研究新范式！王运敏院士论岩石破裂时空观(一)：科学定义及应用前景

随着现代高新科技的迅猛发展,大数据、大模型、深度学习等人工智能技术的先进性已日益凸显,现代高新科技的引入将推动岩石破裂问题研究的大进步。然而,现阶段岩石破裂的相关研究往往从岩石力学与岩石工程角度出发,过度依靠岩石破裂中耗散能变化的诸多形式,将岩石破裂时序、空间特征割裂研究,忽视了物质运动时空一致性的哲学属性。

在此背景下,王运敏院士分别从唯物主义哲学和物理学发展的视角总结了事物的时空变化性和物质运动的时空延展性规律,以能量时空性为主线,提出了岩石破裂时空观学术思想,从“岩石→能量→破裂”完全统一角度定义了岩石破裂时空观。结合新时代学科发展前沿问题,岩石破裂时空观理论体系的提出将为岩石力学与岩石工程领域的研究提供全新的第四研究范式

亮点

（1）梳理唯物主义哲学和物理学中“物质运动时空一致性”观点发展脉络,以大数据、大模型、深度学习等人工智能新兴技术在岩石破裂研究中所面临的理论和技术瓶颈为突破口,通过全变量感知、全方位认知岩石在“原始状态—破裂状态—失稳状态—稳定状态”全生命周期中的状态信息,提出了矿业、岩土、信息、安全等多学科交叉融合背景下的岩石破裂时空观

（2）以岩石破裂时空观的提出为契机,第四研究范式将全面重塑岩石力学与岩石工程领域的理论体系,从全变量感知、全方位认知角度展现出理解、分析和决策的领域新面貌,考虑岩石破裂问题的复杂性、跨尺度性、系统性、不确定性和非线性等本质特性,形成以信息采集、传输、处理、表达、分析和服务为核心的岩石力学与岩石工程领域全新理论体系

论岩石破裂时空观(一):科学定义及应用前景

作者：王运敏^1,2， 刘祥鑫^1,2,3， 游勋^1,2,4

单位：1.金属矿山开采安全与灾害防治全国重点实验室;2.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司;3.江西理工大学土木与测绘工程学院;4.江西理工大学资源与环境工程学院

01

岩石破裂时空观

应力、温度、水、化学场等物理场变化是能量的具象化表现,能量是岩石状态改变、发生破裂的根源。能量输入超过岩石所能承受的极限,岩石破裂区域分子官能团变异,导致岩石发生破裂。能量与岩石状态变化为不可分割的统一体,能量变化下的破裂是岩石状态变化的归宿,这就需要把岩石、能量、破裂完全统一起来进行研究。应力、温度、水、化学场等变化的时空性对应能量变化的时空性,也是岩石破裂的时空性。以能量时空性为主线,从“岩石—能量—破裂”角度完全统一了岩石破裂的时空性。

以“岩石—能量—破裂”关系中的时空统一性、能量增量下岩石破裂中的时空发展性为主线,以物质运动在时空上的绝对性和相对性为基调,以岩外能量交换为破裂的驱动力,从时空统一性角度重新认识岩石破裂时空发展规律十分关键。

岩石破裂时空统一性示意

能量增量状态下岩石破裂发展示意

近年来,随着众多先进手段的应用,业内学者从岩石破裂的声(声波/声发射/微震/微地震)、光(可见光/IR/MR/X射线)、电(电压/电流/电阻)及其裂隙扩展等物理量的变化出发,对岩石破裂问题开展研究,捕捉岩石破裂规律。该类研究的实质是捕捉破裂区域分子团电子跃迁所致能量耗散的诸多表征参量,进而分析岩石破裂规律,显然难以有效兼顾岩石破裂的时空统一性。

岩石破裂过程监测信息示意

岩石破裂时空观,以“物质运动时空一致性”为指导思想,从“岩石—能量—破裂”时空统一性出发,是利用大数据、大模型、深度学习等人工智能方法从时空一致性角度对岩石在“原始状态→破裂状态→失稳状态→稳定状态”全生命周期进行全变量感知、全方位认知。通过充分挖掘岩石在“原始状态—破裂状态—失稳状态—稳定状态”全生命周期中的各类信息,围绕岩石破裂的时空一致性,聚焦提升岩石破裂时空探测精度、增强岩石破裂时空预测准确性、确保岩体工程的安全性与稳定性,从而推动多学科交叉融合在岩石力学与岩石工程领域研究的全面升级。

