第1章 学科发展战略
1.1 矿业工程学科
1.1.1 学科的战略地位
1.学科定义及特点
矿业工程学科是关于矿物资源安全、高效、环境友好地开采以及矿物资源有效加工和利用的工程技术科学，其研究分支包括矿山压力与岩体力学、采矿工程、矿井建设、矿山安全、新能源开发。伴随新时期我国能源政策的调整，关停矿井的特殊地下空间利用形成了新的研究分支，拓展了矿业工程学科的外延。由于大自然矿藏及矿业生产地质条件的多样性、复杂性，矿业工程学科的发展经历了漫长艰难的道路，至今已是学科综合度和交叉关联度很高的一门工程技术科学。矿业工程学科涵盖了煤炭资源、金属与非金属矿产资源、地热资源、海洋矿产资源以及人类尝试涉足的其他星球资源的开采，包含了煤炭资源、金属与非金属矿产资源的采掘、洗选、加工，涉及了资源开采的环境、安全和矿产资源的储存、运输等众多科学与工程领域。矿业工程学科下设的采矿工程、矿物加工工程、安全技术及工程三个二级学科之间存在相互依赖、共同发展的内在联系。随着国民经济的发展，安全的重要性越来越强，安全科学与工程已经升级为独立的一级学科。
矿业工程学科的研究对象是以地质体为主的自然物质系统，与人工设计的工业系统不同，对于地学系统的复杂性，人类目前尚不能完全认知，使本学科的基础理论比其他工程学科更为复杂和困难。它具有以下特点。
（1）它的对象是天然赋存的地质矿体，矿体的上覆地层多变，开采加工对象不能自由选择。
（2）开采对象、开采工具及生产人员随开采而不断转移，没有固定场所，工作条件随时变化，与一般加工工业截然不同。
（3）以人类社会、经济发展需求为驱动，研究和解决生产中的实际问题，实践性和应用性较强。
（4）研究对象具有多尺度性与耦合性，既包括诸如煤岩介质中微观尺度的瓦斯吸附/解吸问题，又包括细观尺度的流体运移、裂纹扩展及岩石损伤问题，还包括宏观尺度的岩体变形、破坏与流体运动问题等。特别是在深部工程中，流体的运移、岩体的变形、由温度场产生的物理化学反应过程是高度耦合的。
（5）学科的交叉性是矿业工程学科的突出特点。矿业工程学科重要的基础理论之一是开采岩体力学，与土木工程一级学科下的二级学科岩土工程、结构工程下的三级学科地下工程交叉，与地质资源与地质工程一级学科下的二级学科地球探测与信息技术、地质工程交叉，并逐渐与智能化、信息化领域的相关学科交叉、融合、渗透。
2.学科的战略地位及需求
矿产资源是人类社会生存、发展和国民经济建设中不可替代、不可缺少的物质基础，矿业是工业的命脉并被誉为“工业之母”，是国民经济的基础产业。当前，人类所耗费的自然资源中，矿产资源占80%以上，地球上每人每年要耗费3t矿产资源。其中，能源占矿产资源生产、消费的绝大多数。当前，全球矿产资源总产量为227亿t，能源、金属和非金属产量分别占68%、7%和25%，体现出人类对于能源的高度依赖。
目前，我国90%?以上的能源、80%以上的工业原料、60%以上的农业生产资料来源于矿产资源。我国已发现矿产170余种，已探明资源储量的有159种，已查明的矿产资源总量和20多种矿产的查明储量居世界前列，其中煤炭查明资源储量居世界第3位，铁矿储量居第4位，铜矿储量居第3位，铝土矿储量居第5位，铅锌、钨、锡、锑、稀土、菱镁矿、石膏、石墨、重晶石等储量居第1位。我国矿业工程的规模在国际上具有举足轻重的地位，是一个典型的矿业大国，原煤、铁矿石、钨、锡、锑、稀土、菱镁矿、石膏、石墨、重晶石、滑石、萤石开采量连续多年居世界第一。
约占地球表面积71%的海洋蕴藏着极其丰富的矿产资源。国际海底区域赋存着多金属结核、富钴结壳、多金属硫化物等金属矿产资源，其中镍、钴、铜、锰等重要金属的资源储量分别高出陆上相应储量的几十到几千倍；分布在深海大陆坡的天然气水合物所含有的有机碳是地球上所有煤、天然气及石油储量所含有机碳总数的两倍。海洋矿产资源是人类21世纪的重要接替资源，海洋矿产资源的开发是21世纪乃至今后若干世纪国际竞争*激烈的领域。其中，对国际海底区域资源的开发和占有，不仅是增加我国资源储备的重要途径，也是维护我国海洋权益的重要内容。海洋矿产资源开采科学为未来海洋矿产资源的商业开采提供技术储备，对增进人类对深海大洋的认识和了解、推动深海战略高技术发展有着重要和现实意义。
