用安全書寫礦區新生
——記中國礦業大學（北京）力學與建筑工程學院副教授陶志剛

□ 衛婷婷

陶志剛

“這是我們針對滑坡研發的監測預警系統，這邊是研制的具有負泊松比效應的NPR新型錨索……”中國礦業大學（北京）力學與建筑工程學院副教授陶志剛興致勃勃地向記者介紹著。多年來，他在中國科學院院士何滿潮的指導下，與深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室的團隊成員們共同研發了多種有關地質災害的監測系統。

雖然是“80后”，但時至今日，陶志剛已經在巖土力學領域里馳騁多年，可以算得上是該領域里年輕的“老炮兒”了。本以為平日只需將自己沉浸在科研與教學中，但在談到每日的工作狀態時，陶志剛卻吐露了其中的不易。除了涉足科研人員與教師兩份不同的工作，在陶志剛的簡歷上還能看到其他身份。他對此打趣道：“我身上有許多標簽，除了老師、導師，還有‘工程師’‘業務員’，甚至是‘后勤人員’。”說到這，他忍不住笑起來，歡樂的氣氛也感染了周遭。

陶志剛所從事的巖土工程，是土木工程里極為重要的一門學科，包括土力學、巖石力學和地質學3個分支，三方面缺一不可。研究巖土工程，不僅要牢固掌握其基本概念與原理，還要對巖土的物理力學性質、強度變形計算、穩定性分析等理論與方法做到心知肚明，更要在這些理論與原理的基礎上，將其應用到土木工程、地質工程和隧道工程的實際操作中，真正服務于民。因此，一入巖土工程深似海，陶志剛不但要時刻想著研究，也要深入礦山當起“工程師”，還要時不時充當“業務員”，廣泛聯系合作企業，將研發的新材料、新裝備應用到對各種地質災害的實際監測中。

這份聽起來有些令人“叫苦連天”的工作，陶志剛卻始終樂在其中。他在中國礦業大學（北京）深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室這一平臺上，盡情揮灑著自己滿腔的科研熱情和教學初衷，在科研和教學征途上不懈開拓著。

“半路出家”的巖土人

兩個人，三間房，幾個簡單的實驗設備，這就是陶志剛剛剛接觸巖土力學時的情形。當時，他跟隨中國礦業大學（北京）何滿潮教授（2013年當選中國科學院院士）進行有關地質災害的監測預警研究。因為沒有專門進行實驗的場地，他常常要奔波于多個實驗室，很大一部分時間都浪費在了路上。如今，當時僅靠幾個人撐起的實驗室已經發展成為“一辦三部”，即一個辦公室，教學部、科研部和實驗部三個部門，且擁有近3000m2試驗場所、120多個研究人員的成熟團隊，并在近年來對礦山、冶金、交通、國防、水利等多方面的災害控制及監測預警上做出了突出貢獻。

可陶志剛卻透露，他其實并不是地道的巖土力學研究人，而是半路加入的。原來，本科及碩士階段，陶志剛一直在河北理工大學（現華北理工大學）研究地質學，直到2008年來到中國礦業大學（北京）師從何滿潮攻讀博士以后，才在其引領下，逐漸走入巖土工程的世界。

初入實驗室不久發生的一件事就給陶志剛帶來很大震撼。2008年恰逢我國汶川發生8.0級特大地震，舉國悲痛中，何滿潮在地震發生不到10天就親赴現場進行調查。隨后，他將調查結果進行匯總，用了不到一年時間就提出了一套全新的理論：雙體災變力學理論。何滿潮基于牛頓力變化測量建立了雙體災變力學模型，將提出的牛頓力測量方法應用于發震斷裂和滑坡的監測預警中，目前相關技術已經在全國381個滑坡牛頓力現場監測點得到廣泛應用。

不到一年就可以使我國發震斷裂及滑坡的監測預警技術前進一大步，陶志剛為此深受鼓舞，也更加確定了自己研究巖土工程的正確性。隨后陶志剛被派到河南省靈寶羅山礦區進行了為期一年的實地研究，開展“靈寶市羅山礦區滑坡體遠程監測預警系統的研發及工程應用”研究。

深入項目研究后，陶志剛才發現實驗室是在該礦區已有總面積多達17.96萬m2、總體積多達405.2萬m3的滑坡體的情況下接下這塊“燙手山芋”的。當時大面積的滑坡體已經嚴重影響礦區的安全開采，有關部門也早已下令停采。為了使礦山重獲新生，項目團隊歷經重重攻關，最終取得了多項突破創新成果。

自從來到礦山，陶志剛積極參與研究。他提到，由于傳統的滑坡監測主要是位移、變形、水位等參數的監測，是產生滑坡災變的必要條件，而非充分條件，不能作為滑坡災變預測預報的主要依據。要想預測準確，必須找出災變發生的充分必要條件及其可測參數。經過研究，團隊提出了牛頓力監測原理及測量方法，將可測的人為力學系統插入到不可測的天然力學系統中，使其煥然一新，成為全新的、部分力學量可測的復雜力學系統，再借助擾動力達到了通過直接測量而間接計算滑體滑動力的目的。豐富了原理知識后，團隊進而針對已知原理提出了切實的牛頓力監測方法，建立了天然力學系統和人為力學系統之間的函數表達式，計算出了不可測的滑體下滑力。

