同行广泛应用，在国际上具有重要的学术影响。发表20篇论著总计被他引3476次，其中被SCI-E他引541次、CPCI-S他引258次、CNKI他引2677次。包括原国际岩石力学学会主席C.Fairhurst教授、J.A.Hudson教授在内的1000多位国内外专家，都在公开出版物中给予了正面引用与评价。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，实现了国际岩石力学学会设奖27年来我国零的突破。国内外学者应用岩石破裂过程分析系统RFPA获得硕士、博士学位论文的达到60余篇。本项成果已在加拿大、瑞典、香港及国内30余所高校或研究机构得到应用，协助国内十余所高校挂牌成立了与岩石破坏机理分析相关的“数值实验室”，并在济钢张马屯铁矿突水、淮南矿业集团瓦斯突出、唐钢矿业公司突冒突涌、锦屏二级水电工程隧道施工岩爆等灾害的监测预警中得到应用，为确保岩石工程安全提供了新的手段，取得了较好的经济效益和社会效益。特推荐国家自然科学奖一等奖。三、项目简介矿山开采或岩石工程开挖诱发的许多工程灾害都与岩石破裂过程失稳有关。本项研究从实验研究、数值模拟方法研究及其工程应用等诸方面，系统地研究了岩石破裂过程灾变机理与失稳前兆规律，创建了岩石破裂过程失稳的数值模拟方法RFPA，研究形成了以岩石微破裂监测与大规模高性能数值模拟相结合的工程岩体灾害预警新方法，通过现场工程措施的实施，为确保岩石工程安全提供了新的手段。该项目的主要研究及科学意义在于：(1)建立了岩石非线性统计损伤本构理论和岩石破裂失稳灾变模型，揭示了加载系统弹性回弹行为与岩石试样相互作用所带来的岩石破裂规律的复杂性，为研究岩爆等岩体工程动力灾害奠定了理论与实验基础，推动了岩石破坏力学的发展。(2)基于“脆性破裂孕育在小变形之中”的深刻认识，提出了基于小变形和大位移原理的岩石破裂全过程分析学术思想，建立了用细观非均匀性模拟宏观非线性、用连续介质力学方法模拟非连续介质破裂问题的新型数值分析RFPA(RockFailureProcessAnalysis)方法，为岩体工程灾害研究提供了新的分析工具。(3)基于非均匀性是岩石破坏具有前兆的基本认识，提出了岩石的微破裂是岩爆、瓦斯突出、突水、滑坡等岩体工程灾害“前兆共性特征”的学术思想，建立了基于背景应力场分析与微震监测相结合的岩体工程灾害预警方法，在10余个典型或重大工程中得到成功应用。该项目创建了岩石破裂过程失稳的数值模拟新方法，并为国内外同行广泛应用，在国际上具有重要的学术影响。20篇论著总计被他引3476次，其中被SCI-E他引541次、CPCI-S他引258次、CNKI他引2677次。包括国际岩石力学学会的两位前任主席C.Fairhurst教授和J.A.Hudson教授在内的1000多位国内外专家，都在公开出版物中给予了正面引用与评价。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”。加拿大工程院院士、Laurentian大学PeterKaiser教授称RFPA是“极具前景的数值模拟方法”。此外，还包括英国牛津大学、美国加州大学伯克利分校等世界一流大学学者的引用。国内外应用岩石破裂过程分析系统RFPA获得硕士、博士学位论文的达到60余篇，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27年来我国零的突破。本项成果已在加拿大、瑞典、香港及国内30余所高校或研究机构得到应用，协助国内十余所高校挂牌成立了与岩石破坏机理分析相关的“数值实验室”，并在济钢张马屯铁矿突水、淮南矿业集团瓦斯突出、唐钢矿业公司突冒突涌、锦屏二级水电工程隧道施工岩爆等灾害的监测预警中得到应用，确保了岩石工程的安全，取得了较好的经济效益和社会效益。四、客观评价本项研究20篇论著总计被他引3476次，其中被SCI-E他引541次、CPCI-S他引258次、CNKI他引2677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)建立了岩石非线性统计损伤本构理论和岩石破裂失稳灾变模型，揭示了加载系统弹性回弹行为与岩石试样相互作用所带来的岩石破裂规律的复杂性，为研究岩爆等岩体工程动力灾害奠定了理论与实验基础。美国工程院院士、第七届国际岩石力学学会主席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，岩石的实验室试验有时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破坏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”中评价申报人“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)建立了用细观非均匀性模拟宏观非线性、用连续介质力学方法模拟非连续介质破裂问题的新型数值分析RFPA(RockFailureProcessAnalysis)方法，为岩体工程灾害研究提供了新的分析工具。在“金沙江溪洛渡水电工程坝基整体稳定性精细模拟计算(2000万自由度模型)”等国家重大工程中得到成功应用。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”。加拿大Laurentian大学校刊《GAZETTE(1996年五月号)》中称赞RFPA是“极具前景的数值模拟方法”。国际岩石力学领域顶级杂志《Int.J.RockMech.Min.Sci.》“数值模拟专辑”发表的综述文章中称RFPA方法是“一个近期具有典型意义的发展”。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申报人“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27年来唯一获奖者)。(3)建立了基于背景应力场分析与微震监测相结合的岩体工程灾害预警方法，在重大水电、矿业工程中得到成功应用以岩石微破裂“时、空、强”三维定位监测为手段、以“应力积累、应力释放和应力转移(3S)”为判据的岩体工程灾害预警新方法，已在“锦屏二级水电工程(世界最大规模深埋隧洞群)隧道施工岩爆监测预警”等10余个典型或重大工程中得到成功应用。由中国岩石力学与工程学会主持、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”。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(xx年xx卷xx页)发表时间年月日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/TangC.A.1.6861997,34:249-2611997.2.TangC.A.TangC.A.TangC.A.124334是2Numericalstudiesoftheinfluenceofmicrostructureonrockfailureinuniaxialcompression-PartI:Effectofheterogeneity/InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences/TangC.A.,LiuH.,LeeP.K.K.,TsuiY.,ThamL.G.1.6862000,37:555-5692000.6TangC.A.TangC.A.TangC.A.,LiuH.,LeeP.K.K.,TsuiY.,ThamL.G.80218是3Coupledanalysisofflow,stressanddamage(FSD)inrockfailure/InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences/TangC.A.,ThamL.G.,LeeP.K.K.,YangT.H.,LiL.C.1.6862002,39:477-4892002.6ThamL.G.TangC.A.TangC.A.,ThamL.G.,LeeP.K.K.,YangT.H.,LiL.C.43162是4Numericalsimulationofcumulativedamageandseismicenergyreleaseduringbrittlerockfailure-PartI:Fundamentals/InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences/TangC.A.,KaiserP.1.6861998,35:113-1211998.2TangC.ATangC.ATangC.A46226是5Fracturespacinginlayeredmaterials:Anewexplanationbasedontwo-dimensionalfailureprocessmodeling/AmericanJournalofScience/TangC.A.,LiangZ.Z.,ZhangY.B.,ChangX.,TaoX.,WangD.G.,ZhangJ.X.,LiuJ.,ZhuW.C.,Elsworth,D.2.9172008,308:49-722008.1TangC.A.TangC.A.TangC.A.,LiangZ.Z.,ZhangY.B.,ChangX.,TaoX.,WangD.G.,ZhangJ.X.,ZhuW.C.1116是6Micromechanicalmodelforsimulatingthefractur