2021年“科学探索奖”获得者冯国瑞教授成果专题

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2021年获奖名单中的50位获奖人分别来自13个城市，其中大部分获奖者均来自清华大学、北京大学、复旦大学以及中国科学院等科研实力非常雄厚的名校及地区。冯国瑞教授的成功入选为山西高等教育的发展贡献了“太原理工力量”。我们期待太原理工大学有更多的优秀青年能够本着“求实、创新”的校训精神，不断激发自身创新活力，为社会重大难题的突破寻找新路径，从而助力太原理工大学的“双一流”建设，助推山西高等教育的发展。

冯国瑞，男，1976年7月生，山西阳城人，博士，教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者、国家优秀青年科学基金获得者、国家“万人计划”科技创新领军人才、国家百千万人才工程人选。1999年获太原理工大学工学学士学位，2002年获太原理工大学工学硕士学位，2009年获太原理工大学工学博士学位。2010年和2015年先后赴日本长崎大学和美国西弗吉尼亚大学做访问学者。历任太原理工大学科技处副处长、矿业工程学院院长、科学技术研究院院长。兼任山西省煤基资源绿色高效开发工程研究中心主任、全国煤炭工业矿山建设与支护专家委员会副主任、中国煤炭学会青年工作委员会副主任、山西省煤炭学会副理事长，《山西煤炭》主编，《煤炭学报》、《采矿与岩层控制工程学报》、《矿业科学学报》编委，教育部高等学校矿业类专业教指委委员、山西省高等学校地质矿业和安全科学与工程类专业教指委主任。现任太原理工大学党委常委、副校长、校侨联主席。

“科学探索奖”具有自身的独特定位。奖项评审严格遵循“科学家说了算”的原则，看重候选人面向未来的科研计划，重在“奖未来、奖潜力”，倡导勇于探索、甘于寂寞的科研风气。在奖金使用上，由获奖人自由支配，出资方不作干涉。在奖项运营方面，由腾讯基金会设立专项基金，采用公益化运作，不计商业回报，坚持长期投入。

目前，共评选出150位优秀的青年科学家。获奖人正在成为中国科技发展的生力军。他们近八成曾在海外学习或工作，平均年龄不到 40 岁，最年轻的仅 30 岁。他们在基础数学、天文学、密码学、细胞学、量子科学、材料科学等多个领域达到国际前沿水平，多人致力于人工智能、量子信息、集成电路、先进制造、生命健康、脑科学、生物育种、空天科技、深地深海等基础核心领域攻关，多人担任国家重点研发计划项目的首席科学家，已成为国家科技事业的中坚力量。

行业视野: 高端智库
类别; 109个
关键词; 64位
专家; 23篇
论文; 14322IP
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不同黏结长度锚杆拉拔承载特性研究

作者(Author)：杜云楼, 冯国瑞, 康红普, 张玉江, ZHANG, Xihong

摘要：黏结长度是影响锚杆承载性能的关键因素之一,研究不同黏结长度锚杆的拉拔承载特性对锚杆支护设计具有重要意义。为此,基于锚固界面的"三线性"黏结-滑移模型,采用FLAC3D数值软件研究了不同黏结长度锚杆的拉拔承载特性。研究结果表明:黏结长度会显著影响锚杆拉拔载荷-位移曲线的形态和发展过程,增大锚杆黏结长度能够提高其承载能力,提高锚杆抵抗失效的能力。随着黏结长度的增加,锚杆峰值拉拔载荷先快速增大后稳定增大,锚杆软化载荷和摩擦载荷先逐渐增大后保持不变,锚杆存在临界黏结长度。拉拔载荷作用下,锚杆轴力沿锚杆长度方向逐渐降低,峰值剪应力最先出现在锚杆加载端,并逐渐向锚杆自由端移动。随着黏结长度的增加,锚杆轴力作用范围增大,锚杆剪应力的不均匀性增加。研究结果可为锚杆支护设计提供有益参考。

