知名人物 鲜学福人物简介
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知名人物 鲜学福人物简介
·鲜学福
鲜学福，矿山安全技术专家，中国工程院院士。煤层瓦斯 (煤层气) 的研究和防治，煤层瓦斯基础研究的开拓者。他在分子水平上研究了煤与瓦斯突出区煤的结构与特征等一系列基础问题，提出用煤化度描述煤结构的变化等。他推进了煤层瓦斯赋存状态、吸附 (解吸)、渗流及涌出规律的研究。他提出了煤与瓦斯突出潜在危险区 (带) 预测的力学方法; 建立了开采保护层时双层和多层系统固气耦合的越流渗流计算方法，解决了邻近层有效保护范围的划分问题; 导出了煤层瓦斯量的计算式; 最早领导实践了近距离煤层保护层开采及瓦斯抽放技术。他开发的煤层气变压吸附分离纯化技术，为煤层气综合利用奠定了基础。
鲜学福，1929年1月21日出生于四川省阆中县一个经营干货和锅碗的小商人家庭，是家中的长子。6岁半入私塾，半年后进入县城铁塔寺小学，小学毕业后在私立皋飏中学读了半年初中，又转到抗战时期流亡学生举办的国立四中读完了初中。1946年春，父亲就把他送到重庆的私立蜀都中学读高中。蜀都中学是地下党办的学校，教员中大多是中共地下党员。在他们的影响下，鲜学福开始阅读一些进步的地下刊物，接受进步思想，逐渐了解了共产党的政治主张，自觉地参加了反饥饿、反内战的学生运动。
1948年底高中毕业，又补习了半年的英语和数学，于1949年秋考入四川省立教育学院数学系。不久全国就解放了。1950年，北方的一些高校来重庆招生，考虑到国家从战争转入建设需要大批工程技术人才，加之他个人很向往北京，决定放弃自初中时期就很喜爱的数学而改学工科，就重新报考了大学，并同时被重庆大学矿冶系和天津成立的中国矿业学院录取，最后选择了去天津。当时，为了向苏联专家学习，各学校都抽调一些学生学习俄语。鲜学福也被矿院抽调去学习俄语。后来他们系请苏联专家克利亚奇科夫讲授采煤方法，从此他开始对采煤技术有了一些了解。第一次到河南焦作煤矿去实习，看到当时井下都是人工开采，设备十分简陋，心里多少感到有点失望。但经过后来在辽宁阜新煤矿的参观实习，特别是在黑龙江鸡西煤矿的生产实习后，跟着工人师傅学习实际操作，才慢慢地改变了对煤矿的认识，开始喜欢采矿这门学科。1953年矿院毕业的学生中，大部分去了矿山，鲜学福和一小部分同学被留下来进入研究生班继续学习。这时中国矿院已在北京建立了校区，并改名为北京矿业学院。从1953年秋起，鲜学福在北京矿院跟随苏联专家洛莫夫教授学习采煤专业。
在鲜学福读大学和研究生的时期，正值抗美援朝之际，他积极报名参军，但没能成行。以后又经历了三反五反、知识分子改造等政治运动，在运动中他一直都表现为一个热爱党的好学生。1952年6月他加入了中国新民主主义青年团 (中国共产主义青年团的前身)，1953年12月23日加入了中国共产党。
从1953年秋至1956年3月近3年的时间里，大约有10个月的时间在河北井陉煤矿做毕业论文，从这时起，鲜学福开始进入了科学研究的门坎。他的论文专题部分 “厚煤层金属网假顶分层开采的采煤方法”，以现在的眼光来看，还不能说有多高的学术水平，但它包括了一个矿井的方案设计的全部内容再加专题研究，这使他受到了科学研究的良好训练，为他以后的学术生涯奠定了坚实的基础。
1956年研究生毕业后，服从分配到了重庆大学采矿系。一到重庆大学，就参加了56届毕业班的毕业设计指导工作，同年秋开始讲授采煤方法课程，第一次走上了大学讲台，正式成为了一名人民教师。