在監測原理和方法的基礎上，加上何滿潮的指導，團隊繼續大開腦洞，成功研發出新一代滑坡體遠程監測預警系統。該系統不但可自動調節自身功能，實現異常數據的實時捕捉；還增加了監測曲線平鋪顯示功能，可將所有監測曲線直觀地顯示在監測人員眼前，大大降低了監測人員的勞動強度，使其能夠又快又準地對異常監測曲線進行定位。

團隊還為羅山礦區布置了“天羅地網”，在礦區滑坡體上安裝了53套遠程監測系統，建立了羅山礦區滑坡災害遠程監測網。系統得到應用后大大節約了滑坡治理的成本，也在極大程度上保障了羅山礦區的安全開采。

不止是露天煤礦的開采，團隊取得的一系列成果還可應用于因高速公路邊坡、西氣東輸管線等工程因素引發的滑坡地質災害，以及地震引發的滑坡地質災害監測預報，也可用于對其他巖體邊坡深部力學及其加固結構工作狀態的監測上。其在確保人民生命和國家財產安全、延長礦山開采服務年限、促進社會和諧和企業可持續發展等多方面都具有重大意義和廣闊的應用前景。

為地球做心電圖

哪里有山、有礦、有大壩，哪里就有陶志剛的身影。2009年，在離開河南省靈寶羅山礦區后，當時讀博士三年級的陶志剛幾乎無縫對接進入另一個號稱亞洲最大的單體露天礦山——南芬露天鐵礦，而且一待就是3年。他笑稱，自己博士和博士后的時光完全寄托在了礦上，甚至博士時期的畢業論文都是在礦上完成的。

那時，陶志剛常常要在礦山上一直工作到夜幕降臨，還要冒著滾石橫飛的危險在礦山上艱難攀爬。但常年在礦上忍受的風吹日曬也給予了陶志剛最好的回饋。在何滿潮的指導、陶志剛的實地考察下，實驗室成功研發出恒阻大變形纜索研發及滑坡監測預警系統，為滑坡、崩塌等災害的防治提供了重要幫助。用何滿潮教的話來說，他們的研究目的就是為地球做心電圖，而研發的這套系統就充當著做心電圖的儀器，以此來監測地球心跳的平穩度。

本溪鋼鐵（集團）礦業公司南芬露天鐵礦是亞洲最大的單體露天礦山。1999年以來，由于礦區的特殊地形以及長期開采的影響下，采場下幫邊坡處形成了多處較大規模的滑坡體，嚴重的滑坡體一度使礦區十年來都處于不能開采的“空窗期”，給企業造成重大損失。實驗室和南芬露天鐵礦的專家齊心協力，試圖解決邊坡巖體大變形災害監測過程中的一系列難題。

他們先是通過對不同材料、結構進行優化，確定了其中主要的參數。帶著這些參數，團隊來到礦區現場對恒阻大變形纜索進行力學特性試驗，試驗結果令所有人驚喜：當恒阻大變形纜索具有的恒阻力在達到850kN時，保持恒阻的變形量可達2000mm，填補了國內外在該方面的研究空白。此外，團隊還建立了恒阻大變形纜索的能量本構關系，并在此基礎上，成功研發了以北斗衛星為通信平臺的滑動力3S遠程監測預警系統，從根本上實現了對滑坡災害進行遠程實時監測與超前預警預報。將該技術用于礦區下幫邊坡滑動力監測預警工程中時，在場的所有人都屏住呼吸，緊張的氣氛蔓延在每一絲空氣中，當最終發現通過該系統確實能及時掌握滑坡體穩定狀態的那一刻，包括陶志剛在內的所有人都舒了一口氣。

長久的研究壓力終于得到紓解，開采一年后，礦區已安全采出80萬噸礦石，并成功預警了兩次邊坡失穩災害，實現了團隊最初立下的“加固—防治—監測—預警一體化”的終極研究目標。

打造錨索發展“加速器”

近年來，在軟巖大變形和巖體滑坡錨索拉斷等問題的解決中，普通錨索已漸漸變得有些“力不從心”，為此，從礦山回到“平原”不久的陶志剛，又于2016年與實驗室研究團隊在國家自然科學基金青年科學基金項目“恒阻大變形錨索負泊松比結構效應實驗研究”中就這個問題展開研究。