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采矿与岩层控制工程学报

2021年第03期

616

201
非等宽复合柱采区中部遗煤开采可行性分析

作者(Author)：冯国瑞, 杨文博, 白锦文, 王凯, 崔博强, 毋皓田, 史旭东

摘要：选取非等宽复合柱采区中部遗煤的开采为研究对象,采用数值模拟、相似模拟和理论分析相结合的方法,从遗留煤柱稳定性、围岩应力分布环境及岩体结构稳定性3个角度出发,系统分析了非等宽复合柱采区中部遗煤开采的可行性。结果表明:复合采动影响下残采区遗留宽煤柱的稳定性强于窄煤柱,中部遗煤开采过程中超前支承压力会与遗留煤柱内集中应力相互叠加,导致窄煤柱发生超前失稳,并强化宽煤柱的应力集中程度。复合柱式开采后采场会形成"遗留煤柱-上位控制层"倒置连续梁岩体结构和"下位承载层-遗留煤柱"连续梁岩体结构。中部遗煤开采过程中,上位层间岩层中的"控制层"结构会逐步发生破断失稳,尤其在通过宽煤柱时会发生切落式失稳,引发"遗留煤柱-上位控制层"倒置连续梁耦合承载结构的破坏,并导致强矿压显现;"下位承载层-遗留煤柱"连续梁耦合承载结构在中部遗煤开采过程中能够保持整体稳定。晋华宫煤矿非等宽复合柱采区中部遗煤开采可行性良好,当工作面通过复合柱采区重叠式遗留煤柱对应的高应力区域时,需要采取柱旁充填、煤柱预裂或切顶卸压等超前防控技术来削减采场强矿压。本研究可以为非等宽复合柱采区中部遗煤的安全高效开采提供良好的理论支持。

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采矿与安全工程学报

2021年第04期

488

202
煤矿废弃井巷抽水储能理论与技术框架

作者(Author)：葛帅帅, 冯国瑞, 姚西龙, 栗继祖, 畅一帆

摘要：废弃井巷抽水储能能够实现废弃矿井资源化利用及可再生能源电力的消纳,但煤矿废弃井巷抽水储能的理论及技术体系仍需进一步完善。通过分析我国主要产煤省份煤炭开采空间分布情况,揭示了我国煤矿废弃井巷抽水储能发展的巨大潜力;从工程背景、科学问题、关键技术和工程实践等方面阐述了废弃井巷抽水储能的理论与技术框架。研究结果表明:采空水赋存规律及资源化利用方法、人工坝体及煤柱多场耦合变形机理、废弃井巷抽水储能技术经济原理及煤矿回采与废弃井巷抽水储能过渡机制是废弃井巷抽水储能开发的亟需解决的科学问题;采空水资源评估及生态利用技术、煤柱防渗改造技术、人工坝体设计建设技术及底板防渗改造技术等技术是废弃井巷抽水储能需要攻关的关键技术。进一步厘清了废弃井巷抽水储能开发的理论研究体系,并为废弃井巷抽水储能技术研发及推广应用提供了参考。

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煤炭工程

2021年第07期

475

200
掘进应力扰动下细砂岩破裂规律及其强度损伤的实验研究

作者(Author)：李竹, 冯国瑞, 崔家庆

摘要：采用数值模拟和实验相结合的方法,以西铭矿回风大巷细砂岩为例,通过FLAC3D精细化模拟,还原了巷道掘进过程中围岩应力加卸载路径,通过声发射探测仪掌握了未经历掘进应力扰动的单轴压缩和经历掘进应力扰动后单轴压缩的砂岩破裂过程声发射信号分布特征,揭示掘进应力扰动作用对岩石强度的削减效应以及对破裂发育的影响规律。结果表明:掘进应力扰动对岩石极限强度存在显著的削减效应,强度削减幅度约为11.43%;掘进应力扰动改变了试件主裂隙发育及扩展方向,单轴加载路径下试件裂隙自下部萌生并上行发育直至形成贯通断裂带,而经历掘进应力路径后试件裂隙亦自下部萌生,但主裂隙起裂位置调整至岩石上部,并下行发育直至试件中形成完全贯通的宏观断裂面。掌握掘进应力扰动作用下围岩破裂初期规律及其后期围岩变形、破坏特征的影响规律,对确定合理的采动围岩支护方法具有重要意义。

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太原理工大学学报

2021年第03期

290

182
柱式采空区蹬空复采充填体高-强协调机制及其临界高度研究

作者(Author)：李竹, 冯国瑞, 朱卫兵, 宁杉

摘要：柱式采空区上层遗煤蹬空安全复采的关键在于确保底板煤岩柱的采动稳定性。针对山西朔州中煤金海洋煤业公司6#煤层蹬空开采底板煤柱易失稳诱发上行工作面垮塌的现象,提出地面注浆充填加固底板煤柱工程技术,借助于注浆充填固结体对底板煤柱形成的夹持作用,抑制底板煤柱采动裂缝扩展并提升其承载能力。综合采用数值模拟、理论分析和现场实测,研究不同强度及高度充填固结体夹持作用下底板煤柱采动裂缝及极限承载能力演化规律,并以裂缝数量和峰值强度为指标,定量表征不同强度和高度充填体对底板煤柱采动裂隙扩展的抑制效应和承载能力的强化效应,研究揭示不同充填体高度和强度的"高-强"协同作用及其底板煤柱增稳机制,据此确定柱式采空区注浆充填材料合理强度的配比方案及注浆充填体临界高度,即粉煤灰水泥比为2∶1的混合浆液、固结强度为4 MPa和高度至少为6 m的充填体。论文研究阐明了充填体强度和高度对底板煤柱的耦合增稳机制,可为蹬空安全复采下伏采空区注浆加固提供有益指导,对优质遗煤资源安全复采具有重要意义。