1958年，国家又开始选拔赴苏留学生，鲜学福被学校推荐参加了在四川大学举行的出国留学考试，并被录取，随后在北京外国语学院培训俄语半年。但因没联系到合适的苏联导师，只好又回重庆大学工作一年，直到1960年才成行，在莫期科矿业学院采矿系师从鲁诺克学习水力采煤技术。经过3年零7个月的刻苦努力，于1964年5月完成学业，获得苏联技术科学副博士学位。
从1964年回国到1966年期间，鲜学福在采矿系主持科研工作，曾负责领导了 “开采保护层及抽放瓦斯” 项目的科研工作，这个项目后来于1978年获全国科学大会奖 (获奖名称： 南桐矿务局直属一井开采近距离解放层的瓦斯抽放)，他本人也因此于1978年获重庆市和四川省科技大会奖状和奖章。1966年春还带领学生到中梁山参加了煤炭科学研究院在该矿的 “治理瓦斯自燃发火、近距离和急倾斜煤层开采” 的科技攻关项目。
从1958年大跃进时他在新桥小煤矿担任副矿长，到1964年领导瓦斯治理方面的研究工作，已深深认识到煤矿安全的重要性，并把自己的研究方向定在煤与瓦斯突出的研究上，开始对煤矿瓦斯问题进行系统研究。但不久 “文化大革命” 开始了，他被关进牛棚，科研工作被迫中断了。“9.13事件” 以后，他到资料室工作，一边做好图书资料的管理工作，一边为中国科技情报所重庆分所做一些矿业学科俄文文摘的翻译工作，这期间，他翻译了前苏联关于瓦斯问题的数十篇研究文章，还参阅了国内出版的有关文献，这对他以后的科研工作起到了很大的作用。直到后来成立采煤专业委员会，他担任该委员会的主任，才恢复正常的教学科研工作。粉碎 “四人帮” 后，特别是1978年召开了全国科学大会，鲜学福和全国科技工作者一样备受鼓舞，把全部身心都投入到了教学科研当中，开始了他学术生涯中的黄金时期。
从1979年开始在重庆大学招收了第一个采矿工程专业的硕士研究生，1987年开始招收博士研究生，到现在他已培养硕士10余名，博士30多名。几十年来，鲜学福带领他的学生，对煤矿瓦斯问题进行了系统研究，深感煤与瓦斯突出防治的根本解决必须从基础研究着手，于是他把研究重点放在; ①煤结构和特性; ②煤层瓦斯流动、富集; ③煤层气利用; ④煤矿瓦斯动力现象的预测和防治等基础研究上。
鲜学福除开展科学研究工作外，还积极参加学术社会活动，曾任国务院学位委员会地质勘探矿业石油学科评议组成员(1992～1997)，1996年任第三届国家教委科技委地学部委员，1990年起任全国自然科学煤炭科技术语工作委员会副主任，1999年当选为中国工程院院士，2000年至今任重庆市科协副主席。
发展了在分子水平上研究突出煤的结构与特性
自从1834年法国塞纳煤田伊萨克矿发生世界上第一次煤与瓦斯突出以来，至今已近170年。从那时起，人们开始认识到煤和瓦斯突出是煤矿生产中一种严重的工程地质灾害，各产煤国家都投入大量的人力、物力和财力对其进行研究，但至今对其本质仍未完全弄清。矿井动力现象中的煤与瓦斯突出特别复杂，在1948年前没有经过实验检验的公认理论，仅有许多相互矛盾的假说。1948～1951年间前苏联第聂泊尔彼德诺夫斯克矿业学院的列克拉索斯基教授在研究了顿巴斯大量实际突出资料后，提出了突出形成的本质，认识到突出的发生与进行是多因素作用的结果，之后，苏联科学院斯可琴斯基院士总结出： 煤与瓦斯突出是由矿山压力、含于煤中的瓦斯、煤的物理机械性质、微观宏观结构和构造，急倾斜煤层煤的重力等相互作用而发生的 (综合作用假说)。尽管目前对这种假说仍有争议，但已为多数人认同。鲜学福在20世纪70年代总结了国内外矿井动力现象研究成果，根据我国50年来瓦斯防治方面的实践提出： 煤结构、煤层中的瓦斯是发生煤与瓦斯突出的必要条件，还必须具备突出的地应力条件; 同时还认识到煤层中的瓦斯不仅是致灾因素，也是一种洁净能源和资源。