对话杰出科技青年奖获得者|辽宁工程技术大学朱志洁:用“大结构”理论与主动防控技术攻克冲击地压世界难题
人物简介
朱志洁,1986年生,辽宁工程技术大学教授、博士生导师,“兴辽英才计划”领军人才、自然资源部高层次科技创新人才工程青年科技人才、“兴辽英才计划”青年拔尖人才。长期聚焦矿山工程技术领域,深耕冲击地压等矿井动力灾害防治与围岩控制研究,在保障深地煤炭资源安全高效开采方面成果卓著。
科研项目
主持深地国家科技重大专项子课题等57项国家级、省部级项目;建立坚硬顶板失稳理论,研发水力压裂、吸能支护等核心技术,破解多项行业“卡脖子”难题。
学术成就
发表论文80余篇(SCI/EI收录42篇),授权发明专利27项;获辽宁省科技进步二等奖、中国煤炭工业科技二等奖等10项省部级科技奖励,斩获辽宁杰出科技青年奖、孙越崎青年科技奖等重要荣誉。
推广实效
技术成果已广泛应用于多家煤矿企业(70余个灾害矿井),显著提升开采安全性与生产效率,为国家能源资源安全与矿山安全生产提供了关键技术支撑。

1.家乡与导师的科研启蒙
提问:您本科、硕士、博士阶段均围绕采矿工程领域深耕,能否分享您选择矿山灾害防治这一研究方向的初衷?在求学与科研起步阶段,哪些经历或前辈的指引对您的研究思路产生了深远影响?
朱志洁:我的家乡在辽宁调兵山,那是一座因煤而兴的小城。小时候,常听长辈们说起煤矿事故,在那时,煤矿工作对大多数人来说意味着高风险。2006年我考入辽宁工程技术大学采矿工程专业,随着学习的深入,我逐渐认识到,随着煤矿开采深度和强度的增加,冲击地压已成为威胁矿工生命和矿井安全的“隐形杀手”。作为一名从矿区走出来的青年科技工作者,我深感有责任去攻克这一难题。这份初心,既是乡情所系,更是时代赋予的使命。
在我的科研起步阶段,我的导师张宏伟教授对我影响至深。他教导我,采矿工程研究不能“纸上谈兵”,必须深入一线,从现场发现问题,从理论层面剖析问题。可以说,是家乡的呼唤和导师的指引,让我坚定了扎根矿山安全领域的决心。

2.国自然青年基金、兴辽英才与澳洲访学三大节点
提问:从青年学者成长为教授、博导、省级人才计划入选者,您在职业发展过程中遇到过哪些关键节点与挑战?您是如何在科研攻关、教学育人、团队管理之间实现平衡与突破的?
朱志洁:回顾我的成长历程,有几个关键节点。第一个是2017年成功获批国家自然科学基金青年项目,这标志着我独立科研能力的初步确立。第二个是2019年入选辽宁省首批“兴辽英才计划”青年拔尖人才,这是对研究方向和应用价值的重要肯定。第三个是获得国家公派访问学者资格赴澳大利亚伍伦贡大学交流,这极大地开阔了我的国际视野。
挑战无处不在,最大的挑战在于时间与精力的分配。科研需要坐“冷板凳”,教学需要倾注热情,团队管理需要投入心血。我的体会是,这三者并非对立,而是相辅相成。科研是源头活水,将最新研究成果融入课堂,能让学生接触前沿;教学是薪火相传,在与学生的讨论中,往往能激发新的科研灵感;团队是力量基石,我注重培养团队成员的独立性和协作精神,建立合理的分工与激励机制。当团队成员都能独当一面时,管理者就能从琐事中抽身,聚焦于战略方向的思考。简而言之,我信奉“态度决定一切”,以务实、高效的态度去规划和执行每一天的工作。
3.国际经验本土化与大结构失稳理论创立
提问:您的研究始终立足我国矿山开采实际需求,这种“问题导向”的科研路径与国际矿山安全研究理念形成了怎样的互补?这些视野对您推动国内冲击地压防治技术创新有哪些具体帮助?
