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科学家精神 | 中国工程院院士周世宁 防治煤矿瓦斯灾害的先行者
发布时间: 2022年6月9日
来源: 当代矿工

周世宁教授1953年毕业于中国矿业学院采矿系,后留校从事教学和科研工作。在长期的瓦斯防治研究中,他创建了煤层瓦斯流动理论体系,从本质上阐明了煤矿中的瓦斯来源及赋存条件,为减少瓦斯灾害做出了重大贡献。1993年,他的“煤层瓦斯流动规律研究”获国家自然科学四等奖。

周世宁教授在1986年获得全国优秀科技工作者称号和全国“五一”劳动奖章,1999年当选为中国工程院院士,2001年被教育部任命为高等学校地矿学科第一届教学指导委员会主任。

周院士是煤矿安全工程学家,煤层瓦斯流动理论的创立者。当谈起在中国矿业学院上学时,他说:“我并不是由于热爱煤炭行业才学采矿的。当年,我是在复旦大学化学系读书,我的哥哥在上海交通大学读书,家里同时负担两个孩子上大学很困难。1950 年,中国矿业学院实行供给制,这样我才去学的采矿专业,但是在进入到这个行业后,深深为矿工的优秀品质感动,他们为了世界的光明来到地下深处进行艰苦的劳动,作为一个从事煤矿安全事业的科学工作者一定要为他们保驾护航。”

一、通往大师之路,周世宁的R-S-R学习方法

儿时的周世宁干什么事都比较专注,喜欢动手操作。在一次学习平面几何时,听老师说一角三等分是世界十大难题之一,于是他为了尝试一角三等分,连着几天一直画图研究到深夜;星期天到城外小河去捞鱼,他可以编织漁网到凌晨:制作橡皮筋牵引的模型飞机,包括螺旋桨在内的所有材料,他都是自己用小刀削刻出来的。这种专注精神深深地影响了他以后的学习和工作。

教科书上说,瓦斯超限会使人窒息死亡。他对此很不理解:瓦斯不是有毒气体,人如果感到呼吸困难,可以往有新鲜空气的地方跑,怎么可能在那等死?一次,他在一个矿井下做实验,有一个地方冒顶,用灯光一照,就像有一层分界线,说明瓦斯浓度很高。他决定体验一下在这种环境下,人究竟是怎样一个感觉。他对同伴说:“我钻进去,你们看我不行了就把我拉出来。”他进去后,只感到困倦,并没有感到呼吸困难,更没有想到离开,这让他恍然大悟。在以后给学生讲课的时候,他经常讲起这次经历,也让他的学生对瓦斯有了更深刻的认识。

周世宁的学习方法是:第一,恭恭敬敬地听讲、看书,努力弄 懂理论的由来和立论的依据以及它的适用条件;第二,千方百计 地找毛病来推翻它,深化对它的理解和认识;第三,在不能否定它 之后,就坚定地相信它,并且在工作中恭恭敬敬地应用。他把这一 方法称为R-S-R学习方法,即From Respect to Suspect, From Suspect to Respect,从尊敬到质疑,从质疑到尊敬。

1978年5月,甘肃窑街矿务局三矿在砂岩中掘进大巷时发 生了事故,突出岩石2000吨、二氧化碳24万立方米.牺牲了 90 人,初步判定是一起岩石和二氧化碳突出事故。煤炭工业部要求 中国矿业学院派人参加事故的分析处理,周世宁奉命参加事故调 查。在赶往现场的路上,他通过理论分析判断,认为不应该是岩石 和二氧化碳突出。因为砂岩对二氧化碳没有吸附力,只能以游离 状态存在于砂岩的孔隙,而砂岩的孔隙率一般只有10%,100立方米的空间要存储24万立方米的二氧化碳是不可能的。周世宁 确信这是一次煤和二氧化碳突出,一定是在掘进中岩巷遇到了断 层,断层把煤层隔在岩巷的前方,由于煤层含高压的二氧化碳,在 揭开煤层时造成了这次事故。当时“文革”刚结束,他还是个“反动 学术权威”,不能乱说乱动。由于种种顾虑,一路上,他不敢与别人 讨论交流。到现场后,他在事故分析会上果断地提出要求立即到 事故地点调查,因为他确信一定能在发生事故的岩石大巷中找至L 突出抛出的煤块。调查组在现场很快发现了突出抛出的煤块,并 找到了悬挂的放炮器,这表明与他事先分析的结果一致,这次事 故是由于地质条件变化,在放炮时岩巷误穿煤层引起煤和二氧化 碳突出产生的。事后,该矿根据这一调查结果改进了掘进工艺。