随后，与他的学生一道开展了这方面的基础研究，主要在分子水平上研究了突出煤的结构和特性。20世纪70年代，前苏联学者阿尔捷莫夫、达库庚和尼柯宁等开始从煤形成阶段的物理特性入手研究煤结构与突出危险性的关系。阿尔捷莫夫认为煤结构异常与地质破坏有关，当碳含量为84%～95.5%时煤形成流体似球状结构单元，这会使煤突出的危险性增大; 尼柯宁等人在分析1970年苏联发生的突出次数时发现焦煤最多，其次是瘦煤、无烟煤和肥煤，而长焰煤未发生突出，并以此提出突出危险性统计概率与挥发份 (常以此标志煤形成的阶段) 存在相关关系。但他们的研究没有深入到分子水平，对碳含量在84%～95.5%时煤形成的流体似球状结构单元的煤大分子结构也未作研究。鲜学福和他的学生根据腐植煤由植物生成的观点，采用X射线衍射原子径向分布函数和微晶理论得出，煤中的碳原子主要为芳香碳 (SP2杂化)，同时也存在SP3杂化 (配位数3.0～3.7)，并根据埃尔贡 (Erguns) 等人关于煤进入煤化阶段后其层间距小于0.38 nm (介于纤维素层间距0.3975 nm和石墨层间距0.3354 nm之间) 的研究结果，依照石墨化过程的石墨化度概念，提出用煤化度
(式中 d002——煤的层间距) 来描述煤化过程中结构的变化;率先从分子水平上研究了突出区煤的大分子结构，得出了变质程度越高 (用分子中碳原子摩尔百分数、H/C和O/C表征)，突出的危险性越大，同时也可根据fa和2(R—1)/C值的大小粗略预测煤突出的危险性。
率先采用量子化学离散变分Xa方法对煤大分子的稠环芳香结构和电子光谱进行了研究，结果表明煤的颜色主要是由大π→π*跃迁产生的，无烟煤大分子中存在13个苯环以上的稠环芳香结构单元，这为从本质上认识煤与瓦斯突出发生的条件和用电测法预测煤层突出潜在危险性提供了新的理论依据。利用小角X射线衍射实验发现镜煤在含碳84%时已显示2nm带，含碳89%时最为显著，当含碳量大于91%时2nm带又开始弥散甚至消失。由此提出低变质程度煤中芳香层直径增大，其堆砌高度可发展到相当大的范围，只有在中变质煤中才显示2nm结构，产生一直径为2nm规模的结构单元，其核由2～3个芳香层平等堆垛而成，密度较高，核直径0.8nm左右，核外由与核单一芳香层和非晶质组成，密度较低的似球状易流动的结构。这些在煤分子水平上的研究结果还能从煤的结构上解释麦依也尔斯 (Meyers RA)、幹(Gan H) 等获得的孔容和孔径1.2～30 nm间的孔径体积分布结果，可定性解释范克瑞维伦 (van Krevelene D W) 用实验获得的煤的弹性模量、剪切模量、泊松比、体积模量随碳含量变化的关系，以及为什么碳含量为90%左右的煤的坚固性系数取极小值。
煤的结构除煤的大分子结构外，还包括孔隙结构特征，巴尔(Bale) 和斯齐米德特 (Schmidt) 最早将分形几何理论用于煤的微观多孔结构研究上。鲜学福和他的学生利用文献上已有数据得到了中国28种不同变质程度煤的分形维数及26种煤分形维数D1和D2间的线性关系 (D1、D2相应于分别用DDR议程和BET公式计算煤CO2表面积时的分形维数)： D1=0.8612D2+0.4106而且还用压汞法研究了突出区煤的分形维数，对每个煤样得到了一个转折压力，对高于和低于转折压力的实验数据进行拟合后，发现存在两个分形维数D2和D3，并用ΔD =D3-D2反映煤在超过转折压力后抗压能力，同时得到了突出区煤的孔隙率越大、中孔孔容越大、滞后程度越大、比表面积越大、分形维数D2越大、D3和ΔD越小，突出危险性越大。将CT扫描技术用于研究煤的孔隙结构，得到了试样煤芯中孔隙的几何形态。
