隨著現(xiàn)代高新科技的迅猛發(fā)展,大數(shù)據(jù)、大模型、深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)的先進性已日益凸顯,現(xiàn)代高新科技的引入將推動巖石破裂問題研究的大進步。然而,現(xiàn)階段巖石破裂的相關(guān)研究往往從巖石力學(xué)與巖石工程角度出發(fā),過度依靠巖石破裂中耗散能變化的諸多形式,將巖石破裂時序、空間特征割裂研究,忽視了物質(zhì)運動時空一致性的哲學(xué)屬性。

在此背景下,王運敏院士分別從唯物主義哲學(xué)和物理學(xué)發(fā)展的視角總結(jié)了事物的時空變化性和物質(zhì)運動的時空延展性規(guī)律,以能量時空性為主線,提出了巖石破裂時空觀學(xué)術(shù)思想,從“巖石→能量→破裂”完全統(tǒng)一角度定義了巖石破裂時空觀。結(jié)合新時代學(xué)科發(fā)展前沿問題,巖石破裂時空觀理論體系的提出將為巖石力學(xué)與巖石工程領(lǐng)域的研究提供全新的第四研究范式

亮點

（1）梳理唯物主義哲學(xué)和物理學(xué)中“物質(zhì)運動時空一致性”觀點發(fā)展脈絡(luò),以大數(shù)據(jù)、大模型、深度學(xué)習(xí)等人工智能新興技術(shù)在巖石破裂研究中所面臨的理論和技術(shù)瓶頸為突破口,通過全變量感知、全方位認知巖石在“原始狀態(tài)—破裂狀態(tài)—失穩(wěn)狀態(tài)—穩(wěn)定狀態(tài)”全生命周期中的狀態(tài)信息,提出了礦業(yè)、巖土、信息、安全等多學(xué)科交叉融合背景下的巖石破裂時空觀

（2）以巖石破裂時空觀的提出為契機,第四研究范式將全面重塑巖石力學(xué)與巖石工程領(lǐng)域的理論體系,從全變量感知、全方位認知角度展現(xiàn)出理解、分析和決策的領(lǐng)域新面貌,考慮巖石破裂問題的復(fù)雜性、跨尺度性、系統(tǒng)性、不確定性和非線性等本質(zhì)特性,形成以信息采集、傳輸、處理、表達、分析和服務(wù)為核心的巖石力學(xué)與巖石工程領(lǐng)域全新理論體系

論巖石破裂時空觀(一):科學(xué)定義及應(yīng)用前景

作者：王運敏^1,2， 劉祥鑫^1,2,3， 游勛^1,2,4

單位：1.金屬礦山開采安全與災(zāi)害防治全國重點實驗室;2.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司;3.江西理工大學(xué)土木與測繪工程學(xué)院;4.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院

01

巖石破裂時空觀

應(yīng)力、溫度、水、化學(xué)場等物理場變化是能量的具象化表現(xiàn),能量是巖石狀態(tài)改變、發(fā)生破裂的根源。能量輸入超過巖石所能承受的極限,巖石破裂區(qū)域分子官能團變異,導(dǎo)致巖石發(fā)生破裂。能量與巖石狀態(tài)變化為不可分割的統(tǒng)一體,能量變化下的破裂是巖石狀態(tài)變化的歸宿,這就需要把巖石、能量、破裂完全統(tǒng)一起來進行研究。應(yīng)力、溫度、水、化學(xué)場等變化的時空性對應(yīng)能量變化的時空性,也是巖石破裂的時空性。以能量時空性為主線,從“巖石—能量—破裂”角度完全統(tǒng)一了巖石破裂的時空性。

以“巖石—能量—破裂”關(guān)系中的時空統(tǒng)一性、能量增量下巖石破裂中的時空發(fā)展性為主線,以物質(zhì)運動在時空上的絕對性和相對性為基調(diào),以巖外能量交換為破裂的驅(qū)動力,從時空統(tǒng)一性角度重新認識巖石破裂時空發(fā)展規(guī)律十分關(guān)鍵。

巖石破裂時空統(tǒng)一性示意

能量增量狀態(tài)下巖石破裂發(fā)展示意

近年來,隨著眾多先進手段的應(yīng)用,業(yè)內(nèi)學(xué)者從巖石破裂的聲(聲波/聲發(fā)射/微震/微地震)、光(可見光/IR/MR/X射線)、電(電壓/電流/電阻)及其裂隙擴展等物理量的變化出發(fā),對巖石破裂問題開展研究,捕捉巖石破裂規(guī)律。該類研究的實質(zhì)是捕捉破裂區(qū)域分子團電子躍遷所致能量耗散的諸多表征參量,進而分析巖石破裂規(guī)律,顯然難以有效兼顧巖石破裂的時空統(tǒng)一性。

巖石破裂過程監(jiān)測信息示意

巖石破裂時空觀,以“物質(zhì)運動時空一致性”為指導(dǎo)思想,從“巖石—能量—破裂”時空統(tǒng)一性出發(fā),是利用大數(shù)據(jù)、大模型、深度學(xué)習(xí)等人工智能方法從時空一致性角度對巖石在“原始狀態(tài)→破裂狀態(tài)→失穩(wěn)狀態(tài)→穩(wěn)定狀態(tài)”全生命周期進行全變量感知、全方位認知。通過充分挖掘巖石在“原始狀態(tài)—破裂狀態(tài)—失穩(wěn)狀態(tài)—穩(wěn)定狀態(tài)”全生命周期中的各類信息,圍繞巖石破裂的時空一致性,聚焦提升巖石破裂時空探測精度、增強巖石破裂時空預(yù)測準(zhǔn)確性、確保巖體工程的安全性與穩(wěn)定性,從而推動多學(xué)科交叉融合在巖石力學(xué)與巖石工程領(lǐng)域研究的全面升級。