瓦斯灾害是煤矿最严重的自然灾害。旧中国没有专门研究防 治瓦斯灾害的专家,也没有有关的论著。1953年,周世宁被分配 到中国矿业学院采矿系通风安全教研室工作,成为新中国第一代 专门研究防治瓦斯灾害的专家。为了加深对煤矿瓦斯的了解,他 带着行李长期住在开滦煤矿和抚顺煤矿,经常一天下两三次井, 有时在井下一呆就是两三天,进行了大量的参数测量。通过长期 实践,他对瓦斯的涌出和运移有了新的认识。

煤对瓦斯的吸附与释放的数学模型属于朗格缪尔方程,难于 用简单的数学分析处理。经过大量的演算后,周世宁决定采用近 似的抛物线方程来表达瓦斯压力和含量的关系,并从中导出了煤 层瓦斯单向、径向、球向流动的微分方程式。

1958年,在研究“煤层瓦斯流动理论”的同时,周世宁创制了 当时在世界上独一无二的“矿井通风网路电模拟计算机”。风流在 矿井通风网路中的流动是紊流流动,压差和流量是平方关系,属 于非线性流动,良好的通风状态是煤矿安全的基础。上世记50 年代还没有电脑,因而很难准确地调节计算和控制矿井的通风系 统。周世宁设想用线性电阻网络模拟风网,用电压模拟风压,用电 流模拟风量,用电阻模拟风阻。但是电流的流动规律属于线性流 动,不同于风流,两者之间存在根本的差别。一天,他突然想到风 网中风流的流动是稳定的,每一条风路只有一个风量和压差,在 坐标图上只有一个工作点,而线性电阻网络在相应的电路上也只 有一个电流、电压工作点,只要通过逐步调节的方法使各条电路 电的工作点和相应风路风的工作点重合,就可以完成模拟过程。这就是他在相似理论和模拟技术中提出的新概念——“点模拟”, 是对相似理论的新发展。基于这一理论,周世宁设计了一个有许 多可调电阻的网络,通过调节线性电阻逐步逼近非线性的风网, 研制出来的矿井通风网路电模拟计算机在开滦林西矿的65条 复杂风路的风网进行计算时,取得了与实际一致的结果,这是当 时该领域世界最新的成果。

三、焕发青春,再攀科研新高峰

1978年党的十一届三中全会后,周世宁获得彻底平反。同 年,第十八届国际采矿安全大会在中国征集论文,他的〈煤层透气 系数的测定方法》论文呈递后被大会组委会入选。1979年6月他 收到大会组委会的通知:……请你担任10月7日大会的执行副 主席……

10月4日,周世宁飞到克罗地亚的杜布罗夫斯克。这是他第 —次出国,因此非常兴奋。然而他还没有来得及欣赏亚得里亚海 风景如画的景色,就感觉到沉重的心理压力。按大会规定,宣读论 文后,要站在讲台上面对几百名听众用英语回答问题。在第一天 的会议上,有位日本教授因为听不懂听众的提问,出现了非常尴 尬的局面。他见到这一情景,心中非常紧张,因为第二天上午就轮 到自己作报告和主持会议。但他想,提的问题反正都是论文中的 事,可以把论文逐段分解,找出可能提问的问题,事先写好答案并 且背熟,只要听懂两个字就可以回答。

