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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采空区边缘下方回撤通道护巷煤柱合理宽度研究

作者(Author)：孙强, 冯国瑞, 郭军, 王朋飞, 钱瑞鹏, 李松玉, 文晓泽

摘要：为了研究浅埋近距离煤层中下煤层回撤通道护巷煤柱合理留设宽度,采用理论分析、相似模拟和数值模拟的研究方法,研究了下煤层回撤通道护巷煤柱覆岩结构特征,确定了采空区边缘下方回撤通道护巷煤柱合理留设宽度。研究表明:在上煤层开采完毕后,由于上煤层停采线煤柱的原因,下煤层回撤通道因布置位置不同将造成护巷煤柱的覆岩结构存在较大差异,从而导致煤柱所承载的荷载出现不同;在煤柱宽度留设时,从采空区压实区到卸压区应逐渐减小,从卸压区到上煤层实体煤下应逐渐增大,采空区压实区煤柱宽度应小于实体煤区。通过建立工况条件下采空区边缘下方回撤通道数值模拟模型,确定了护巷煤柱合理留设宽度为18m。

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煤矿安全

2021年第03期

291

140
遗留煤柱群链式失稳的关键柱理论及其应用展望

作者(Author)：冯国瑞, 白锦文, 史旭东, 戚庭野, 王朋飞, 郭军, 王善勇, 康立勋

摘要：遗留煤柱群链式失稳会引发覆岩垮落、地表塌陷、动载矿压、瓦斯外逸或水体下泄等灾害。揭示遗留煤柱群链式失稳的核心机理是精准防控的基本前提。本文从链式失稳的源头出发，提出了遗留煤柱群的最弱失稳致灾模式，界定了关键柱的基本概念，分析了关键柱的主要特征，研发了关键柱判别的技术方法，揭示了关键柱局部失稳的诱灾机理，形成了遗留煤柱群链式失稳的关键柱理论，并对其潜在的应用范围与领域进行了展望。研究结果表明:① 遗留煤柱内在物理力学性质和外在环境因素等的差异性，导致采场遗留煤柱群呈现出最弱失稳致灾模式——遗留煤柱群体系中任一失稳致灾模式发生时，最弱失稳致灾模式必然已经发生，即遗留煤柱群体系发生链式失稳时，稳定性最弱的遗留煤柱必然发生了失稳。② 关键柱是指采空区中最先可能发生局部失稳的遗留煤柱;“关键柱”之所以“关键”，是因为唯有采空区“关键柱”发生局部失稳，邻近区域稳定性稍强的遗留煤柱的失稳破坏才可能被活化，采场遗留煤柱群的链式失稳也才可能发生。③ 安全系数最小的遗留煤柱可以判别为煤柱群体系中的“关键柱”，在进行关键柱判别的时候需要遵循区域性、相对性、动态性和复合性等四大原则。④ 关键柱局部失稳的诱灾机理体现在:关键柱载荷的逐渐减小使得最邻近遗留煤柱承担的载荷线性增大，即关键柱的局部失稳会引发覆岩载荷向最邻近的遗留煤柱中转移与扩散，导致进一步的失稳破坏，并最终可能引发遗留煤柱群体系的“多米诺”链式失稳与破坏。⑤ 关键柱理论不仅可以应用于柱采区邻近煤层开采、强矿压控制、煤柱留设、充填开采、瓦斯抽采和水害防治等技术领域，还能推广应用于非煤矿山资源开采矿柱群的失稳防控等领域。遗留煤柱群链式失稳的关键柱理论的提出有望促进我国煤炭资源绿色开采理论与技术的发展。

