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    中國煤炭學會

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    科學家精神 | 中國工程院院士周世寧 防治煤礦瓦斯災害的先行者
    發布時間: 2022年6月9日
    來源: 當代礦工

    周世寧教授1953年畢業于中國礦業學院采礦系,后留校從事教學和科研工作。在長期的瓦斯防治研究中,他創建了煤層瓦斯流動理論體系,從本質上闡明了煤礦中的瓦斯來源及賦存條件,為減少瓦斯災害做出了重大貢獻。1993年,他的“煤層瓦斯流動規律研究”獲國家自然科學四等獎。

    周世寧教授在1986年獲得全國優秀科技工作者稱號和全國“五一”勞動獎章,1999年當選為中國工程院院士,2001年被教育部任命為高等學校地礦學科第一屆教學指導委員會主任。

    周院士是煤礦安全工程學家,煤層瓦斯流動理論的創立者。當談起在中國礦業學院上學時,他說:“我并不是由于熱愛煤炭行業才學采礦的。當年,我是在復旦大學化學系讀書,我的哥哥在上海交通大學讀書,家里同時負擔兩個孩子上大學很困難。1950 年,中國礦業學院實行供給制,這樣我才去學的采礦專業,但是在進入到這個行業后,深深為礦工的優秀品質感動,他們為了世界的光明來到地下深處進行艱苦的勞動,作為一個從事煤礦安全事業的科學工作者一定要為他們保駕護航。”

    一、通往大師之路,周世寧的R-S-R學習方法

    兒時的周世寧干什么事都比較專注,喜歡動手操作。在一次學習平面幾何時,聽老師說一角三等分是世界十大難題之一,于是他為了嘗試一角三等分,連著幾天一直畫圖研究到深夜;星期天到城外小河去撈魚,他可以編織漁網到凌晨:制作橡皮筋牽引的模型飛機,包括螺旋槳在內的所有材料,他都是自己用小刀削刻出來的。這種專注精神深深地影響了他以后的學習和工作。

    教科書上說,瓦斯超限會使人窒息死亡。他對此很不理解:瓦斯不是有毒氣體,人如果感到呼吸困難,可以往有新鮮空氣的地方跑,怎么可能在那等死?一次,他在一個礦井下做實驗,有一個地方冒頂,用燈光一照,就像有一層分界線,說明瓦斯濃度很高。他決定體驗一下在這種環境下,人究竟是怎樣一個感覺。他對同伴說:“我鉆進去,你們看我不行了就把我拉出來。”他進去后,只感到困倦,并沒有感到呼吸困難,更沒有想到離開,這讓他恍然大悟。在以后給學生講課的時候,他經常講起這次經歷,也讓他的學生對瓦斯有了更深刻的認識。

    周世寧的學習方法是:第一,恭恭敬敬地聽講、看書,努力弄 懂理論的由來和立論的依據以及它的適用條件;第二,千方百計 地找毛病來推翻它,深化對它的理解和認識;第三,在不能否定它 之后,就堅定地相信它,并且在工作中恭恭敬敬地應用。他把這一 方法稱為R-S-R學習方法,即From Respect to Suspect, From Suspect to Respect,從尊敬到質疑,從質疑到尊敬。

    1978年5月,甘肅窯街礦務局三礦在砂巖中掘進大巷時發 生了事故,突出巖石2000噸、二氧化碳24萬立方米.犧牲了 90 人,初步判定是一起巖石和二氧化碳突出事故。煤炭工業部要求 中國礦業學院派人參加事故的分析處理,周世寧奉命參加事故調 查。在趕往現場的路上,他通過理論分析判斷,認為不應該是巖石 和二氧化碳突出。因為砂巖對二氧化碳沒有吸附力,只能以游離 狀態存在于砂巖的孔隙,而砂巖的孔隙率一般只有10%,100立方米的空間要存儲24萬立方米的二氧化碳是不可能的。周世寧 確信這是一次煤和二氧化碳突出,一定是在掘進中巖巷遇到了斷 層,斷層把煤層隔在巖巷的前方,由于煤層含高壓的二氧化碳,在 揭開煤層時造成了這次事故。當時“文革”剛結束,他還是個“反動 學術權威”,不能亂說亂動。由于種種顧慮,一路上,他不敢與別人 討論交流。到現場后,他在事故分析會上果斷地提出要求立即到 事故地點調查,因為他確信一定能在發生事故的巖石大巷中找至L 突出拋出的煤塊。調查組在現場很快發現了突出拋出的煤塊,并 找到了懸掛的放炮器,這表明與他事先分析的結果一致,這次事 故是由于地質條件變化,在放炮時巖巷誤穿煤層引起煤和二氧化 碳突出產生的。事后,該礦根據這一調查結果改進了掘進工藝。