第一次出国讲述学术报告的成功,打开了通向世界的窗户, 也增加了他参与国际学术交流的信心,为他以后的国际学术交流 创建了良好的开端。

——发现了地应力场和煤层瓦斯压力场的翘合作用

周院士对记者说:“我这一辈子最大的一个成果是什么呢?就 把煤与瓦斯突出时的地应力、瓦斯压力、煤强度这三个因素结合 在一起考虑。煤吸附瓦斯后要膨胀,放出瓦斯后要收缩,这样就带 来了地应力的变化。另外,煤含了瓦斯以后,煤变软,强度变低,排 出瓦斯以后,煤变硬。因此,地应力、瓦斯压力、煤强度这三者是密 切联系的。这个现象是我最早发现的,也是最早写在著作里面 的。”

煤层中的瓦斯压力是瓦斯涌出和突出的动力,是防治煤矿瓦 斯灾害最重要的参数。但长期以来,国内外对瓦斯压力很难准确 测定,其根本原因在于向煤层打钻孔封孔测压时,钻孔周边在强 大的地应力作用下,产生许多微裂隙,封孔的固体材料不能进入 微裂隙封堵瓦斯的漏失,使测得的瓦斯压力值低于煤层真实的瓦 斯压力,错误的测压值会导致错误的技术决策,造成重大损失和 事故。周世宁决心解决这个技术难题。他设想用高于瓦斯压力的 液体封孔,由于压力液体可进入孔周的微裂隙防止瓦斯的泄漏, 因而可以获得真实的瓦斯压力值。为此,他发明了“压力黏液瓦斯 压力测定仪”和“三相压力泡沫密封测压仪”,在煤矿中取得良好 的应用效果,解决了长期以来困扰国内外瓦斯压力测不准的难 题。

周世宁在长期实践中发现饱含瓦斯的煤体变软,有从固体变 为塑性体的特点。比如,在井下煤层打钻孔时,一个直径12cm的钻孔有时能排出2〜3吨的煤粉;而一次抛出上百吨的煤和瓦斯 突出,往往事后找不到孔洞。在南桐煤矿一次5000吨大突出事 故的现场,他在距突出点158米的地方,发现煤体流动位移的痕 迹。他想:是不是流变性强、易于流动的煤,容易形成大的突出?是 危险性强的标志?1993年,周世宁让他的博士生何学秋对此进行 专门的研究。实验结果表明:不同的煤的流变特性是不同的,有的 煤在压力下的流变渐渐趋缓,有的则在平稳一段时间后突然加速 变形,直至破坏。这样就第一次把时间因素加入到煤体破裂形成 突出的过程中,填补了含瓦斯煤体缓慢失稳破裂的空白,对解释 煤和瓦斯的延期性突出起到了重要作用。实验证明了煤的流变特 性是突出危险性的重要因素,易于流变的煤容易形成大的突出, 也容易产生延期性突出。

1999年,周世宁当选为中国工程院院士。

2004年10月20日,河南大平煤矿瓦斯爆炸事故,造成148 人死亡。

2005年2月14 B,辽宁孙家湾煤矿瓦斯爆炸事故,造成 214人死亡。

周世宁院士对煤矿企业瓦斯灾害频发甚为忧虑,他积极向各 级有关领导直至中央领导呼吁建言。

1、  国家对煤矿企业的技术定位不够准确

因此,要将煤矿从劳动密集型产业转列为高危行业,给予必 要的投入,大幅度提高技术装备水平和劳动生产率,从而提高矿 井的安全水平。

抽放瓦斯利用的收入应减免税收,且鼓励用瓦斯发电和并网 使用,使高瓦斯矿井千方百计地提高瓦斯抽放量和利用量 这样, 既提高了矿井的安全性,又降低了瓦斯对大气的温室效应,因为 瓦斯对大气的温室效应是二氧化碳的21倍。

