谢和平科研成就科研综述谢和平院士长期致力于深地科学与绿色能源领域的基础研究与工程实践
1982年起，创造性引入分形方法，在国际上开创了岩石力学分形研究新领域；在中国最早建立了裂隙岩体宏观损伤力学模型，开拓了裂隙岩体损伤力学研究新领域
2018年以来，在国际上首次提出了深部原位岩石力学和工程扰动岩石动力学构想并构建了其理论框架
深入探索了低碳技术与CO2矿化及综合利用，形成一系列CO2资源化、能源化利用的高效耦合技术原理和方法
目前正深入开展深地深海深空保真取芯探矿与测试基础、粤港澳大湾区地热勘探开发利用、中低温地热发电原理和技术、工程扰动岩石动力理论与技术、低碳与海水制氢技术、月基能源资源探测前沿技术以及深部固体资源流态化开采理论和技术等方面的研究
他的主要学术成果包括以下几个方面：岩体损伤力学研究岩体为天然损伤体，其变形特征为大变形，常规方法难以准确描述和计算
20世纪80年代他在中国国内首先提出了一个考虑裂隙岩体能量耗散和大变形的损伤因子，建立了岩石损伤断裂全过程的损伤演化方程和本构模型；提出了岩石蠕变非线性大变形损伤理论及有限元数值方法，成功预测了采动围岩的损伤大变形程度和蠕变稳定过程，从而广泛应用于岩层移动和巷道大变形预测等重要工程领域
岩体力学的分形研究岩体工程中经常遇到断层、节理、破碎断裂、矿体块度控制等非连续行为，他在岩石损伤力学描述岩体整体宏观连续性行为基础上，创造性地引入分形方法对裂隙岩体的非连续行为进行研究，并在裂隙岩体工程中得到了应用
对岩体中的节理断层，他应用分形方法建立了节理构形模型，得到节理分维值与JRc（节理粗糙系数）的定量关系，对JRc进行了准确预测
同时利用分形方法系统研究了节理粗糙性对抗剪强度、剪切变形、应力集中程度以及接触性质的影响关系，为相关的节理岩体工程设计提供了理论依据
对矿山采动引起的岩体破坏断裂行为，他应用分形方法建立了岩石穿晶断裂、穿晶沿晶耦合断裂的分形模型，推导出岩石断裂破坏的临界扩展力，推广了Griffith准则并得到实验验证
针对岩石动态断裂行为，他建立了岩石动态裂纹扩展力学行为与细观结构关系的分形模型，从宏观上定量解释了岩石动态裂纹扩展速率实验值远低于理论值、裂纹分岔导致断裂韧性增加的物理机制，从全新角度分析了岩体动静态裂纹扩展规律和行为，为矿山采动引起的冲击地压、边坡失稳等重大工程灾害的科学预测与控制提供了理论基础
研究成果的工程应用原煤炭部“九五”科技重点攻关项目“坚硬厚煤层综放开采关键技术研究”中顶煤块度控制是该项目的关键技术
他运用分形方法和能量耗散理论建立了顶煤破碎块度控制的数学力学模型，由此提出和设计一套“顶煤弱化预爆破技术方案”，保证了顶煤放落的块度要求，提高了回收率，使大同硬煤条件下放顶煤技术获得成功
对富含断层和节理的非连续矿山岩体的开采沉陷问题，他首次应用分形方法得到了岩体断层滑移、沉陷量与节理空间分布、粗糙度的定量关系；提出用局部有限样本进行分形插值获得矿山深部断层表面形态的方法；研究了富含节理和断层的上覆岩体破坏和地表移动规律
波兰国家科委连续三年资助该成果在中国和波兰矿山的应用和深入研究，成果在河南鹤壁矿务局应用，取得了直接经济效益
工程扰动岩石动力学研究岩石工程的建造和运维是一个动力学过程，其应变率大于10-4 s-1
谢和平院士在国际上率先提出并建立了工程扰动岩石动力学理论，旨在系统研究工程扰动作用下岩石动力行为和响应，特别是发展能系统考虑重大工程在施工期和运营期不同工况下的动力响应规律及灾害防控理论和技术；自主设计并研发了世界首套动态真三轴电磁霍普金森杆测试系统，构建了以真三轴电磁加载为主导、集低中高应变率测试为一体的三维岩石动力学测试平台；研制了疲劳变频流体注入扰动诱发地震试验系统，提出了降低流体注入诱发地震震级的控制方法，初步形成了变频循环流体注入诱发断层活化防控与降震减震技术，为相关重大工程建设、深部能源资源开发利等重大基础设施建设等需求提供了基础理论和技术支撑