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采矿与安全工程学报

2021年第03期

336

183
酸性环境中矸石胶结充填体强度及徐变特征

作者(Author)：郭育霞, 冉洪宇, 冯国瑞, 王鹏, 王泽华

摘要：为了研究酸性矿井水中矸石胶结充填体强度及长期变形特征,采用实验室加速腐蚀方法,测试不同质量分数和不同pH值硫酸溶液中充填体的抗压强度、质量、超声波波速、徐变变形随时间变化规律,建立了强度-时间、波速-强度及徐变模型,通过SEM和XRD分析腐蚀后充填体微观结构及化学成分。研究表明:随腐蚀龄期的增加,试件抗压强度和波速先增加后减小,质量先减小后增加再减小,90d后强度损伤度逐渐增大;pH值越小、充填材料质量分数越小,试件各宏观性能随龄期增长所受影响越大;充填体徐变应变随时间增长而增加,随p H值、质量分数的降低而增加;腐蚀前期,硅酸钙凝胶和钙矾石填充内部孔隙,试件承载能力增加;腐蚀后期,钙矾石分解生成二水石膏后吸水膨胀,破坏材料内部晶体结构,试件承载能力降低。

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采矿与安全工程学报

2021年第02期

298

120
煤粉运移与沉积对支撑裂缝渗透率动态影响规律

作者(Author)：胡胜勇, 郝勇鑫, 陈云波, 冯国瑞, 李国富, 张惜图

摘要：煤粉沉积导致的支撑裂缝渗透率的伤害是影响煤层气排采效果的重要因素之一。基于毛细管束模型，结合Carman-Kozeny公式建立了考虑煤粉运移与沉积的支撑裂缝渗透率演化模型，并利用煤岩导流性能测试系统进行了不同条件下的煤粉侵入支撑裂缝实验，验证了模型的正确性，探讨了煤粉沉积特性对支撑裂缝内煤粉分布规律及渗透率时空演化的影响。研究结果表明:沿煤粉运移方向，支撑裂缝内沉积煤粉浓度逐渐减小，大量煤粉沉积在裂缝入口端，导致裂缝入口端孔隙堵塞程度较大，裂缝内孔隙堵塞程度较小，支撑裂缝渗透率沿煤粉运移方向减小，且随着煤粉运移时间增加，支撑裂缝内悬浮煤粉浓度先快速上升到峰值，随后保持不变，沉积煤粉浓度不断增大，支撑裂缝内孔隙的堵塞程度增大，支撑裂缝的渗透率不断减小。煤粉沉积系数与弥散系数是影响支撑裂缝内煤粉分布规律及渗透率的重要因素，且随着煤粉沉积系数增大，煤粉运移越困难，支撑裂缝入口端沉积煤粉量增大，运移至支撑裂缝内的煤粉量减小，支撑裂缝内悬浮煤粉与沉积煤粉浓度减小，煤粉占据孔隙体积变小，支撑裂缝渗透率增大;而煤粉弥散系数越大，煤粉越容易运移，运移至支撑裂缝内的煤粉量越大，支撑裂缝内悬浮煤粉质量浓度与沉积煤粉体积分数越大，煤粉占据孔隙体积越大，支撑裂缝渗透率越小。

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煤炭学报

2021年第04期

908

466
水力压裂裂缝内支撑剂颗粒空隙率分布的形成机制

作者(Author)：关舒文, 胡胜勇, 张惜图, 冯国瑞, 李国富, 陈云波

摘要：为了解水力压裂裂缝内支撑剂颗粒空隙率的演变,采用数值模拟方法模拟了裂缝内支撑剂颗粒在不同应力下的压缩过程,通过研究裂缝内支撑剂的接触力及配位数分布揭示了其空隙率分布的形成机制。结果表明:裂缝内支撑剂颗粒空隙率自下而上呈缓减小-急减小-缓减小-急增大-缓增大的分布趋势;将其分为底层、中层和顶层3个层位,相同应力状态下,底层支撑剂间接触力最弱为应力衰减区,平均配位数最小,空隙率最大;中层支撑剂间接触力最强为应力承受区,颗粒向下传递力的能力最弱,平均配位数最大,空隙率最小;顶层颗粒向下传递能力最强为应力传递区,支撑剂间接触力较弱,平均配位数和空隙率介于应力承受区和应力衰减区之间。

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煤矿安全

2021年第03期

415

253