煤的电特性是其主要的物理性质，导电性与变质程度以及其中的水分和灰分密切相关。尼柯宁B.И和阿尔捷莫夫A.B等得出，具有潜在突出危险性煤的电介质损失角正切值较大，无烟煤的电阻率lgρ>3.3时突出概率较大; 达库庚A.B. 等认为，所有突出危险的煤都可能具有半导体特性。鲜学福和他的学生研究了突出区煤及其充瓦斯后的介电特征，发现了煤中充入甲烷后不改变煤的极化性质，而焦耳热效应对煤的极化有影响，并由微波频率下测得的复介电常数导出了静态和光频介电常数、复折射率、复传输系数的新计算式，并发现它们与变质程度有关，即其数值越大，突出危险性也越大。同时，发现了充甲烷煤的电导率高于未充甲烷的煤，突出煤的电导率随瓦斯压力呈现线性增大，并得到了突出煤电导率与甲烷压力、外加电压的双变量议程，煤的电导率与距突出孔的距离有关，煤微波频率下的交流表观电导率随频率的增大而增大。
推进对煤层瓦斯赋存状态、吸附 (解吸)、渗流及涌出规律的研究
煤层中瓦斯 (煤层气) 主要成分为甲烷，它既是煤矿瓦斯安全事故的致灾因素，也是一种大气温室效应气体和较洁净的能源和资源。抽放和利用瓦斯可达到消除灾害因素和合理利用自然资源的双重目标，已成为世界各产煤国家的一项重要科研任务，煤层中瓦斯的赋存状态、运移、富集规律成为了研究的主要内容。由于煤和瓦斯突出会涌出大量的瓦斯，为解释其来源，多数学者认为煤与瓦斯分子的作用力是范德华力 (分子间力)，个别学者如前苏联的克留金则认为煤层的瓦斯是以活性瓦斯水合物形态存在于煤体渗透孔隙中，也有少数学者如爱丁格尔和托莱克等认为煤与瓦斯间可能存在化学键。除在俄罗斯西伯利亚冻土带发现过瓦斯水化物外，至今还未找到煤层中瓦斯水化物的充分证据。为探讨煤与瓦斯间是否存在化学键的问题，鲜学福和他的学生用现场低温 (-100～—30℃) 红外光谱、量子化学从头计算法证实了煤层中煤与甲烷与甲烷间的吸附为物理吸附过程，即属分子间的范德华力，即使是对重氢甲烷和CO也是如此，且甲烷与煤表面的相互作用是各向异性的，甲烷在煤核表面呈正三角锥重迭式吸附时能量最低。
为描述物质的吸附特性，国内外提出了许多吸附等温式，最广泛使用的是Langmuir方程和Dubinin方程。我国学者吴俊、钟玲文、于不凡等都在实验上证明了吸附与煤的变质程度有关，但取得的结果不尽相同，这也证明了天然煤的组成结构十分复杂。前苏联学者霍多特用天然煤进行实验得出Langmuir方程中的a常数与温度无明显的关系，而b值则与温度有明显的下降关系。鲜学福和他的学生首先用镜煤进行实验，证明了a常数基本上不随温度变化 (变化很小)，于是提出可用与变质程度有关的a值作为一个评价煤层吸附甲烷能力、b值作为衡量煤层吸附甲烷速率的特性指标。
70年代初期，前苏联学者达拉索夫曾对地电场影响煤层吸附瓦斯能力进行过研究，鲜学福和他的学生也曾在自制的实验装置内进行了不加电场和加电场 (静电) 的吸附实验，证实了电场对吸附的作用，并以此建立了考虑地电场修正的Langmuir方程。
在煤层瓦斯的解吸、渗流和涌出的研究方面，重庆煤炭研究分院、抚顺煤炭研究分院的王佑安以及国外的温特尔等学者对煤样的瓦斯解吸特性进行了研究。鲜学福和他的学生首先根据球形煤粒瓦斯解吸的渗透—扩散模式建立了瓦斯解吸量Qt的计算式：
式中 Q∞、Q0——t→∞时瓦斯解吸量、渗透瓦斯量;
B——常数;