朱志洁:国内外的研究范式确实存在差异。国外研究更侧重于基础机理、精细化和定量化描述,而我国煤矿地质条件极为复杂,工程问题突出,要求我们必须以解决现场实际问题为最终导向。二者是完美的互补关系。
国际视野让我学会了更先进的实验手段、数值模拟方法和理论分析框架。例如,在伍伦贡大学与Jan Nemcik教授的合作,启发了我对数值模拟软件开发和应用的新思路。我将这些方法“本土化”,应用于我国典型的坚硬顶板、煤层群开采等复杂条件,不仅回答了“怎么办”,更深入地解释了“为什么”。比如,我们提出的“大结构失稳”理论,就是在吸收国际岩层控制经典理论基础上,结合我国特厚煤层、坚硬顶板的独特条件进行的再创新。这种结合,让我们的防治技术既有理论深度,又具备极强的现场可操作性。

4.太阳石精神与辽宁工大平台团队支撑
提问:辽宁工程技术大学为您的科研创新与学科建设提供了哪些支撑?您认为矿业类高校在推动矿山工程技术与现代科技交叉创新方面应如何构建更具活力的科研生态?
朱志洁:辽宁工程是我的母校,也是我成长的沃土。学校提供的支撑是全方位、立体化的。首先,是精神支撑,“朴实无华、坚韧顽强、无私奉献”的太阳石精神是融入每一位辽工大人血脉的基因,支撑我克服井下艰苦环境。其次,是平台支撑,学校拥有的“矿业工程”辽宁省双一流建设学科、教育部重点实验室等平台,为我的研究提供了基本条件。再次,是团队支撑,我所在的地质动力区划团队和张宏伟教授、潘一山院士等前辈营造了团结协作、勇于攀登的学术氛围。
对于构建更具活力的科研生态,我认为矿业类高校应做好三点:一是打破学科壁垒,主动拥抱大数据、人工智能、数字孪生等新技术,设立交叉学科基金和开放课题,鼓励跨学院、跨学科组建攻关团队。二是强化“真题真做”,引导学生和青年教师的科研课题直接来源于企业的“卡脖子”难题,让论文写在祖国大地上,成果用在地下矿井里。三是优化评价体系,对于工程技术领域,应适当降低对纯论文数量的考核权重,加大对解决实际工程问题、技术成果转化、行业标准制定等方面的激励,形成“理论-技术-应用-反馈”的闭环创新生态。二、 科研攻坚与技术突破
5.坚硬顶板覆岩大结构失稳理论与主动预判
提问:您建立了坚硬顶板失稳理论,这一理论的提出源于怎样的行业痛点与科学问题?它在冲击地压灾害预判与防治中具有哪些独特价值?
朱志洁:行业痛点非常明确:我国很多煤矿,特别是晋、陕、蒙、新等主产区,普遍赋存多层厚硬顶板。传统理论认为顶板断裂是矿压显现的主因,但在特厚煤层、大采高条件下,覆岩破断的空间尺度更大,形成的“大结构”失稳释放的能量更惊人,直接诱发冲击地压。科学问题就是:如何描述和量化这个大空间的覆岩结构?它如何演化?失稳的判据和能量释放规律是什么?
我们提出的“坚硬顶板覆岩大结构失稳理论”的独特价值在于:它把以往对单一关键层的认识,提升到了对“低位悬臂-中位砌体-高位压力拱”多层位、复合结构的整体性认识。我们建立了“三位一体”(结构特征、运动特征、动力特征)的理论分析方法,能够更精准地识别出哪个层位的坚硬岩层是“罪魁祸首”,并计算出其失稳释放的能量与冲击地压等级的对应关系。这为从“被动应对”转向“主动预判、靶向治理”提供了科学依据。
6.水力压裂与吸能支护的远近场协同控制迭代
提问:您研发的水力压裂、吸能支护等核心技术,是如何针对性解决复杂地质条件下矿山开采安全难题的?从理论构想、实验室研发到井下实地验证,经历了怎样的迭代优化过程?