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煤炭学报

2021年第01期

1183

2200
超声波法评价矸石膏体的静态抗离析性能

作者(Author)：冯国瑞, 李庆东, 戚庭野, 郭育霞, 冉洪宇, 郝晨良

摘要：为了快速评价矸石膏体充填材料的静态抗离析性能,使用康科瑞NM-4B非金属超声波检测仪研究了超声波在充填料浆和硬化充填体中的传播特征。试验结果表明:静置10 min以后,超声波在充填料浆中的传播速度趋于稳定,超声波在试模顶部料浆中的传播速度明显小于试模底部料浆中的传播速度;依据超声波在试模顶部料浆中的传播速度和试模底部料浆中的传播速度计算得到静态离析率,与静态离析指数之间的相关系数为0.995;随养护龄期增长,超声波在硬化充填体中的传播速度逐渐增大,超声波在硬化充填体顶部、中部和底部的传播速度存在显著差异,定义超声波在充填体高度方向不同位置处传播速度的标准差为硬化静态离析率,硬化静态离析率与静态离析率之间的相关系数为0.941,与静态离析指数之间的相关系数为0.955。因此,静态离析率和硬化静态离析率可以用来表征矸石膏体的静态抗离析性能。

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采矿与安全工程学报

2020年第06期

237

83
高瓦斯煤层综掘工作面风流-粉尘两相流动特性

作者(Author)：胡胜勇, 廖奇, 王和堂, 冯国瑞, 徐乐华, 黄宜生, 邵和, 高扬, 胡斐

摘要：为解决压入式通风条件下高瓦斯煤层综掘工作面粉尘质量浓度高的问题，以山西潞安集团漳村煤矿2601综掘工作面为研究对象，基于气固两相流理论，通过编程计算综掘工作面气载粉尘运移过程，研究了综掘工作面气固两相流动特性，结果表明:在压入式风筒出口与综掘工作面之间存在一个“负压区”，其影响范围随风筒出口风速增大而增大，而中心压力随风速增大而减小。该负压区导致沿综掘工作面回风侧煤壁运移的部分粉尘流分别在掘进机上方涡流、后方回流的携带作用下，从掘进机右侧和后部流经掘进机司机周边，往风筒出口方向运移，导致司机右侧、后部以及进风侧距综掘工作面2.5 m区域的粉尘浓度较高。当风筒出口风速低于17 m/s时，回流粉尘环绕掘进机形成平均质量浓度为300 mg/m3的粉尘带;当风速高于17 m/s时，粉尘带平均质量浓度急剧下降，回流粉尘在进风侧距综掘工作面2.5 m的区域积聚，形成平均质量浓度高于300 mg/m3的粉尘团。因此，应在高瓦斯综掘工作面掘进机的回风侧设置粉尘拦截装置，截断粉尘的扩散路径。同时，需在掘进机的后部设置覆盖工作面断面的除尘装置，对沿回风侧运移的粉尘进行二次拦截，阻挡掘进机后方粉尘回流，提高综掘工作面的能见度。

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煤炭学报

2019年第12期

1078

311
煌斑岩遇水对特厚煤层覆岩运移的影响数值模拟研究

作者(Author)：冯国瑞, 孙强, 郭军

摘要：为了研究侵入特厚煤层顶板不同层位的煌斑岩在遇水前后对采场覆岩运移产生的影响,以大同塔山矿为背景,通过建立UDEC数值模拟模型,对煌斑岩遇水前后特厚煤层采场覆岩垮落、破坏和顶板下沉特征进行了研究。研究表明:遇水情况下,煌斑岩侵入煤层顶部时,顶板初次垮落步距减小并呈缓慢下沉特征;侵入直接顶中部时,上部直接顶岩层随下部直接顶一起垮落,且垮落步距明显缩短;不同层位的煌斑岩无论是否遇水,只对初采阶段直接顶岩层活动规律有直接影响,高位岩层主要受基本顶控制。