我国矿产资源的赋存条件、资源质量等与国外矿产开采大国有很大区别，主要是赋存条件复杂、资源质量差，迫使矿业工程学科的基础理论研究要有针对性、特殊性，同时研究成果要有实用性，以保障我国赋存条件复杂、受各种灾害威胁的矿产资源大量安全开采。改革开放以来，我国矿产资源的大规模开发、利用对矿业工程学科的基础理论和技术研究起到了非常大的带动作用，经过全国矿业工程领域科技工作者的共同努力，我国矿业工程学科整体水平进入了世界先进行列。在我国经济发展新常态阶段下，对矿产资源的需求仍将维持在相当大的规模，矿产资源开采、加工带来的生态环境问题，以及延伸至深部开采以后的工程地质灾害等问题，都对矿业工程学科提出了新的需求，同时也彰显了本学科在国民经济发展中的重要地位。
*新报告显示，2020年，全球主要矿产品总产量218亿t，其中，能源、金属和非金属产量分别为147.4亿t、16.7亿t和56.7亿t，总体出现供不应求的局面（《全球矿业发展报告（2020—2021）》）。从产业看，全球共有60多个重要矿业国家。11个国家矿业产值与本国GDP①之比大于50%，17个国家矿业产值与本国GDP之比介于20%～50%，21个国家在10%～20%。可以看到，矿业对国家经济发展的重要作用和地位。
从能源消费结构上看，中国、印度、东盟②等亚洲新兴经济体、美欧日韩等发达经济体和其他国家分别消费了全球35%、36%和29%的能源，全球能源消费总体呈现“三分天下”的格局。同时，气候变化促使全球能源消费结构调整加速，煤炭占比将持续下降，清洁能源占比将持续增加。
从矿业格局上看，美国、俄罗斯、中国是全球主要矿业大国。三国矿产资源总产量占全球49%，总产值占全球40%。其中，中国矿产资源总产量占全球总产量的31%，位居世界第一。中国已经成为全球*大的金属矿产消费国，同时，在全球矿产资源生产、供应方面起到了重要作用，在全球矿业中地位非常显著。
1.1.2 学科的发展规律与发展态势
1.学科的发展规律
矿业工程学科的发展不仅受自然科学规律的约束，而且受资源赋存条件、经济发展水平、社会发展需求的综合影响。随着人们生活水平的提高和社会进步，矿业工程学科和所支撑的工程实践持续地开发出大规模、多种类的矿产资源，这是与自然科学不断揭示自然规律截然不同的学科特点，由此也决定了矿业工程学科一系列的属性和发展规律。矿业工程在设计、建设、生产、保障系统功能的同时，越来越受到来自资源开采环境的“极限”挑战，各种极端性、复杂性、非线性、不确定性等特性和因素广泛存在于矿业工程系统及其运行过程中（图1-1）。矿业工程学科的不断发展和人类对丰富物质文明、挑战自然的无限追求，导致矿业工程系统的服役环境越来越恶劣，矿业工程系统的行为规律也愈加复杂多变；另外，人类对不可再生资源的消耗和对环境生态的破坏使得可持续发展成为21世纪全球共同面临的重要课题。
1）“极端性”成为矿业工程学科未来发展所面临的严峻挑战
资源和能源是支撑人类社会*重要的物质基础之一，随着浅部资源开采的枯竭，向深地、深海寻找更多资源已成为必然趋势，深部陆地和深水海洋矿产资源的开发成为解决人类资源和能源的有效途径，高地压、高地温、高水压、强海风、大海浪等极端开采环境是矿业工程学科发展必须面对的严峻挑战。在极端环境和自然灾害作用下，矿业工程系统的原位岩体力学行为、地应力环境与动力灾害演变机制、多相并存多场耦合作用下的渗流规律、强采动应力场-能量场演化特征、风浪流对采矿船的动力激励、集矿机在海底的行走特性、深海采矿系统的动力学行为已成为矿业工程学科的核心科学问题。此外，月球、火星等太空资源的勘探开发也列入国家计划。深地、深海、深空等极端环境下的资源勘探开发及转化利用给传统的矿业学科提出了严峻的挑战。