    瓦斯災害是煤礦最嚴重的自然災害。舊中國沒有專門研究防 治瓦斯災害的專家,也沒有有關的論著。1953年,周世寧被分配 到中國礦業學院采礦系通風安全教研室工作,成為新中國第一代 專門研究防治瓦斯災害的專家。為了加深對煤礦瓦斯的了解,他 帶著行李長期住在開灤煤礦和撫順煤礦,經常一天下兩三次井, 有時在井下一呆就是兩三天,進行了大量的參數測量。通過長期 實踐,他對瓦斯的涌出和運移有了新的認識。

    煤對瓦斯的吸附與釋放的數學模型屬于朗格繆爾方程,難于 用簡單的數學分析處理。經過大量的演算后,周世寧決定采用近 似的拋物線方程來表達瓦斯壓力和含量的關系,并從中導出了煤 層瓦斯單向、徑向、球向流動的微分方程式。

    1958年,在研究“煤層瓦斯流動理論”的同時,周世寧創制了 當時在世界上獨一無二的“礦井通風網路電模擬計算機”。風流在 礦井通風網路中的流動是紊流流動,壓差和流量是平方關系,屬 于非線性流動,良好的通風狀態是煤礦安全的基礎。上世記50 年代還沒有電腦,因而很難準確地調節計算和控制礦井的通風系 統。周世寧設想用線性電阻網絡模擬風網,用電壓模擬風壓,用電 流模擬風量,用電阻模擬風阻。但是電流的流動規律屬于線性流 動,不同于風流,兩者之間存在根本的差別。一天,他突然想到風 網中風流的流動是穩定的,每一條風路只有一個風量和壓差,在 坐標圖上只有一個工作點,而線性電阻網絡在相應的電路上也只 有一個電流、電壓工作點,只要通過逐步調節的方法使各條電路 電的工作點和相應風路風的工作點重合,就可以完成模擬過程。這就是他在相似理論和模擬技術中提出的新概念——“點模擬”, 是對相似理論的新發展?;谶@一理論,周世寧設計了一個有許 多可調電阻的網絡,通過調節線性電阻逐步逼近非線性的風網, 研制出來的礦井通風網路電模擬計算機在開灤林西礦的65條 復雜風路的風網進行計算時,取得了與實際一致的結果,這是當 時該領域世界最新的成果。

    三、煥發青春,再攀科研新高峰

    1978年黨的十一屆三中全會后,周世寧獲得徹底平反。同 年,第十八屆國際采礦安全大會在中國征集論文,他的〈煤層透氣 系數的測定方法》論文呈遞后被大會組委會入選。1979年6月他 收到大會組委會的通知:……請你擔任10月7日大會的執行副 主席……

    10月4日,周世寧飛到克羅地亞的杜布羅夫斯克。這是他第 —次出國,因此非常興奮。然而他還沒有來得及欣賞亞得里亞海 風景如畫的景色,就感覺到沉重的心理壓力。按大會規定,宣讀論 文后,要站在講臺上面對幾百名聽眾用英語回答問題。在第一天 的會議上,有位日本教授因為聽不懂聽眾的提問,出現了非常尷 尬的局面。他見到這一情景,心中非常緊張,因為第二天上午就輪 到自己作報告和主持會議。但他想,提的問題反正都是論文中的 事,可以把論文逐段分解,找出可能提問的問題,事先寫好答案并 且背熟,只要聽懂兩個字就可以回答。