采訪中，陶志剛特別提到，其實在項目研究之前，實驗室就已經在國家原“973”計劃和國家自然基金重大項目的支持下，對負泊松比（NPR）新型錨索復合材料開展研制。其中發明的具有特殊結構的NPR新型錨索復合材料，突破了巖體大變形災害控制受制于傳統PR材料抵抗變形能力不足的技術瓶頸。此外，實驗室還發明了以NPR錨索為主體的綜合技術，解決了礦山巖體大變形災害難以控制的大問題，已在吉林、遼寧、黑龍江、內蒙古、河北等16個省份的露天煤礦、金屬礦開采以及煤礦地下井工開采等工程中得到應用，近3年累計新增銷售額12.5651億元。

盡管如此，針對恒阻大變形錨索負泊松比效應的理論和試驗研究尚屬空白。對此，陶志剛以恒阻大變形錨索為試驗對象，采用室內靜力拉伸試驗、連續紅外熱成像探測、離散激光測溫、環向應變測量與數值模擬計算等理論和方法，研究恒阻大變形錨索的徑向和軸向變形規律、溫度效應、熱紅外成像效應、應力場演變特征及能量吸收特性等，從而揭示了恒阻大變形錨索負泊松比的結構效應和能量吸收機理。

其中，他首先利用HWL-2000恒阻大變形錨索靜力拉伸試驗系統，在處于靜力拉伸的條件下，就恒阻大變形錨索徑向和軸向變形規律這一問題與團隊進行了探討，繼而揭示了幾何尺度上的負泊松比結構特性。接下來，他們利用激光點陣測溫系統、貼式測溫傳感器和熱紅外成像系統，通過紅外圖像及紅外溫度場的分析與反演，獲得了恒阻大變形錨索能量吸收的熱紅外機理和負泊松比熱紅外響應特征，揭示了溫度與恒阻大變形錨索負泊松比結構特性之間的關系。與此同時，團隊通過應變片組群構建了恒阻大變形錨索環向應變場探測網，再通過對測量結果進行插值計算，獲得了恒阻大變形錨索環向應變云圖和應變場演化規律，最終探明了應變與恒阻大變形錨索負泊松比結構特性之間的關系。

目前，項目剛剛結題，從研究開始到結束，這兩年來陶志剛有過苦惱，有過辛酸，但也收獲了快樂與成就。在他看來，有苦有甜，這正是科研最好的意義。

嚴謹治學教育為先

自從加入深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室這個大家庭以來，陶志剛的生活似乎就被各種研究理論、實驗項目所包圍，但在這之外，他也從未忘記自己的另一個重要身份：教師。

在談到對學生的教育上，陶志剛特別強調，首先要讓學生了解什么是科研。“很多學生不懂什么是科研，也不知道科研具體要做什么，甚至連論文也不會寫。”為此，陶志剛感到頗為無奈。他所在的中國礦業大學（北京）力學與建筑工程學院顯然也注意到這種情況，專門實行了“本科生導師制”這一制度。也就是說，在學生入學第一年學校就為其分配導師，手把手指導學生該研究什么，又該怎么去研究。到了第三年，學生就要親自“上戰場”，跟隨導師到各種礦區現場參與實地研究。

能做到這些，對于剛入大學校園的學生來說顯然很難，因此，在招收學生時，陶志剛極為看重學生的責任心與勤奮度。他表示：“既然選擇科研，就不能‘三天打魚兩天曬網’，做就要做到底，決不能當‘半路逃兵’。”在他看來，良好的人品才是人生中最寶貴的財富，是最亮眼的黃金招牌。

與學生合影

這一點在陶志剛身上表現得很鮮明。有一年，陶志剛在連續工作多天后的一日清晨，猛然發現自己的臉有些不聽使喚，到醫院一查才發現一側臉已經面癱，不僅眼睛無法閉緊，連話也說不利索。在這種情況下，進行單獨的實驗研究還好，但該怎么給學生講課？

陶志剛當機立斷絕不能耽誤學生的課程，于是他在每天扎完針灸后又繼續走上講臺。就這樣，整整兩個星期，陶志剛每天貼著膏藥，斜著眼、歪著嘴艱難地完成了教學內容。“從那以后，我也會適當進行自我調節，做到勞逸結合。”陶志剛笑談道。

研究巖土工程以來，礦區、實驗室和教室就好似成了陶志剛的另一個家，他與團隊在這個大家庭里為地質災害監測與預警譜寫了多個傳奇，但對自己的家庭卻充滿了愧疚之情。他提到，妻子同樣是一名科研人員，每日結束了在中國科學院古脊椎動物與古人類研究所繁雜的實驗工作后，常常顧不上腰酸背痛，便又馬不停蹄地趕回家照顧孩子、老人。而陶志剛由于工作原因，經常要到各地出差進行實地調研，因此即便想要幫助妻子分擔家務，也時常感到無能為力。盡管作為科研人員，陶志剛已經盡全力做到最好，但作為丈夫，他表示虧欠妻子太多太多……

未來，陶志剛表示會兼顧科研之家與生活之家，平衡兩個家之間的地位，并繼續用不懈的追求、堅定的信念打造屬于未來的科研之路。