朱志洁:我们的核心思路是“主动干预、分级防控”。“大结构失稳”理论告诉我们,高位坚硬顶板是能量源头,中低位是直接致灾体。因此,我们研发了远近场协同控制水力压裂技术:采用地面压裂(远场)弱化高位坚硬岩层,从源头上削减能量;采用井下超长定向钻孔压裂(近场)切断中低位顶板的应力传递路径。这一技术体系实现了“先压后掘、先压后采”的主动防控模式。
技术的迭代是一个漫长而艰辛的过程。最初,我们只是借鉴油气行业的水力压裂概念。在实验室,我们通过大型真三轴物理模拟,反复试验不同压力、流量、压裂液参数下岩体的破裂规律。之后,在井下选定试验面,从浅孔压裂开始,配合微震监测,观察压裂效果。早期也遇到过压裂半径不足、方向不可控等问题。我们通过研发特高水压致裂成套装备、优化封孔工艺、结合地质资料预测裂隙扩展方向,一步步解决了这些难题。吸能支护体系的研发也是类似,从发现普通锚杆在动载下易脆断,到实验室反复测试不同螺纹参数、不同锚固剂的吸能特性,再到井下“吸能螺纹钢锚杆+钢砂药卷锚固剂+全长锚固工艺”的组合应用,每一步都是理论和实践的碰撞结果。
7.高质量科研成果的原创性、先进性与有效性
提问:您在冲击地压防治领域发表了42篇SCI/EI高水平论文,斩获多项科技奖励,您认为高质量科研成果的产出需要具备哪些关键要素?在选题、实验设计、现场验证等方面有哪些经验可以分享?
朱志洁:我认为高质量成果需要具备三个要素:科学问题的原创性、技术方法的先进性、工程应用的有效性。
经验分享:
选题:顶天立地。“立地”就是要从一线来,到一线去,解决真问题,比如我们选择坚硬顶板、煤层群、裂隙煤体这些普遍且棘手的难题;“顶天”就是要把工程问题提炼成科学问题,上升到理论高度,寻找普适性规律。
实验设计:穷尽思虑,多尺度和合。针对同一个科学问题,要设计从宏观到微观、从物理模拟到数值仿真的多尺度实验,让不同手段的结果能够相互印证。例如研究裂隙煤体,我们既做了实验室尺度的单轴压缩+声发射+散斑监测,又做了PFC2D的细观数值模拟,还选取了两个典型矿井进行现场对比验证。
现场验证:数据为王,长期坚守。井下环境恶劣,但数据不能含糊。我们经常在井下连续监测数月,获取第一手、长周期的海量数据。成果的可靠性,就藏在这些看似枯燥的数据里。

8.以现场需求为锚、基础理论为帆的平衡原则
提问:您主持深地国家科技重大专项子课题等57项项目,在科研选题与项目申报过程中,您如何把握基础理论研究的科学价值与现场应用的现实意义之间的平衡?
朱志洁:我的核心原则是:以现场需求为“锚”,以基础理论为“帆”。现场需求是航行的方向和目的地,基础理论是驱动航行的动力。
在选题时,我会问自己两个问题:第一,这个现场问题背后,卡脖子的是哪个基础科学问题?比如,冲击地压预测不准,背后是对“大结构”失稳的能量释放规律认识不清。第二,解决了这个基础问题,能多大范围、多深程度地指导现场应用?如果理论只能自洽,无法落地,那它的价值就大打折扣。
在项目申报时,我会将二者有机融合。研究内容既包含“覆岩大结构力学的数学表征与能量演化机理”这类基础问题,也包含“水力压裂参数优化与‘先压后采’工艺标准”这类应用问题。在预期成果中,既承诺发表高水平论文、培养人才,也承诺形成新技术、新装备、新标准,甚至明确的经济社会效益指标。评审专家看重的,正是这种从理论源头到工程出口的完整逻辑链条。
9.透明地质与动态预警融合实现趋势预警
提问:您的研究聚焦矿山灾害防治,在推动传统采矿工程向智能化、安全化转型方面,您认为当前最需要突破的核心技术与科学问题是什么?
朱志洁:我认为最需要突破的核心技术是透明地质与动态灾害预警的融合技术。科学问题是:如何实现采动应力场、能量场的实时精准感知与灾变临界状态的智能识别。
目前,我们有很多监测手段,如微震、应力、地音等,但数据是孤岛、预警是事后。我们需要发展新一代的智能传感网络和工业互联网平台,实现多物理场数据的实时、同步、高精度采集。更重要的是,要基于我们建立的“大结构失稳”等机理模型,结合大数据和人工智能算法,构建“机理-数据”混合驱动的动态预警模型。这个模型能不断学习、进化,从海量数据中自动提取灾变前兆特征,实现从“根据阈值报警”到“根据趋势和模式预警”的跨越,真正做到“预知未来”,为智能决策和自动控制留出时间窗口。
10.问题驱动、内核外协的跨学科融合模式
提问:您在研究中如何融合岩体力学、智能监测、大数据等多学科方法?这种跨学科研究模式在矿山工程技术领域面临哪些挑战,您是如何应对的?