    第一次出國講述學術報告的成功,打開了通向世界的窗戶, 也增加了他參與國際學術交流的信心,為他以后的國際學術交流 創建了良好的開端。

    ——發現了地應力場和煤層瓦斯壓力場的翹合作用

    周院士對記者說:“我這一輩子最大的一個成果是什么呢?就 把煤與瓦斯突出時的地應力、瓦斯壓力、煤強度這三個因素結合 在一起考慮。煤吸附瓦斯后要膨脹,放出瓦斯后要收縮,這樣就帶 來了地應力的變化。另外,煤含了瓦斯以后,煤變軟,強度變低,排 出瓦斯以后,煤變硬。因此,地應力、瓦斯壓力、煤強度這三者是密 切聯系的。這個現象是我最早發現的,也是最早寫在著作里面 的。”

    煤層中的瓦斯壓力是瓦斯涌出和突出的動力,是防治煤礦瓦 斯災害最重要的參數。但長期以來,國內外對瓦斯壓力很難準確 測定,其根本原因在于向煤層打鉆孔封孔測壓時,鉆孔周邊在強 大的地應力作用下,產生許多微裂隙,封孔的固體材料不能進入 微裂隙封堵瓦斯的漏失,使測得的瓦斯壓力值低于煤層真實的瓦 斯壓力,錯誤的測壓值會導致錯誤的技術決策,造成重大損失和 事故。周世寧決心解決這個技術難題。他設想用高于瓦斯壓力的 液體封孔,由于壓力液體可進入孔周的微裂隙防止瓦斯的泄漏, 因而可以獲得真實的瓦斯壓力值。為此,他發明了“壓力黏液瓦斯 壓力測定儀”和“三相壓力泡沫密封測壓儀”,在煤礦中取得良好 的應用效果,解決了長期以來困擾國內外瓦斯壓力測不準的難 題。

    周世寧在長期實踐中發現飽含瓦斯的煤體變軟,有從固體變 為塑性體的特點。比如,在井下煤層打鉆孔時,一個直徑12cm的鉆孔有時能排出2?3噸的煤粉;而一次拋出上百噸的煤和瓦斯 突出,往往事后找不到孔洞。在南桐煤礦一次5000噸大突出事 故的現場,他在距突出點158米的地方,發現煤體流動位移的痕 跡。他想:是不是流變性強、易于流動的煤,容易形成大的突出?是 危險性強的標志?1993年,周世寧讓他的博士生何學秋對此進行 專門的研究。實驗結果表明:不同的煤的流變特性是不同的,有的 煤在壓力下的流變漸漸趨緩,有的則在平穩一段時間后突然加速 變形,直至破壞。這樣就第一次把時間因素加入到煤體破裂形成 突出的過程中,填補了含瓦斯煤體緩慢失穩破裂的空白,對解釋 煤和瓦斯的延期性突出起到了重要作用。實驗證明了煤的流變特 性是突出危險性的重要因素,易于流變的煤容易形成大的突出, 也容易產生延期性突出。

    1999年,周世寧當選為中國工程院院士。

    2004年10月20日,河南大平煤礦瓦斯爆炸事故,造成148 人死亡。

    2005年2月14 B,遼寧孫家灣煤礦瓦斯爆炸事故,造成 214人死亡。

    周世寧院士對煤礦企業瓦斯災害頻發甚為憂慮,他積極向各 級有關領導直至中央領導呼吁建言。

    1、  國家對煤礦企業的技術定位不夠準確

    因此,要將煤礦從勞動密集型產業轉列為高危行業,給予必 要的投入,大幅度提高技術裝備水平和勞動生產率,從而提高礦 井的安全水平。

    抽放瓦斯利用的收入應減免稅收,且鼓勵用瓦斯發電和并網 使用,使高瓦斯礦井千方百計地提高瓦斯抽放量和利用量 這樣, 既提高了礦井的安全性,又降低了瓦斯對大氣的溫室效應,因為 瓦斯對大氣的溫室效應是二氧化碳的21倍。