之后又在深层次上根据吸附解吸甲烷可逆的这一实验依据得到了煤粒解吸过程的一级组合模型和扩散控制模型，并认为煤的吸附 (解吸) 量是由不同孔隙吸附 (解吸) 量的加和。另外，还根据王佑安等得出的扩散系数D与温度的关系计算出了甲烷在煤粒中扩散的活化能Ea，并在比较了Ea值与原子和离子扩散的活化能之后得出甲烷在煤中的扩散并非穿过某一完整的原子平面，而是通过一些极细的通道 (孔道) 流动的结论。
关于煤层中瓦斯渗流的研究，早在40年代末苏联的克利捷夫斯基就建立了煤层瓦斯的渗流方程。这方面国内外研究很多，大多数人认为瓦斯在煤层中的渗流符合达西定律，部分学者认为符合菲克定律或非线性的渗流规律，或者扩散—渗透，低渗透—渗透规律，但用扩散—渗透规律计算出来的单向和径向渗流的流量与按达西定律计算的结果相近; 另一研究结果又提出达西定律适用于抽放钻孔直径大的情况。此外，许多学者还建立了孔隙—裂隙双重介质的渗透—扩散的混合非稳定流动模型及其求解方程。以上这些研究均未考虑温度场、应力场和地电场的影响。鲜学福提出了温度和应力共同影响的渗透系数表达式： K(σ，T) =Kz(1+T)nexp(—ασ)以及在恒温场条件下考虑应力和电动效应影响渗透系数的表达式：
K(σ，E)=K0(1+βE)exp[—B(σ—
式中 T——热力学温度; Kz、B、β、K0——实验常数; E——外加电场强度;
开拓了煤层瓦斯区域防治领域
斯可琴斯基A.A于1954年在总结苏联与煤和瓦斯突出作斗争的经验之后，曾提出最有效的手段是在有突出危险煤层的上(或下) 部先开采保护层来保护突出层，并指出在顿巴斯急倾斜煤层间的法向距离可达到60m，甚至到100m，特别是当缓斜煤层时有保护作用。当用层间距60m上保护层和层间距10m的下保护层开采危险层时整个开采阶段都将受到保护，对急倾斜煤层，当层间距大于10m时的下保护层开采阶段的下部不受到完全保护，同时指出在先开采保护层的保护突出层的范围用震动性放炮和打排放钻孔没有必要，但由于开采保护层将造成邻近卸压层向保护层涌出大量瓦斯，为此要进行打钻预排瓦斯，并加以利用。可以说解放后至60年代初我国在治理煤与瓦斯突出时基本上是照搬苏联的经验，但此时重庆的南桐、中梁山都面临层间距只有7～8m的保护层开采问题，可否突破外国的经验，鲜学福1964年回国后，当时在系里负责科研工作，在他领导下科研小组配合南桐矿务局完成了近距离开采保护层抽放瓦斯这一相当有风险的课题，在这一实践的基础上，又和他的学生建立了开采保护层时双层和多层系统固气耦合的越流渗流的计算方法和解决了邻近层有效保护范围的划分。沃里郝维琴科、爱鲁尼等曾提出突出具有分区性和成带性 (有的资料认为突出危险带仅占10%的区域)，且与地质构造有关。但生产实践表明，突出并不总是发生在地质构造发生变化处，而且危险带内突出也不总是连续发生，于是鲜学福根据煤岩瓦斯体系中潜能的转化观点、突出的能量不仅来自煤和瓦斯的贮能也来自其围岩的贮能以及材料破坏所需的能量小于体系中贮能等，借助相关学科的研究方法和利用计算机技术，提出一个有别于利用瓦斯地质进行预测突出区 (带)的方法，进行未采区煤与瓦斯突出潜在危险性的预测，并将其命名为力学预测方法，并为此建立了用三维凯塞尔效应预估原岩地应力的计算方法，只传热不传质和既传热又传质的预估煤层原始瓦斯压力的解析计算式，含瓦斯煤岩体在三维地应力作用的破坏判据以及稳定系数的表达式，系统地奠定了力学方法预测煤与瓦斯突出潜在危险区的理论基础，并在多个矿进行了实践，取得良好的效果，从而开拓了煤层瓦斯区域防治的领域。
开发了煤层气变压吸附分离纯化技术