朱志洁:我们团队的融合模式是“问题驱动,内核外协”。内核是我们采矿和岩体力学的专业团队,负责提出科学问题、设计工程方案、解读工程现象。外协是我们积极与数学、计算机、自动化等学科的专家合作,引入他们的方法。
例如,在基于PCA-BP神经网络的煤与瓦斯突出预测研究中,我们采矿专业人员负责筛选影响突出的关键地质和开采因素(PCA部分),而计算机专家协助构建和训练神经网络模型(BP部分)。在挑战方面,最大的困难是语言不通。采矿人说的“来压步距”、“支承压力峰值”,计算机专家很难理解。我的应对方法是,团队内部定期举行跨学科研讨会,彼此“科普”核心概念和逻辑。同时,鼓励团队成员(特别是研究生)主动学习Python、机器学习等工具,培养既懂采矿又懂数据的复合型人才。
11.与企业技术团队联合调研的伙伴关系
提问:您的技术成果已在多家煤矿成功应用,您如何看待实验室技术向井下实际应用转化的关键环节?在推动转化过程中,您与煤矿企业技术团队如何协作?
朱志洁:转化的关键环节是中试和适应性调整。实验室的完美条件井下不存在。因此,技术走出实验室后,必须选择一个条件中等偏下、配合度高的矿井作为“试验田”,进行小范围、长时间的工业性试验。
在这个过程中,与煤矿企业技术团队的协作是“伙伴关系”。我们不是“给药方”的医生,而是联合“会诊”的专家团。第一步,我会带着我的研究生下井,和企业技术员一起调研,摸清问题症结。第二步,共同制定技术方案,充分听取他们基于现场经验的意见。第三步,在现场实施时,我们的团队全程跟班,手把手教学,确保技术不走样。第四步,应用效果出来后,共同分析数据,总结经验,形成适合该矿的“操作手册”。我们之间建立了深厚的互信,这种互信是技术成功落地的最宝贵资产。
12.井下严苛环境、长周期验证与安全审批难点
提问:您拥有27项授权发明专利,并实现规模化技术应用,您认为矿山工程领域的科研成果在专利布局与技术转化中有哪些特殊性与难点?
朱志洁:特殊性和难点在于:一是井下环境极端复杂,对装备的可靠性、防爆性、适应性要求极高,很多实验室样机无法直接转化为产品。二是验证周期长、成本高,一项新技术需要在井下经过长时间、多轮次的验证才能让企业敢于采用,这个过程的资金和时间投入巨大。三是涉及安全,责任重大,任何新技术在推广应用前,都必须经过严格的安全评估和审批流程,这既是难点,也是必须坚守的底线。
13.水力压裂先压后采模式的动态三角关系
提问:在科研推进与技术转化的过程中,您如何处理基础研究深度、应用前景、现场需求之间的关系?有哪些代表性案例可以分享?
朱志洁:这三者是一个动态的三角关系。我的处理方式是:以现场需求为起点,以基础研究为路径,以应用前景为终点。典型案例是我们的水力压裂“先压后掘、先压后采”模式。现场需求:许多冲击地压矿井“掘不进、采不出”。基础研究:我们花费数年时间,搞清了坚硬顶板“大结构”的失稳机理和能量释放规律,回答了“压哪里、压多深、何时压”的科学问题。应用前景:一旦模式成熟,可以从根本上改变冲击地压矿井的采掘部署和防治策略,具有巨大的推广价值。正是沿着这个逻辑,我们的技术才从理论走向了70多个矿井,创造了显著的经济社会效益。
14.基础研究是矿山安全的最坚固防线
提问:您的研究直接关系矿山安全生产,您如何看待基础研究在提升矿山开采安全水平、保障矿工生命安全中的支撑作用?