    通過測定礦井采掘范圍內煤層的瓦斯壓力、煤層透氣性、煤 的強度、煤層瓦斯含量等技術參數,以確定在井田范圍內瓦斯的 賦存情況和危險程度,以便及時采取措施。這項工作應由煤礦企 業配合專業瓦斯檢測機構共同進行,以求數據準確,特別是對具 有突出危險的新水平和新區域,要作出危險性預測和提出安全保 障措施。

    結束視察慰問的溫總理邀請周世寧與張鐵崗兩位院士同乘 專機回京。在飛機上,總理繼續與院士探討我國煤炭工業的安全 生產問題??偫硖岢?,我國的煤礦事故這么多,是否可以從國外得 到一些幫助,引進一些技術,來解決這些問題。周世寧院士的回答 是否定的。他對總理說:“您是學地質的,您知道中國的煤田很特 殊,經過二十幾次的板塊撞擊移動,把煤體的結構破壞了 ,在外國 見不到這樣復雜的結構。中國的煤與瓦斯突出占世界的90%以上,原因就在這里。因此,最好的理論、最好的技術、最好的人才, 都在中國,我們對付瓦斯災害是最有辦法的,問題在人才的接續 和培養。”

    總理聽了以后感動地說:“周院士,你不要著急,這是政府的 責任??!你放心,一定會有辦法來改變這種局面的。”

    周院士見到李書記和張省長,首先衷心感謝領導的關懷,表 示要作好這次事故的調研工作,同時也直截了當地說:“李書記、 張省長,這一次我們不應該吃這么大的虧、死這么多的人”。他說: “一個產能70萬噸的采區,又是綜采工作面,竟下了 500多人, 發生瓦斯爆炸,不要說是死214人,就是死314人也是可能的。煤炭行業是高危行業,不是一般的勞動密集型產業,我向每次向 中央匯報時都要強調,對這個產業來說,要實現安全生產,就要盡 可能地減少井下的工作人員。”周院士的這個觀念對領導同志觸 動很大。

    五、希望與寄托

    說到人才培養的問題,周院士給我們講述了一個故事。1952年,還在中國礦業學院讀書的他到焦作礦區去實習,焦作礦區的 總工程師在給學生們作報告時說過這樣一段話:煙煤瓦斯大,無 煙煤瓦斯小,焦作礦區產無煙煤,所以瓦斯小??墒堑搅?nbsp;1955 年,焦作礦區的瓦斯等級連升三級,從一二級瓦斯礦成為超級瓦 斯礦。這從一個側面說明,當時我國的技術人員對瓦斯的認識幾 乎就是空白。

    他向記者說起了許多人的名字,其中有在我們國家煤與瓦斯 突出最多的南桐礦務局工作,每次遇到突出情況都要作詳細記錄 的梁定基;制作瓦斯遙感儀,在全世界第一個完整測定地層的震 動、位移、瓦斯壓力變化等參數的中梁山礦總工程師鄒奎業;煤炭 科學研究總院撫順分院從事瓦斯防治工作的王佑安等。他說:“這 些都是在瓦斯防治方面作出過突日貢獻的人,希望從事煤礦安全 工作的人能記住他們。”

    在這一方面,周院士堪稱身體力行的楷模。在礦山安全領域, 礦井瓦斯災害的防治是他的主要研究方向,但他在機械、電氣、密 封技術、流體和化工方面也取得了多項專利。例如,他在江蘇電視 臺的科學宮節目中看到日本的水射流手犬刀,覺得很有新意,但 認為用水泵做動力源太笨重,且不利于消毒,于是改用高壓氮氣 壓縮切割液塑料袋來產生切割的水射流,在醫院的實際應用中效 果良好,且成本遠低于國外相似產品。

    讓周院士欣慰的是,經過幾年的努力,我國的安全生產形勢 有了明顯好轉,煤礦的安全生產技術水豆和裝備能力得到了迅速 提升,瓦斯事故得到了有效控制。他深有感觸地說:“像淮南、平頂 山等高瓦斯礦井,能夠實現長周期安全生產,這是很典型的。究其 原因,就是因為企業重視科技創新,在企業里有一批善于學習、勇 于創新、大有作為的年輕人。有了他們這一批人,我們煤礦的安全 生產就大有希望了。”

     

     

     

    久久久综合

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