02

應(yīng)用前景

不同尺度巖石破裂所聚焦的科學(xué)問題不盡相同,甚至存在不同尺度破裂觀點相左的現(xiàn)象,這不僅極大增加了巖石破裂研究的復(fù)雜性,也提升了巖石破裂致災(zāi)的監(jiān)測預(yù)警及防控難度。

巖石破裂時空觀的提出,為巖石力學(xué)與巖石工程領(lǐng)域引入大數(shù)據(jù)、大模型、深度學(xué)習(xí)等人工智能新興技術(shù)提供了理論體系保障。針對巖石力學(xué)與巖石工程領(lǐng)域存在的諸多待解決的科學(xué)問題以及工程應(yīng)用難題,以巖石破裂時空觀為頂層設(shè)計,建立“頂層—基礎(chǔ)層—科學(xué)問題—工程應(yīng)用”的思維體系,實現(xiàn)現(xiàn)有科學(xué)問題以及工程應(yīng)用難點的研究突破。

巖石破裂時空尺度的發(fā)展趨勢示意

第四研究范式以巖石破裂時空觀為頂層設(shè)計,通過規(guī)范化數(shù)據(jù)科學(xué)的交叉融合,以全數(shù)字化建模、全變量感知、全要素認知、全方位分享等方式進行科學(xué)化決策,變革傳統(tǒng)巖石力學(xué)與巖石工程研究所涉及的工程設(shè)計、安全生產(chǎn)、降本增效、災(zāi)害防治等方面的研究范式。巖石力學(xué)與巖石工程領(lǐng)域應(yīng)以巖石破裂時空一致性為新核心推動力,推動跨學(xué)科體系、跨產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、跨知識密集等的集成發(fā)展,加快實現(xiàn)前瞻規(guī)劃和動態(tài)推演、以人為本的綠色低碳設(shè)計、少人或無人自主施工建設(shè)、巖體破裂預(yù)知性和巖體安全性維護管理。

巖石力學(xué)與巖石工程的研究范式

作者簡介

王運敏

中國工程院院士,正高級工程師,博士研究生導(dǎo)師,國務(wù)院特貼專家,現(xiàn)任中國中鋼集團科技創(chuàng)新委員會主任、首席專家,金屬礦山開采安全與災(zāi)害防治全國重點實驗室主任,《金屬礦山》雜志主編。王院士是我國金屬礦開采領(lǐng)域著名專家,長期致力于金屬礦山開采關(guān)鍵技術(shù)研究工作,主持開發(fā)了陡坡鐵路運輸系統(tǒng),構(gòu)建了陡幫開采設(shè)計方法,提出了露天地下三階段開采設(shè)計原理,創(chuàng)建了深凹露天礦生態(tài)綠色開發(fā)新模式,成功解決了陡坡鐵路、陡幫開采和露天轉(zhuǎn)地下開采等重大工程技術(shù)難題。主持并承擔(dān)了30余項國家與省部級重點課題的研究與應(yīng)用工作,憑借多項創(chuàng)新技術(shù)與成果,在礦山高效開采、綠色開采、高效運輸、災(zāi)害控制等方面作出了突出成績,取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。王運敏院士先后獲得國家科技進步二等獎3項,省部級/行業(yè)特等獎2項、一等獎7項。獲授權(quán)發(fā)明專利33項,出版專著5部,主編專業(yè)手冊2部、國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)4部。榮獲1987年“七五”建功一級獎?wù)?1992年首屆青年科技獎,1993年國務(wù)院特殊津貼,2007年“安徽省勞動模范”榮譽稱號,2010年全國優(yōu)秀科技工作者,2011年安徽省學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人,2012年中國工程院光華工程科技獎,2012年國家工程研究中心“先進工作者”,2014年全國創(chuàng)新標(biāo)兵,2020年第三屆“安徽省突出貢獻人才獎”,2020年中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會終身成就獎。

文獻來源

王運敏,劉祥鑫,游勛.論巖石破裂時空觀(一):科學(xué)定義及應(yīng)用前景[J].金屬礦山,2025(1):1-8.

《金屬礦山》簡介

《金屬礦山》由中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國金屬學(xué)會主辦，主編為中國工程院王運敏院士，現(xiàn)為北大中文核心期刊、中國科技論文統(tǒng)計源期刊（中國科技核心期刊）、中國精品科技期刊（F5000頂尖學(xué)術(shù)論文來源期刊）、中國百強報刊、RCCSE中國核心學(xué)術(shù)期刊（A）、中國期刊方陣雙百期刊、國家百種重點期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊，被美國化學(xué)文摘（CA）、美國劍橋科學(xué)文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學(xué)技術(shù)振興機構(gòu)數(shù)據(jù)庫（JST）等世界著名數(shù)據(jù)庫收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機電與自動化、安全環(huán)保、礦山測量、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域具有重大學(xué)術(shù)價值或工程推廣價值的研究成果，優(yōu)先報道受到國家重大科研項目資助的高水平研究成果。根據(jù)科技部中國科技信息研究所發(fā)布的《2024中國科技期刊引證報告（核心版）》，《金屬礦山》核心總被引頻次位列26種礦業(yè)工程技術(shù)學(xué)科核心期刊第1位；根據(jù)中國知網(wǎng)發(fā)布的《中國學(xué)術(shù)期刊影響因子年報》（2024版），《金屬礦山》學(xué)科影響力位居73種礦業(yè)期刊第9位。

供稿：曾文旭

編排：戴穎熠

審核：王小兵

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