朱志洁:基础研究是矿山安全的“根技术”和“最坚固的防线”。没有对冲击地压发生机理的深刻认识,我们的预测就是“猜”,防治就是“蒙”,矿工的生命安全就始终悬在“概率”之上。
正是因为我们通过基础研究,揭示了“大结构失稳”、“地质动力环境”、“裂隙煤体能量演化”等规律,我们才能开发出针对性的分级预测方法和精准防治技术。从“被动抗压”到“主动卸压”,从“经验治理”到“科学治理”,每一次安全水平的提升,背后都是基础理论的突破。可以说,基础研究每前进一步,矿工的生命安全保障就加固一分。这也是我始终坚持理论联系实际,深耕基础研究的动力源泉。
15.智能监测课程、协同平台与交叉师资三位一体
提问:作为博士生导师与学科骨干,您在推动采矿工程学科与智能化、数字化技术融合发展方面有哪些重点举措?在课程体系优化、科研平台建设、师资队伍培养等方面做了哪些探索?
朱志洁:我的重点举措围绕“课程、平台、师资”三个维度:
课程体系优化:在研究生培养方案中,增设《矿山智能监测与大数据分析》、《岩石力学数值模拟与机器学习》等交叉课程。在本科生课程中,引入虚拟仿真实验项目,让学生身临其境地感受智能采掘、灾害模拟场景。
科研平台建设:依托辽宁省重大科技平台,组建了煤炭资源安全开采与洁净利用协同创新中心,配置高性能计算服务器、多通道微震监测系统等软硬件,为开展智能矿山相关研究提供支撑。
师资队伍培养:通过引进具有计算机、自动化背景的青年博士,并鼓励现有教师到国内外顶尖高校访学进修,提升团队的数字化素养。我们团队已经形成了老中青结合、采矿与信息学科交叉的良好结构。

16.数字孪生、AI孕灾识别与智能吸能材料前沿
提问:您如何看待当前矿山工程学科在交叉融合、智能化发展方面的趋势?冲击地压防治与岩层控制研究在未来3-5年有哪些值得关注的前沿方向?
朱志洁:矿山工程学科正在从“经验+理论”驱动,转向“数据+机理”双驱动。未来3-5年,我认为冲击地压与岩层控制领域有几个方向值得高度关注:
(1)基于数字孪生的灾害场景动态重构:构建与物理矿井实时联动的“数字孪生体”,模拟和推演采动应力场、能量场的演化过程,实现灾害的超前预演和防控方案优化。。
(2)人工智能赋能的孕灾模式识别:利用深度学习等算法,从海量监测数据中自动、实时地学习并识别不同类型冲击地压的时空演化前兆模式,大幅提升预警的准确性和时效性。
(3)智能吸能-让压一体化支护材料与结构:研发具有智能响应特性的新材料,使其在小变形时提供高刚度,在冲击来临时能通过特定机制大量耗能,实现“自适应”抗冲击。
(4)地质-开采-灾害全要素耦合机制:将地质动力环境、覆岩结构、开采工艺、灾害显现作为一个有机整体,通过大数据分析,揭示多因素非线性耦合致灾的完整链条。
17.压担子、指路子、搭台子的团队培养理念
提问:您团队在青年人才培养方面有哪些机制与理念?对于有志于从事矿山安全与灾害防治研究的青年学者,您有哪些科研起步与职业发展的建议?
朱志洁:我的团队培养理念是“压担子、指路子、搭台子”。
压担子:鼓励青年人才和研究生独立承担部分课题,甚至是现场技术服务,在实践中快速成长。
指路子:根据每个人的特点和兴趣,帮助规划研究方向,确保团队内形成差异化、互补性的研究布局。
搭台子:提供参与国家级、省部级项目的机会,支持参加国内外学术会议,推荐到优秀企业锻炼,帮助他们建立自己的学术网络。
对于青年学者,我的建议是:
坐得住冷板凳,下得了矿井:不要急于求成,打好理论基础和现场经验是根本。井下虽然艰苦,但那里有最真实的问题和最宝贵的灵感。
学会“翻译”:既能把工程问题“翻译”成科学问题,也能把深奥的理论“翻译”给现场工程师听。
坚持“写作”:无论多忙,都要坚持撰写论文和项目申请书。写作是梳理思路、提升逻辑的最佳途径。
寻找“灯塔”:找到你领域内的标杆人物和团队,学习他们的治学方法和工作态度。我的“灯塔”就是潘一山院士、张宏伟教授等前辈。

18.跨学科平台、校企联合实验室与大数据共享
提问:您认为高校与科研机构应如何构建更具创新活力的科研平台,推动矿山工程技术与大数据、人工智能、数字孪生等领域的深度融合?
