尊敬的曹志国博士，尊敬的各位专家，下午好，我是薛东杰，来自矿大北京力学系，也是JCST杂志的副主编，今天十分荣幸能莅临国家能源集团煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室与大家分享最近的工作进展。我今天汇报的题目是“西部浅埋煤层开采几何化力学模型”。

我的汇报主要分为三个部分：西部采矿现状和发展观察、西部采矿问题的科学问题、西部采矿的几何化力学模型。

第一部分：西部采矿现状和发展观察

首次与西部结缘是在2012年作为主研人员深度开展谢和平院士负责的国家自然科学基金煤炭联合基金“浅埋深薄基岩采动岩体破断及渗流基础”。西部的概念自古有之，而西部大开发的概念是2000年由时任国务院总理朱镕基提出的，今年是2020年，经历过20年，4个5年国家规划周期，西部的发展成了耀眼明珠。今年，习近平总书记再次从国家战略角度提出《关于新时代推进西部大开发形成新格局的指导意见》，如今西部的能源和资源源源不断地输送到东部地区，如西气东输工程、西电东送工程。地球上有一种资源，名叫黑金即煤炭，西部五省陕蒙甘宁新）中，保有和预测煤炭资源总计达3.85万亿吨，占全国的66.2%，承担着国家重要的能源基地角色。相比东部煤矿已经普遍进入千米埋深，西部煤炭资源赋存条件相对简单易开采，但是地下资源的富藏给地上水资源的综合利用带来严峻挑战，事实上我国煤炭资源与水资源是逆向分布的，西部缺水富煤，如何在水资源和煤炭资源的绿色开采利用中寻找可持续发展的平衡点，煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室的顾大钊院士提出的“地下水库”思想革命性地解决了这个难点。

谈到西部不得不看一条线，即胡焕庸线，从东北黑河到云南腾冲，这条线是中国国家地理中的大事件，其科学成就仅逊于珠穆朗玛峰高度的测量，排名第7。这条线将我国的人口密度基本切分为东部和西部，东部人口比例近96%，而西部人口才占4%，由此可见西部的增长潜力远远没有开发出来。近期，课题组在作两项工作，一个是采动应力分布的逾渗模型，一个是煤岩理论单轴抗压强度，我们调研了国内绝大部分矿井关于地应力重分布的测量，发现绝大多数案例集中在东部，而采矿科学工作者给予西部的重视程度远远不如东部。西部“地下水库”思想的提出和成功实践在工程史上写下浓妆淡抹的一笔，如何思考西部采矿的未来，如何将西部采矿的科学思想也停留在历史的某个瞬间，我想我们需要也有义务给世界一个答案。

在之前的研究工作中，我们也尝试将深部和浅部说清楚，如利用深度概念、利用井下环境温度反演、利用应力比等概念将深度定义到某一个具体值；在作西部研究的时候，也参照过诸如埋深不超过150m或基载比小于1等概念进行定义，但这种绝对意义的定义很难升华到工程角度解决问题，这或许是科学和工程的两面性决定的，太绝对反而不利于工程实践。大家都清楚，西部煤层赋存条件普遍是浅埋深-厚松散层-薄基岩，这里面浅-厚-薄多是几何上的概念。

这些概念与西部采矿出现的典型灾害有什么关系呢？例如重型支架毁损，溃砂溃水在西部发生的原因和特征是什么，比如工作面顶板初次全厚切落与深部“梁”断裂的区别是什么？我国广大科技工作者在仔细观察西部开采上覆岩层移动时，也针对性地提出了一些概念，比如反向迥转闭合挤压、全厚切落等，相应地进行力学建模，得到了短砌体梁和台阶岩梁模型，这些“梁”的概念和思想来源于地上结构，这不得不让人想起一个问题，地上“梁”和地下“梁”的本质区别是什么，为什么把地上“梁”的概念引入到地下开挖工程中来？再有为何将材料力学中“梁”的力学模型引入到“岩体力学”中，材料力学的基本假设放在岩体力学中能否成立，抑或是这种“梁”结构如何更科学合理。

最核心的问题，势必要回答工程问题和科学问题的差异性，怎么去寻求0-1的问题，工程上很多问题是讲差异性的，而科学上是讲普适性的，若定义差异性是0，普适性是1，大多时候我们在寻求0-1之间的问题，谁能率先找到归属于1的问题，谁就可能取得原创性的突破。根据课题组十余年的观察，这里面的1的问题可能要归属于材料问题的结构化思想。

