国家自然科学奖推荐书

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(2017年度)

一、项目基本情况

学科评审组：序号：编号：

三、项目简介

（限1200字）

浅部资源日趋枯竭，矿产开采走向深部，传统岩石力学理论无法适应深部采矿实践，特别是不能准确获取岩石动力学参数和无法揭示深部硬岩非常规破坏等灾害问题，硬岩矿深部开采理论与技术长期以来没有突破性进展。该项目突破以单一受力状态为特征的传统岩石静力学和岩石动力学理论制约，在提出中高应变率岩石动力测试方法并精确获取岩石动力破裂特性与能耗特征的基础上，建立岩石动静组合加载理论，深刻揭示深部硬岩破裂机理与灾变特征，进而为提出以深部硬岩灾害诱变与能量调控为特征的深部硬岩非爆连续开采模式提供理论支撑。通过近20年持续研究，主要内容和科学发现包括：

（1）中应变率下岩石动力测试方法。提出半正弦波加载理论，突破了传统的矩形波加载方法，解决了岩石动力加载过程中波形弥散、应变率变化大、重复加卸载等国际难题，实现了近定常应变率下岩石动态本构参数与能耗特征的准确获取，制订了国际岩石动力学测试标准，在全世界推广应用。

（2）岩石动静组合加载理论。提出动静组合加载学术思想，发明并建成世界上第一套岩石动静组合加载试验系统，揭示了岩石在动静组合载荷下的破裂机理与能量耗散特征，突破了传统单一动载或静载方法的局限，为新型钻采设备的研发提供了核心理论与技术支撑。

（3）深部硬岩灾害发生机理与能量调控理论。提出了基于岩层特性与岩石冲击指数关系的硬岩辨识方法，建立了以组合加载能量密度为指标的高应力岩体灾变失稳与破坏判据，揭示了开采扰动下高应力硬岩能量转移机理，获得了深部硬岩致灾储能向工程有益能量转化的有序调控方法，为从传统的钻爆非连续开采到高效非爆连续开采的硬岩深部开采方法变革奠定了基础。

项目的科学价值在于：(1)提出的岩石动力测试方法为中高应变率下岩石力学参数的准确获取提供了新的方法和标准；(2)提出的岩石动静组合加载理论，真实还原了深部硬岩开采的力学环境，揭示了深部硬岩破裂机理。(3)提出的能量调控下的灾害诱变与动静耦合破岩方法，为硬岩矿物资源采矿方法变革提供了重要的理论支撑。

该项目得到国家杰出青年科学基金、教育部长江学者创新团队、国家自然科学基金重点/重大课题、973课题等资助，成果在Int J Rock Mech Min、Rock Mech Rock Eng等本领域Top期刊上发表并被广泛引用，8篇代表性论文SCI他引202次,总他引511次。出版有《岩石冲击动力学》（第九届中国图书奖）、《岩石动力学基础与应用》、《冲击机械动力学与反演设计》等著作；“组合加载”成为国家基金委研究领域的通用关键词，授权发明专利9项；提出的半正弦波加载方法被国际岩石力学学会采纳为标准测试方法；自主研发的动静组合加载实验系统已成为国内外数十家研究机构开展研究的平台，提出基于动静组合加载理论的非爆连续采矿方法创新了深部矿产开采理论。“复杂加载下的岩石脆断理论与实验方法”获2003年湖南省科学技术进步奖(自然科学)一等奖，“岩石动静组合加载理论与方法”获2014年湖南省自然科学奖一等奖。

四、客观评价

总体引用情况：

该项目的8篇代表性论文SCI他引202次，总他引511次，他引涉及了国际岩石力学与采矿领域的主流杂志，包括J ournal of Geophysical Research、Applied Mechanics Reviews、International Journal of Fracture、International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences、Rock Mechanics and Rock Engineering、Engineering Geology、Tunneling and Underground Space Technology、Materials Science and Engineering A和Experimental Mechanics。他引第一作者单位主要有美国Army Research Laboratory、University of California、University of Mississippi、Case Western Reserve University、Sharif University of Technology、中科院材料力学行为与设计重点实验室和国防科学技术大学等。

针对科学发现点“中应变率下岩石的动力测试方法”的评价：

美国陆军研究实验室在代表引文[1]中，先后13次引用Li等的研究成果，指出利用Li等的实验结果（代表论文[1]）对模型进行校核后，模型能够很好获得岩石的合理动力抗剪强度参数。伊朗Sharif University of Technology 的Naghdabadi教授等在代表引文[2]中指出Li等（代表论文[1，2]）针对岩石材料测试开发的纺锤型冲头可生成半正弦入射波，该发明解决了加载过程中的波形振荡难题并实现了对试样的恒应变率加载；澳大利亚工程院院士Hao Hong教授等在“Advances in Structural Engineering 2016,19(6):1027-1039”指出我们（代表论文[3]）的半正弦波加载方法能够很好的消除震荡，非常有利于试样两端达到应力平衡。加利福尼亚大学F Jiang教授等在“Applied Mechanics Reviews,2009,62(6):1469-1474”中指出Li等（代表论文[3]）研究设计的纺锤形冲头和半正弦加载波已经应用于SHPB实验的入射加载波。美国Case Western Reserve University的Yuan, Prakash教授等在代表引文[3]中指出我们（代表论文[1、3]）提出大杆径和大试样方法获得关键应变率段参数以及临界应变率对岩石破碎的关键作用。土耳其Suleyman Demirel University的Yavuz教授在“Experimental Mechanics, 2013, 53(3):367-376”（代表引文[4]）中指出我们的方法对理解和表征高应变率下岩石的特性非常重要，可以获得不同应变率下岩石的本构关系。西北工业大学Luo等在“Journal of Materials in Civil Engineering, 2015.1-7”指出我们（代表性论文[4]）的工作成为一种深受欢迎的材料冲击性能测试方法。空军工程大学李为民在“兵工学报，2009, 30(3):350-366”中指出“李夕兵等（代表性论文[2]）的半正弦脉冲可消除大直径压杆引起的波形振荡，且有助于实现恒应变率加载”。解放军理工大学王明洋教授等在“中国工程科学，2013，15(5):71-79”中指出“Li 等最早提出了获得岩石动态应力一应变全图测试的合理加载波形的试验方法，提出利用半正弦波加载是SHPB 岩石冲击试验的理想波形”。

针对科学发现点“岩石动静组合加载理论”的评价：

岩石动静组合加载学术思想是李夕兵在2001年第175次香山科学会议特邀报告上提出。前国际岩石力学学会主席冯夏庭教授出版的《Rock Mechanics and Engineering》一书中特邀我们编写章节“Coupled static and dynamic test”介绍动静组