深部岩石保真取心与保真测试研究探索深部原位环境岩石力学规律，建立“深部原位岩石力学”，是深部科学领域的核心共性基础科学问题
他在国际上首次提出“五保”（保压、保温、保质、保湿、保光）保真取心全新构想，建立自主原创、世界领先的深部原位保真取心与保真测试分析系统，来破解深部岩石力学“原位”研究的核心难题，获取地球深部真实的“活体”样本，并在深部原位环境条件下岩石物质、成分、结构与行为特征的测试分析
此创新工作开辟了深部原位岩石力学相关研究的新领域，有利于重新认识深部资源储量和探索深部生命奥秘
研究成果拓展应用到深部煤矿原位保压保瓦斯取心、海相可燃冰保压保温取心、深空月基保真取心探矿等领域，为打造国家“三深”战略科技支撑核心力量提供技术装备支撑
CO2矿化发电研究煤炭燃烧通常被认为是煤炭能量利用的终点，此过程伴随着大量CO2的排放
然而事实上，CO2自身仍含有一部分能量，可通过化学位降低的矿化反应过程释放
但如何利用这部分能量对外输出电能是世界难题！2014年，他在国际上首次提出了CO2矿化发电原理与技术，揭示了电化学质子耦合电子转移（PCET）反应诱导的CO2矿化产电机制，率先建立了CO2矿化电池（CMC），实现了将CO2矿化反应的化学能转变为电能输出，真正意义上实现了CO2的能源化利用，开辟了全球CO2减排能源化利用新思路
低能耗电化学碳捕集研究当前高能耗的CO2捕集技术成本占CCUS系统总成本的80%，成为CCUS技术难以规模化实施的“卡脖子”难题，开发低能耗的CO2捕集技术是当前发展CCUS最具有挑战的环节之一
电化学CO2捕集技术因具有能量供给广、捕集效率高的潜在优势，成为科研人员主要研究方向，但目前该类方法仍普遍面临电极氧化还原反应高过电位引起的电解能耗较高的难题
他受到自然界生物体内高效质电耦合现象的启发，并与CO2吸收与解吸过程相耦合，从而建立了全新的质子耦合电子转移反应驱动的电化学CO2捕集技术，实现了低能耗电化学CO2捕集的技术突破
相关研究发表在《Applied Energy》与《Cell Reports Physical Science》上
近零碳排放的直接煤燃料电池研究当前，现代化的燃煤电厂受到卡诺循环的限制，单位发电量的煤炭消耗量居高不下，同时难以破解煤炭发电固有的CO2大量排放的技术瓶颈，无法真正实现煤炭的清洁低碳利用
他率先提出了 “近零碳排放直接煤燃料电池（DCFC）发电”原理与技术
该技术可打破卡诺循环的限制，不通过燃烧,而是将改性煤炭的化学能通过电化学氧化过程直接转换为电能，在系统内原位实现CO2二次能源化利用
同时，对该电池系统阴极材料设计上，他创新将机器学习与化学材料设计相结合，开发了阴极材料机器学习筛选技术，建立了路易斯酸性诱导离子极化分布协同降低氧空位能垒的材料设计理论模型，实现了快速、有效地从庞大的钙钛矿组分中筛选高活性阴极材料
为DCFC发电提供了理论与技术支撑
相关研究发表在《Nature Energy》上
海水直接电解制氢研究海洋是世界上最大的氢库，海水制氢可有效避免全球氢能发展带来的淡水资源紧缺的问题，是未来绿色“零碳能源”发展的重要方向
然而，海水组分复杂
尽管当前先淡化后制氢作为一类成熟的技术可避免海水中复杂组分对制氢系统的影响，但该技术严重依赖大规模淡化设备，流程复杂且占用大量土地资源，进一步推高了制氢成本与工程难度
自上个世纪七十年代以来，诸多研究围绕海水直接电解制氢面临的析氯副反应、电极腐蚀等相关难点开展攻关，但仍未有突破性的理论与原理彻底避免海水复杂组分对制氢反应的影响