朱志洁:我认为应该从以下几个方面着力:一是搭建跨学科交叉平台,打破院系壁垒,建立采矿、力学、计算机、自动化等多学科协同的研究机制;二是强化校企联合实验室建设,让科研平台直接对接现场需求;三是重视数据资源的积累与共享,建立矿山安全大数据平台;四是优化评价机制,鼓励长周期、高风险、颠覆性的原始创新研究,而非单纯追求论文数量。
19.差异化压裂参数与便携化检测设备拓展
提问:您研发的冲击地压分级预测与防治技术,在不同地质条件、不同规模煤矿的适配性方面还有哪些拓展空间?
朱志洁:目前我们的技术已在70余个灾害矿井成功应用,但不同矿区的地质条件差异较大,技术方案的参数需要针对性优化。未来拓展空间包括:针对不同顶板岩性开发差异化的压裂工艺参数体系;针对不同开采条件建立分级预测模型的标准化流程;开发便携化、智能化的现场检测与效果评价设备,降低技术应用门槛。
20.断层滑移机理与铁法微震联合评价
提问:东北地区煤炭资源丰富,您的研究如何结合区域地质特色,服务地方煤矿产业安全升级与能源保障战略?
朱志洁:以抚顺老虎台矿为例,我们针对特厚煤层重复采动条件下断层滑移特征及其与冲击地压的关系进行了深入研究,采用数值计算、现场监测和理论分析方法,揭示了复杂地质条件下的冲击机理。东北地区深埋矿井普遍面临类似问题,我们的研究成果可以为区域煤矿安全升级提供技术支撑,服务东北能源安全保障战略。
东北地区,比如抚顺、阜新、铁法矿区,有其独特的地质特色:地质构造复杂,冲积层厚,而且存在大量近距离煤层群。我的研究正是紧密结合了这些特色。例如,针对老虎台煤矿等深部矿井的冲击地压机理,我们开展了地质动力环境与采动应力叠加效应的专项研究。针对铁法矿区煤层群开采,我们创立了“EH4大地电磁法+微震监测”相结合的相互影响评价方法,优化了下部煤层巷道布置。未来,我将继续聚焦东北老矿区深部开采面临的岩层控制难题,研发更多适用技术,为东北能源基地的安全、稳定、高效生产和转型升级贡献“辽工程力量”。
21.彬长矿区三月监测验证高位顶板致灾突破
提问:在科研、教学、现场技术服务多重角色中,您印象最深的一次技术突破或现场救援支持经历是什么?背后有哪些经验与思考可以分享?
朱志洁:印象最深的是在陕西彬长矿区某矿的一次经历。该矿冲击地压频发,巷道屡遭破坏。我们应用“大结构失稳”理论分析后,判断问题根源在于高位厚硬顶板。当时,企业对此判断有所疑虑,因为传统观点认为是中低位顶板问题。我们坚持在现场连续监测了三个月,用海量的微震事件空间分布数据,清晰地勾画出了高位岩层破断与每一次大能量冲击事件的一一对应关系。
最终,企业采纳了我们的方案,实施了地面水力压裂。效果立竿见影,大能量事件显著减少,巷道变形量降低了70%以上。那一刻,看着监测屏幕上趋于平缓的曲线,和井下恢复了稳定的巷道,我内心充满了作为科研人员的成就感和自豪感。
这次经历给我的经验是:一是在关键科学问题上要有理论自信,敢于挑战传统认知;二是要用无可辩驳的数据说话,事实胜于雄辩;三是要有耐心和韧劲,深入一线长期坚守,最终会赢得企业的信任和尊重。这也再次印证了“态度决定一切”——对待科学问题一丝不苟的态度,最终会转化为保障矿工安全的技术力量。
图片来源:受访者供图
文|季绍华、孟庆杨