2）“复杂性”成为矿业工程学科未来发展所需解决的重要难题
深部岩体材料非线性、大形变的几何非线性、各种非线性的耦合效应等复杂的非线性行为与机制给矿业工程学科带来了挑战。20世纪微分几何的发展使系统非线性动力学取得突破，系统的混沌、分岔、分形等非线性行为与机制获得了数学上的解释和描述，并在简单系统的工程实践中初步实现了对非线性行为的控制或利用，然而，复杂工程系统的非线性行为与机制仍然无法很好地被解释和把握。深部资源开发过程中涉及的岩体非线性行为是矿业工程学科需要面对和解决的重要课题。同时，随着深部资源开采的深入，不同物理场之间的耦合效应也越来越强烈，深部陆地资源开发存在的热-力耦合场、液-固耦合场、气-固耦合场，深水海洋资源开采存在的气-液-固耦合场、海底多相资源耦合共生现象，以及不同物理-化学-生物耦合场、资源型矿体与外部介质界面的耦合作用等使得矿业工程学科的研究内容变得极为复杂。
3）“交叉与融合”成为矿业工程学科未来发展的必然趋势
当前，新一轮科技革命蓬勃兴起，各种先进理论、先进技术大量涌现，信息化、智能化产业正在迅速崛起，通过信息技术与工业相融合以提升国家工业水平的产业战略已经成为全球共识，德国、美国、日本等世界工业大国相继提出了“工业4.0”“工业互联网”“第四次工业革命”等概念并开始付诸实施，当前形势下的工业变革以物联网和智能制造、智能控制为主导，正在深刻影响今后的全球工业产业布局。信息化、智能化、绿色化迅速向各学科领域渗透，不断冲击着传统矿业工程学科的界限，不同学科相互渗透、相互融合，带动产生各种新的活动领域和合作形式。矿业工程学科既要按照生产、矿井的地质条件和经济特性来完善和发展传统的矿业工程科技，又要吸收和融汇现代科学技术的*新成就使矿业工程科技不断提高和更新。以信息化、智能化、绿色化为创新驱动的学科融合发展将极大提升矿业工程学科的科学内涵，促使矿业工程学科进入快速发展阶段。
2.学科的发展态势
1）煤炭能源基础科学未来发展走向
煤炭作为基础能源，为经济和社会发展做出了巨大贡献。以美国、英国、德国、澳大利亚和俄罗斯等国家为代表的煤炭生产和利用大国，在煤炭理论与技术研究方面开展了大量基础研究工作。我国基于欧美技术体系建立的煤炭开发模式主要存在以下四大问题。
（1）煤炭及其共伴生资源浪费问题。由于煤柱留设，大量煤炭资源浪费，矿井平均采出率不足50%。同时，煤层中含有大量的煤层气资源，通过通风排出，不仅造成资源浪费，更会产生瓦斯灾害隐患。
（2）巷道掘进量大，生产成本高。按照配套煤巷掘进率34m/万t计算，每年约掘进巷道13000km，比地球的直径还要多出200余千米，耗资巨大。
（3）煤矿灾害频发。开采引起的力学状态和物理化学状态的改变，导致顶板事故、冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害频发，造成大量人员伤亡和设备损坏。
（4）生态环境破坏严重。传统开采方法导致地面大面积的环境损伤和地下深层含水层破坏，民用和工业煤的燃烧导致区域性的环境污染。
因此，针对上述问题，从改进传统理论及配套装备与技术入手，建立具有我国特色的平衡开采理论及配套装备与技术，是“十四五”煤炭能源基础科学研究的重要发展走向。
一是通过煤炭开采地质保障探测基础理论和方法研究，建立数字矿山，实现智能开采。
英国、加拿大等国家开展了各向异性介质理论、岩石物理基础与地下流体运移监测等基础研究，美国、日本、澳大利亚等国家研究了以采煤机、掘进机、大地脉动被动震源为基础的探测理论与方法，大力推进地质雷达、无线电成像（radio imagin
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