岩石力学与工程地质的交叉融合与创新

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1、岩石力学与工程地质的交叉融合与创新自原始社会，人类己开始利用岩石制作工具和武器，并逐渐学会在岩石中开采矿产资源，利用岩石作建筑材料，依托岩体建造地下工程，可见岩石力学与人类生活紧密相关。近年来，岩石工程发展迅速，世界上己建成的大坝高度己达300余米，地下工程的开挖深度也已超过3000米，然而更巨大、更复杂的岩石工程还在日益增加，岩石力学的新理论、新方法、新技术亟待发展。岩石力学是一门研宄岩石在外界因素，如荷载、水流、温度、化学、生物过程变化等作用下的应力、应变、稳定性及工程加固的学科。清华大学水利系副教授刘晓丽通过物理模型试验、理论分析以及数值模拟相结合的途径，针对岩土力学

2、与岩土工程问题，特别是地下工程的开挖，开展了深入细致的研究，取得了创新性研宄成果。从“地上水库”到“地下水库坐在记者面前的刘晓丽前一天刚出差回来，“跑现场对于他来说是家常便饭，但身体上的疲惫从来不会影响他投入工作的热情。位于内蒙古省的鄂尔多斯是个干旱缺水的地区，据刘晓丽调查，在当地每使用1立方水需要花去9元，而在北京只需要5元，水资源对鄂尔多斯来说是极其宝贵的。然而，缺水的鄂尔多斯却拥有着丰富的煤矿资源，开采业的繁荣支撑了代代人在这里繁衍生息。但不容忽视的问题是，在煤矿开采过程中会破坏煤层及上下岩令撄令贮存于其间的地下水系统便会遭到破坏，水资源不断渗流到开采空间，轻则影响开

3、采过程，重则发生重大突水事故，威胁煤矿工人安全。传统做法是用水泵把地下水从工作面排到地表，自然蒸发而散。鄂尔多斯所在的西北地区水蒸发量是降水量的6倍以上，上述做法无疑是对宝贵的地下水资源极大的浪费，水资源的短缺不但威胁着人的生活，也严重影响了地区的生态环境。为了保水，传统的办法是把开采的厚度大大减少，尽量防止煤层上下层岩石的破坏，这样便可把水继续保存在地下，但这样做是以大量煤炭资源为代价。一方面是作为国家重要经济支柱之一的煤炭资源；一方面是关系国计民生的水资源。二者如何协调开采成为一大难题。在水利工程方面经验丰富的刘晓丽及其研究团队见状后决定逆其道而行之。“大禹治水，疏而导

4、之”，刘晓丽规划保持原有的开采厚度，“这样做水必定会大量涌进采空区，但如果在地下建立大坝和水库，就可以把水截住并存留在地下”。想法刚一提出，刘晓丽便遭到了老专家和施工方的强烈反对，他们大多认为，水是煤矿的重大威胁，以前的做法都是“排水治灾”，现在却要“储水致灾”。大胆创新，但不是无稽之谈。刘晓丽及其团队用数据一步一步反复推导，尝试无数次实验，最终将想法变成现实。建大坝把水截留在地下后，再建数个水库，将他们一一连通，通过水库间的调水，保证了煤炭开采的安全。并且“流水不腐”，水会随着自身在水库间的流动得到净化，在水库中经过多次循环流动后的地下水甚至可以直接饮用，既充分开采了煤炭

5、资源又保护了水资源。这是世界首座示范工程，和神华集团合作建成，2014年开始运行。目前，还有十多个煤矿、岩盐矿等待刘晓丽及其团队去实践这项技术和工程。在这项工程设计、建设和运行过程中，刘晓丽及其团队研宄分析了采动影响下渗流场演化、水岩耦合岩体破坏机理、分布式水库储水机理、地下挡水建筑稳定性、物理模型试验研究等关键科学问题。美国工程院院士、宾夕法尼亚州立大学教授DerekElsworth这样评论煤矿地下水库技术：“创新地将大量稀缺水资源储存于煤矿地下水库的技术，真正实现了煤炭资源和水资源的协调、安全和高效开发，为煤炭工业可持续发展提供了很好的范例近8年来，刘晓丽及其团队在“废

6、弃矿山再利用”和“煤矿地下水处置及高效利用”方面一直在不断创新和突破，上述煤矿地下水库工程只是其工程研宄中的一部分。2010?2011年，他们依托辽宁阜新露天煤矿设计了国内首座废弃煤矿抽水蓄能工程；2013?2014年，他们设计并搭建了国内外首个库水岩耦合大型三维物理模型试验平台。自2015年起，他们提出了“煤矿地下水原位净化及分质储用技术”，既在煤矿地下水库建设技术的基础上，对于水质差的煤矿地下水，研发小型模块化净水装备，在地下实现水质净化，并供给生产和生活应用。目前这项技术也正在示范工程实践过程中。从独辟蹊径的设想到切实可行的实践，刘晓丽及其团队用科技创新解决了生活中的

7、大问题。“上天容易入地难”20年前，还在读高中的刘晓丽就对与力学、结构有关的物体有浓厚的兴趣，因为老师的一句话一一“世界上一切东西都和力学相关”更坚定了他与力学的缘分。从那以后，刘晓丽对物理和力学的痴迷便一发不可收拾。1997年，刘晓丽被辽宁工程技术大学理论与应用力学专业录取。“力学本身偏理论，必须和具体的学科结合，时任中国空间技术研究院副院长的马兴瑞学长是我们学习的楷模，受他的影响，我立志也要搞航空航天。”人生就像巧克力，你永远不知道下一颗是什么味道。刚刚立志的刘晓丽就突然决定放弃航空，转做地下工程。这次，同样因