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煤矿安全

2019年第11期

313

268
沁水盆地南部潘庄区块废弃矿井煤层气地球化学特征及成因

作者(Author)：刘超, 冯国瑞, 曾凡桂

摘要：为了研究废弃矿井中煤层气成因，以沁水盆地南部潘庄区块废弃矿井为例，抽采废弃矿井中煤层气并进行化学组分和同位素测试，并采集部分废弃矿井水样品测试水中离子浓度、pH值等进行研究。结果表明：潘庄区块废弃矿井中煤层气CH4体积分数平均值为91.99%，CO2为1.26%，N2为6.73%；甲烷碳同位素(δ13C1)值为–31.36‰~–33.53‰，平均–32.25‰，氢同位素(δD)值为–182.76‰~–193.20‰，平均–187.538‰。废弃矿井排采水中阴阳离子主要为Mg2+、K+、HCO3、Cl–、Na+、SO2– 4和NO– 3等，产出水型为Mg-(HCO3)2型，表明矿井水受到地表水的强烈影响。废弃矿井中煤层气主要以热成因气为主，少量次生生物气。与附近未开采煤储层相比，研究区废弃矿井中的环境更有利于次生生物气的生成。

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煤田地质与勘探

2019年第06期

412

145
开采顺序对复合残采区层间煤岩层矿压显现影响规律研究

作者(Author)：冯国瑞, 王胜伟, 郭峰

摘要：为了研究上下煤层开采顺序对复合残采区层间煤岩层矿压显现影响的规律,以西山煤电白家庄煤矿上下部煤层分别采用刀柱法和长壁垮落法开采后形成的复合残采区为研究对象,综合运用现场调研、理论分析和数值模拟等研究方法,分析了上下煤层不同开采顺序对中部遗留煤层及其围岩应力分布、移动变形和破坏特征的影响。研究结果表明:相较于"先下后上"的开采顺序,采用"先上后下"开采顺序时,上下部煤层开采完毕后中部遗留煤层及其围岩的应力集中程度更低,双重采动所造成的应力影响范围更小;采用"先上后下"开采顺序时,复合残采区层间煤岩层移动变形量较"先下后上"开采顺序时小;采用"先上后下"开采顺序时,上部煤层遗留刀柱煤柱下方岩体未受到塑性破坏,即该区中部煤层整体稳定性较好。研究可为同类型赋存条件的复合残采区中部遗留煤层安全开采提供理论基础。

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煤炭工程

2019年第09期

379

136
结构充填“保水-储水”采煤顶板稳定性分析

作者(Author)：杜献杰, 冯国瑞, 戚庭野, 郭育霞, 王泽华, 张玉江, 李振, 白锦文

摘要：在结构充填开采基本思想的指导下，根据我国西北干旱半干旱地区保水采煤与矿区水资源安全高效存储的实际需求，充分发挥条带式结构充填保护含水层结构与煤矿地下空间再利用的优势，提出条带式结构充填“保水-储水”采煤构想。在分析了条带式结构充填覆岩结构特征基础上，采用弹性地基上的有限长梁模型对“充填条带-直接顶”整体结构进行了力学分析，并结合初始参数法分段解析了直接顶变形方程。同时根据“保水-储水”的功能要求，提出了条带式结构充填“保水-储水”采煤的直接顶控制原则。根据新阳矿区工程地质条件和充填材料性能，通过理论计算得到条带式结构充填的临界充填率为51%，最大充填间距为11.46m。通过FLAC3D数值模拟对新阳矿区条带式结构充填“保水-储水”方案进行了优化设计，结果表明:在保持充填率基本不变的情况下，随着充填间距的减小，直接顶自承载能力逐渐增强，可形成“充填条带-直接顶”结构控制体系，对上覆岩层的控制作用明显提升;充填间距的减小缓解了充填体和直接顶内的应力集中现象，显著减小了充填条带和直接顶内的塑性区范围，有利于充填条带和直接顶的长期稳定，进而实现条带式结构充填“保水-储水”的目的;综合分析得到了新阳矿区条带式结构充填“保水-储水”采煤的最佳充填方案为间隔2m充填2m。

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煤炭学报

2019年第03期

1269

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