煤矿抽放出的煤层气中甲烷浓度一般为20%～45%，并含有一定量的CO2、H2S、CO、H2O、SO2、NO2和NO以及重烃等物质，是巨大的能源资源和重要的化工原料。目前世界各国抽放煤层气绝大部分用作民用燃料，其他方面的应用较少。杂质的存在大大降低了煤层气的热值，增加了输气管道的负荷、设备的腐蚀性及煤层气储存与运输过程中的不安全因素，我国各矿为安全生产而抽放出的瓦斯除少部分作为矿区职工生活用气外，绝大多数直接排空，不仅浪费资源，且污染大气环境。变压吸附分离与净化成为化学工程大型工业生产工艺和完整的单元操作，是在近20～30年迅速发展起来的，有力推动了低品位资源的开发和充分利用，尤其是在石油、天然气及化学工程等方面发挥了巨大的作用。为此，鲜学福和他的学生提出对煤层气变压吸附分离的关键技术进行研究，并自行设计制造一套自动化控制的变压吸附装置，分析得出了传统变压吸附技术难以适用于矿井煤层气中甲烷分离纯化的根源，开发出了性能良好的吸附分离剂，为煤层气的综合转化利用奠定了基础。
鲜学福在长达50余年的学术生涯中，孜孜不倦，勤耕不辍，先后独立或合作发表论文200多篇，出版专译著8部，撰写技术报告26份。获全国科学大会奖和国家 “八五” 攻关重大科技成果奖各1项、国家科技进步奖三等奖2项、省部级科技进步一等奖3项、二等奖9项、三等奖4项，获省优秀教学成果二等奖2项，省市级优秀论文及优秀图书奖13项。他所领导的采矿工程学科被评为四川省重点学科，于1999年被批准设立矿业工程博士后流动站，2000年被教育部批准设立教育部重点实验室。
简 历
1929年1月29日 出生于四川阆中县。
1950—1953年 天津中国矿业学院采矿工程专业读书。
1953—1956年 北京矿业学院采矿工程研究生班读书。
1956—1960年 重庆大学采矿工程系助教。
1960—1964年 苏联莫斯科矿业学院留学 (获副博士学位)。
1960—1978年 重庆大学采矿工程系讲师。
1978—1989年 重庆大学采矿工程系副主任、系主任、研究所所长。
1978—至今 重庆大学采矿工程系副教授、教授、博士生导师。
1999年 当选为中国工程院院士。
主 要 论 著
1 鲜学福，谭学术. 层状岩石破坏机理. 重庆： 重庆大学出版社，1989
2 谭学术，鲜学福. 复合岩石力学理论及其应用. 北京： 煤炭工业出版社，北京，1994
3 鲜学福，许江. 煤层中原始瓦斯压力的探讨. 中国矿业，1993，2(2)： 38
4 徐龙君，鲜学福. 煤微孔表面的分形维数及其变化规律的研究. 燃料化学学报，1996，24 (1)： 81
5 张瓦钧，鲜学福，用X射线径向分布函数法 (RDF) 研究煤中的碳原子的堆垛结构. 燃料化学学报，1997，25 (4)： 368
6 孙培德，鲜学福. 保护层开采安全范围的固气耦合分析. 岩石力学与工程学报，1998，17 (增刊)：932
7 王宏图，鲜学福. 煤矿深部开采瓦斯压力计算的解析算法. 煤炭学报，1999，24 (3)： 279
8 Steve Zou D H，YuChuxin，Xian Xuefu. Dynamic nature of coal permea-bility ahead of a longwall face. Int.J. of Mechanics and Mining Sciences，1999，36： 693
9 Wang H T，Xian Xuefu. A New method of determining geostress by theacaustic emission Kaiser effect. Int. J. of Rock Mech. & Min. Sci，2000，37 (3)： 543
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