通过测定矿井采掘范围内煤层的瓦斯压力、煤层透气性、煤 的强度、煤层瓦斯含量等技术参数,以确定在井田范围内瓦斯的 赋存情况和危险程度,以便及时采取措施。这项工作应由煤矿企 业配合专业瓦斯检测机构共同进行,以求数据准确,特别是对具 有突出危险的新水平和新区域,要作出危险性预测和提出安全保 障措施。

结束视察慰问的温总理邀请周世宁与张铁岗两位院士同乘 专机回京。在飞机上,总理继续与院士探讨我国煤炭工业的安全 生产问题。总理提出,我国的煤矿事故这么多,是否可以从国外得 到一些帮助,引进一些技术,来解决这些问题。周世宁院士的回答 是否定的。他对总理说:“您是学地质的,您知道中国的煤田很特 殊,经过二十几次的板块撞击移动,把煤体的结构破坏了 ,在外国 见不到这样复杂的结构。中国的煤与瓦斯突出占世界的90%以上,原因就在这里。因此,最好的理论、最好的技术、最好的人才, 都在中国,我们对付瓦斯灾害是最有办法的,问题在人才的接续 和培养。”

总理听了以后感动地说:“周院士,你不要着急,这是政府的 责任啊!你放心,一定会有办法来改变这种局面的。”

周院士见到李书记和张省长,首先衷心感谢领导的关怀,表 示要作好这次事故的调研工作,同时也直截了当地说:“李书记、 张省长,这一次我们不应该吃这么大的亏、死这么多的人”。他说: “一个产能70万吨的采区,又是综采工作面,竟下了 500多人, 发生瓦斯爆炸,不要说是死214人,就是死314人也是可能的。煤炭行业是高危行业,不是一般的劳动密集型产业,我向每次向 中央汇报时都要强调,对这个产业来说,要实现安全生产,就要尽 可能地减少井下的工作人员。”周院士的这个观念对领导同志触 动很大。

五、希望与寄托

说到人才培养的问题,周院士给我们讲述了一个故事。1952年,还在中国矿业学院读书的他到焦作矿区去实习,焦作矿区的 总工程师在给学生们作报告时说过这样一段话:烟煤瓦斯大,无 烟煤瓦斯小,焦作矿区产无烟煤,所以瓦斯小。可是到了 1955 年,焦作矿区的瓦斯等级连升三级,从一二级瓦斯矿成为超级瓦 斯矿。这从一个侧面说明,当时我国的技术人员对瓦斯的认识几 乎就是空白。

他向记者说起了许多人的名字,其中有在我们国家煤与瓦斯 突出最多的南桐矿务局工作,每次遇到突出情况都要作详细记录 的梁定基;制作瓦斯遥感仪,在全世界第一个完整测定地层的震 动、位移、瓦斯压力变化等参数的中梁山矿总工程师邹奎业;煤炭 科学研究总院抚顺分院从事瓦斯防治工作的王佑安等。他说:“这 些都是在瓦斯防治方面作出过突日贡献的人,希望从事煤矿安全 工作的人能记住他们。”

在这一方面,周院士堪称身体力行的楷模。在矿山安全领域, 矿井瓦斯灾害的防治是他的主要研究方向,但他在机械、电气、密 封技术、流体和化工方面也取得了多项专利。例如,他在江苏电视 台的科学宫节目中看到日本的水射流手犬刀,觉得很有新意,但 认为用水泵做动力源太笨重,且不利于消毒,于是改用高压氮气 压缩切割液塑料袋来产生切割的水射流,在医院的实际应用中效 果良好,且成本远低于国外相似产品。

让周院士欣慰的是,经过几年的努力,我国的安全生产形势 有了明显好转,煤矿的安全生产技术水豆和装备能力得到了迅速 提升,瓦斯事故得到了有效控制。他深有感触地说:“像淮南、平顶 山等高瓦斯矿井,能够实现长周期安全生产,这是很典型的。究其 原因,就是因为企业重视科技创新,在企业里有一批善于学习、勇 于创新、大有作为的年轻人。有了他们这一批人,我们煤矿的安全 生产就大有希望了。”