02

应用前景

不同尺度岩石破裂所聚焦的科学问题不尽相同,甚至存在不同尺度破裂观点相左的现象,这不仅极大增加了岩石破裂研究的复杂性,也提升了岩石破裂致灾的监测预警及防控难度。

岩石破裂时空观的提出,为岩石力学与岩石工程领域引入大数据、大模型、深度学习等人工智能新兴技术提供了理论体系保障。针对岩石力学与岩石工程领域存在的诸多待解决的科学问题以及工程应用难题,以岩石破裂时空观为顶层设计,建立“顶层—基础层—科学问题—工程应用”的思维体系,实现现有科学问题以及工程应用难点的研究突破。

岩石破裂时空尺度的发展趋势示意

第四研究范式以岩石破裂时空观为顶层设计,通过规范化数据科学的交叉融合,以全数字化建模、全变量感知、全要素认知、全方位分享等方式进行科学化决策,变革传统岩石力学与岩石工程研究所涉及的工程设计、安全生产、降本增效、灾害防治等方面的研究范式。岩石力学与岩石工程领域应以岩石破裂时空一致性为新核心推动力,推动跨学科体系、跨产业结构、跨知识密集等的集成发展,加快实现前瞻规划和动态推演、以人为本的绿色低碳设计、少人或无人自主施工建设、岩体破裂预知性和岩体安全性维护管理。

岩石力学与岩石工程的研究范式

作者简介

王运敏

中国工程院院士,正高级工程师,博士研究生导师,国务院特贴专家,现任中国中钢集团科技创新委员会主任、首席专家,金属矿山开采安全与灾害防治全国重点实验室主任,《金属矿山》杂志主编。王院士是我国金属矿开采领域著名专家,长期致力于金属矿山开采关键技术研究工作,主持开发了陡坡铁路运输系统,构建了陡帮开采设计方法,提出了露天地下三阶段开采设计原理,创建了深凹露天矿生态绿色开发新模式,成功解决了陡坡铁路、陡帮开采和露天转地下开采等重大工程技术难题。主持并承担了30余项国家与省部级重点课题的研究与应用工作,凭借多项创新技术与成果,在矿山高效开采、绿色开采、高效运输、灾害控制等方面作出了突出成绩,取得了显著的经济效益和社会效益。王运敏院士先后获得国家科技进步二等奖3项,省部级/行业特等奖2项、一等奖7项。获授权发明专利33项,出版专著5部,主编专业手册2部、国家行业标准4部。荣获1987年“七五”建功一级奖章,1992年首届青年科技奖,1993年国务院特殊津贴,2007年“安徽省劳动模范”荣誉称号,2010年全国优秀科技工作者,2011年安徽省学术技术带头人,2012年中国工程院光华工程科技奖,2012年国家工程研究中心“先进工作者”,2014年全国创新标兵,2020年第三届“安徽省突出贡献人才奖”,2020年中国钢铁工业协会终身成就奖。

文献来源

王运敏,刘祥鑫,游勋.论岩石破裂时空观(一):科学定义及应用前景[J].金属矿山,2025(1):1-8.

《金属矿山》简介

《金属矿山》由中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司和中国金属学会主办，主编为中国工程院王运敏院士，现为北大中文核心期刊、中国科技论文统计源期刊（中国科技核心期刊）、中国精品科技期刊（F5000顶尖学术论文来源期刊）、中国百强报刊、RCCSE中国核心学术期刊（A）、中国期刊方阵双百期刊、国家百种重点期刊、华东地区优秀期刊，被美国化学文摘（CA）、美国剑桥科学文摘（CSA）、波兰哥白尼索引（IC）、日本科学技术振兴机构数据库（JST）等世界著名数据库收录。主要刊登金属矿山采矿、矿物加工、机电与自动化、安全环保、矿山测量、地质勘探等领域具有重大学术价值或工程推广价值的研究成果，优先报道受到国家重大科研项目资助的高水平研究成果。根据科技部中国科技信息研究所发布的《2024中国科技期刊引证报告（核心版）》，《金属矿山》核心总被引频次位列26种矿业工程技术学科核心期刊第1位；根据中国知网发布的《中国学术期刊影响因子年报》（2024版），《金属矿山》学科影响力位居73种矿业期刊第9位。

供稿：曾文旭

编排：戴颖熠

审核：王小兵

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