隨著現代高新科技的迅猛發展,大數據、大模型、深度學習等人工智能技術的先進性已日益凸顯,現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,現階段巖石破裂的相關研究往往從巖石力學與巖石工程角度出發,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,忽視了物質運動時空一致性的哲學屬性。

在此背景下,王運敏院士分別從唯物主義哲學和物理學發展的視角總結了事物的時空變化性和物質運動的時空延展性規律,以能量時空性為主線,提出了巖石破裂時空觀學術思想,從“巖石→能量→破裂”完全統一角度定義了巖石破裂時空觀。結合新時代學科發展前沿問題,巖石破裂時空觀理論體系的提出將為巖石力學與巖石工程領域的研究提供全新的第四研究范式

亮點

（1）梳理唯物主義哲學和物理學中“物質運動時空一致性”觀點發展脈絡,以大數據、大模型、深度學習等人工智能新興技術在巖石破裂研究中所面臨的理論和技術瓶頸為突破口,通過全變量感知、全方位認知巖石在“原始狀態—破裂狀態—失穩狀態—穩定狀態”全生命周期中的狀態信息,提出了礦業、巖土、信息、安全等多學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與巖石工程領域的理論體系,從全變量感知、全方位認知角度展現出理解、分析和決策的領域新面貌,考慮巖石破裂問題的復雜性、跨尺度性、系統性、不確定性和非線性等本質特性,形成以信息采集、傳輸、處理、表達、分析和服務為核心的巖石力學與巖石工程領域全新理論體系

論巖石破裂時空觀(一):科學定義及應用前景

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.江西理工大學土木與測繪工程學院;4.江西理工大學資源與環境工程學院

01

巖石破裂時空觀

應力、溫度、水、化學場等物理場變化是能量的具象化表現,能量是巖石狀態改變、發生破裂的根源。能量輸入超過巖石所能承受的極限,巖石破裂區域分子官能團變異,導致巖石發生破裂。能量與巖石狀態變化為不可分割的統一體,能量變化下的破裂是巖石狀態變化的歸宿,這就需要把巖石、能量、破裂完全統一起來進行研究。應力、溫度、水、化學場等變化的時空性對應能量變化的時空性,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”角度完全統一了巖石破裂的時空性。

以“巖石—能量—破裂”關系中的時空統一性、能量增量下巖石破裂中的時空發展性為主線,以物質運動在時空上的絕對性和相對性為基調,以巖外能量交換為破裂的驅動力,從時空統一性角度重新認識巖石破裂時空發展規律十分關鍵。

巖石破裂時空統一性示意

能量增量狀態下巖石破裂發展示意

近年來,隨著眾多先進手段的應用,業內學者從巖石破裂的聲(聲波/聲發射/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,對巖石破裂問題開展研究,捕捉巖石破裂規律。該類研究的實質是捕捉破裂區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律,顯然難以有效兼顧巖石破裂的時空統一性。

巖石破裂過程監測信息示意

巖石破裂時空觀,以“物質運動時空一致性”為指導思想,從“巖石—能量—破裂”時空統一性出發,是利用大數據、大模型、深度學習等人工智能方法從時空一致性角度對巖石在“原始狀態→破裂狀態→失穩狀態→穩定狀態”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—破裂狀態—失穩狀態—穩定狀態”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測準確性、確保巖體工程的安全性與穩定性,從而推動多學科交叉融合在巖石力學與巖石工程領域研究的全面升級。

02

應用前景

不同尺度巖石破裂所聚焦的科學問題不盡相同,甚至存在不同尺度破裂觀點相左的現象,這不僅極大增加了巖石破裂研究的復雜性,也提升了巖石破裂致災的監測預警及防控難度。

巖石破裂時空觀的提出,為巖石力學與巖石工程領域引入大數據、大模型、深度學習等人工智能新興技術提供了理論體系保障。針對巖石力學與巖石工程領域存在的諸多待解決的科學問題以及工程應用難題,以巖石破裂時空觀為頂層設計,建立“頂層—基礎層—科學問題—工程應用”的思維體系,實現現有科學問題以及工程應用難點的研究突破。

巖石破裂時空尺度的發展趨勢示意

第四研究范式以巖石破裂時空觀為頂層設計,通過規范化數據科學的交叉融合,以全數字化建模、全變量感知、全要素認知、全方位分享等方式進行科學化決策,變革傳統巖石力學與巖石工程研究所涉及的工程設計、安全生產、降本增效、災害防治等方面的研究范式。巖石力學與巖石工程領域應以巖石破裂時空一致性為新核心推動力,推動跨學科體系、跨產業結構、跨知識密集等的集成發展,加快實現前瞻規劃和動態推演、以人為本的綠色低碳設計、少人或無人自主施工建設、巖體破裂預知性和巖體安全性維護管理。

巖石力學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,博士研究生導師,國務院特貼專家,現任中國中鋼集團科技創新委員會主任、首席專家,金屬礦山開采安全與災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域著名專家,長期致力于金屬礦山開采關鍵技術研究工作,主持開發了陡坡鐵路運輸系統,構建了陡幫開采設計方法,提出了露天地下三階段開采設計原理,創建了深凹露天礦生態綠色開發新模式,成功解決了陡坡鐵路、陡幫開采和露天轉地下開采等重大工程技術難題。主持并承擔了30余項國家與省部級重點課題的研究與應用工作,憑借多項創新技術與成果,在礦山高效開采、綠色開采、高效運輸、災害控制等方面作出了突出成績,取得了顯著的經濟效益和社會效益。王運敏院士先后獲得國家科技進步二等獎3項,省部級/行業特等獎2項、一等獎7項。獲授權發明專利33項,出版專著5部,主編專業手冊2部、國家行業標準4部。榮獲1987年“七五”建功一級獎章,1992年首屆青年科技獎,1993年國務院特殊津貼,2007年“安徽省勞動模范”榮譽稱號,2010年全國優秀科技工作者,2011年安徽省學術技術帶頭人,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年全國創新標兵,2020年第三屆“安徽省突出貢獻人才獎”,2020年中國鋼鐵工業協會終身成就獎。

文獻來源

王運敏,劉祥鑫,游勛.論巖石破裂時空觀(一):科學定義及應用前景[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會主辦，主編為中國工程院王運敏院士，現為北大中文核心期刊、中國科技論文統計源期刊（中國科技核心期刊）、中國精品科技期刊（F5000頂尖學術論文來源期刊）、中國百強報刊、RCCSE中國核心學術期刊（A）、中國期刊方陣雙百期刊、國家百種重點期刊、華東地區優秀期刊，被美國化學文摘（CA）、美國劍橋科學文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學技術振興機構數據庫（JST）等世界著名數據庫收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機電與自動化、安全環保、礦山測量、地質勘探等領域具有重大學術價值或工程推廣價值的研究成果，優先報道受到國家重大科研項目資助的高水平研究成果。根據科技部中國科技信息研究所發布的《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種礦業工程技術學科核心期刊第1位；根據中國知網發布的《中國學術期刊影響因子年報》（2024版），《金屬礦山》學科影響力位居73種礦業期刊第9位。

供稿：曾文旭

編排：戴穎熠

審核：王小兵

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