这种思想上世纪70年代左右宋振骐院士提出的传递岩梁结构、钱鸣高院士提出的砌体梁结构可以概含在这种思想里面；若回顾地下开挖应力重分布的建模，从1907年的普氏理论至芬纳解（1938）至太沙基解（1946）至卡柯解（1948），无不凝练着连续地质材料破坏后如何进行力学结构建模的思想在里面，国际的工作比较早，直到1979年Jaeger全面梳理相关成果时，两位院士提出的梁结构才在我国初步形成。若是再向前回顾，1638年，伽利略在《关于两门新科学的对话》中提到一根可定义为“撑起世界的梁”，由此可见最早期解决人造材料力学相关问题的时候，也是用的差异化结构思想，不同的构建作用场景不同对应的力学假设和侧重点不同，如此形成了杆-梁-柱-壳等体系，那若是材料内部破坏呢，很难讲到底其应用场景和边界条件是什么，不同尺度下结构作用也很难去衡量。但是对于地下采矿工程，一些较大的结构人们还是可以根据自己的经验进行实际观察其真正发挥的作用。如果再向前回顾，势必到公元前212年，阿基必答提出了一根可以撬动地球的杆，这是最早从力的角度来提出“杆”的概念。

这里我们回归到问题的本质，可以归结为力学的几何化问题，包括两类问题，一个是结构的力学问题，属于连续问题，结构已经成形，可用材料力学和结构力学等理论求解；再有一个是力学的结构问题，属于非连续问题，需要先进行力学的几何化建模才能用来求解。由此可见，0-1的观察是多么的重要，最近课题组在学习一本新书2020版Geological objects and structures in 3D，全书内容非常丰富，就是如何将复杂的地质现象通过观察进行最简单地建模，至于是否有效当然取决于能否观察到最接近1矛盾，这里面酝酿的核心思想就是通过观察找到最基础的矛盾，将复杂的问题进行简单化建模，所谓简约而不简单。

第三部分，讲一下课题组数年的几何化工作。第一个是基于Steiner最小树相似模拟裂纹扩展能量传播机理分析，相似模拟实验是采矿工程等众多工程实验必然开展的一种实验，反复不停地作，不厌其烦的做，至今也未在国际上提出统一的思想和理论。目前无论如何相似都无法拜托复杂的裂隙网络引起的挑战，即无法重复裂隙网络形成的过程。类似的实验无法重复导致实验缺乏应有的严谨性。换言之，就是裂隙网络的复杂性如何去观察和评估，我们注意到，类似的相似模型宏观裂隙形态上总是趋同的，而内部则不近相同；即开挖影响边界形态基本一致，而内部裂隙网络连接完全迥异，如何评估这种相同和不同，需要新的几何工具进行描述。我们观察到，能量总是以最短路径传播出去，具有欺软怕硬的特征，能晶间破裂就不会晶内破裂，只有在能量耗散速度不足以释放的时候，就会摧毁连续颗粒内部。如何根据能量的这种特征对裂隙网络进行最短路径的建模，那就是内部引入Steiner最小树进行建模；离层裂隙和穿层裂隙分开利用不同的Steiner最小树单元建模；外部则用相应的岩石破裂角和岩层移动角进行建模。

第二个工作是浅埋煤层超大采高开采柱式崩塌模型及失稳，针对地是大柳塔煤矿大柳塔矿井，内含支架模型，可以看到随着工作面的推进，上覆岩层形成了跨越多个岩层形成了“柱式结构”，而非“梁结构”。进一步结合上覆软土或砂层，提出了柱式结构成形的两个基本力学模型，一个是上拉下剪计算模型；一个是剪切主导计算模型。

第三个是基于活鸡兔井1-2煤层综放工作面开展的浅埋深薄基岩煤层组开采采动裂隙演化及台阶式切落形成机制工作，单个裂隙网络已很难评价，如何评估裂隙网络对裂隙网络的影响，课题组针对这一难题也进行了相关思考和工作，比如引入分形-逾渗和重正化相关理论进行描述，但进展缓慢，不过相应地我们还是找到了一种新的几何化模型，就是板簧模型。

第四个是针对材料内部破坏引起的力学的结构问题，这里我们创新性地利用逾渗建模提出了团簇力学和临界力学，取得了丰硕成果，不再赘述！

我的汇报结束，最后特别感谢各位专家老师的聆听，预祝本次大会取得圆满成功。这是这次报道的二维码和相关课题组成果，相关论文和更多资料可扫描二维码获得，谢谢。