他针对海水直接电解制氢的难题与挑战，从物理力学与电化学相结合的全新思路，提出了海水无淡化原位直接电解制氢原理与技术，建立了相变迁移驱动的海水直接电解制氢理论模型，揭示了微米级气隙通路下界面压力差对海水自发相变传质的影响机制，形成了电化学反应协同水迁移的动态自调节稳定电解制氢方法
破解了海水直接制氢复杂组分对电解反应失稳的难题
相关研究发表在全球顶刊《Nature》杂志上，是该杂志国际首篇海水电解制氢领域的文章
学术论著截至2022年10月，谢和平研究成果已出版10余本中英文专著，国际岩石力学学会邀请他撰写了英文专著《Fractals in Rock Mechanics》，作为国际岩石力学研究丛书第一卷，1993年由Balkema出版社出版，他是该丛书的唯一中国作者
在Nature、Nature Energy等顶级期刊发表400余篇学术论文
出版著作出版日期名称作者出版社2022.06《煤炭碳中和战略与技术路径》 谢和平，任世华，吴立新著北京：科学出版社2021.12《七一献词：二步山人书法长卷》 谢和平著杭州：西泠印社出版社2021.09《深部岩体力学与开采理论》 谢和平等北京：科学出版社2020.09《自然科学经典文选导读》谢和平主编北京：清华大学出版社2020.05《深圳地下空间开发利用战略构想》 谢和平 等北京：科学出版社2019.11《秦巴山脉区域绿色循环发展战略研究（四川卷）》 谢和平 等北京：科学出版社2018.05《煤炭革命的战略与方向》谢和平北京：科学出版社2018.05《特殊地下空间的开发利用》谢和平著北京：科学出版社2017.06《生态文明建设的重大意义与能源变革研究 第1卷》杜祥琬，谢和平，刘世锦北京：科学出版社2017.03《CO2矿化利用与钾长石资源开发》梁斌，李春，岳海荣，谢和平北京：科学出版社2017.01《深部煤与瓦斯共采理论与技术》谢和平，林柏泉，周宏伟著北京：科学出版社2016.04《“一带一路”沿线国家纵览》谢和平主编成都：四川大学出版社2015.11《海峡两岸高校书法名家作品集》谢和平，黄宗贤主编成都：四川大学出版社2014.05《中国煤炭科学产能》谢和平，王金华北京：煤炭工业出版社2014.05《煤炭安全 高效 绿色开采技术与战略研究》谢和平著北京：科学出版社2012.04《谢和平书《论语》一百则》谢和平，刘志超著北京：荣宝斋出版社2012.01《大学的文化自觉与文化自信》谢和平著成都：四川大学出版社2011.01《谢和平书法作品集》谢和平书北京：荣宝斋出版社2010.03《中国的力量 从汶川与海地地震后20天看中国的制度、文化和精神》谢和平主编成都：四川大学出版社2008.06《反贫困与国际区域合作》谢和平主编成都：四川大学出版社2007.10《世纪弦歌 百年传响：四川大学校史展 1896-2006》谢和平主编成都：四川大学出版社2007.10《四川大学历史文化长廊》谢和平主编成都：四川大学出版社2006.01《深部开采基础理论与工程实践》谢和平，彭苏萍，何满潮编著北京：科学出版社2006《谢和平创新研究群体》谢和平北京：中国农业出版社2004.09《全国第八届岩石力学与工程学术大会论文集》谢和平主编北京：科学出版社2004.05《岩石力学》谢和平，陈忠辉著北京：科学出版社2003.06《中国可再生能源发展现状与展望 中国工程院“可再生能源发展”工程科技论坛论文集》黄其励，谢和平主编徐州：中国矿业大学出版社1998.06《可持续发展与煤炭工业 中国科协第31次“青年科学家论坛”暨首届“煤炭青年学者论坛”报告文集》谢和平主编北京：煤炭工业出版社1998.06《岩石混凝土损伤力学》谢和平徐州：中国矿业大学出版社1997.09《非线性力学理论与实践》谢和平主编徐州：中国矿业大学出版社1997.03《分形应用中的数学基础与方法》谢和平，薛秀谦编著北京：科学出版社1996.11《分形－岩石力学导论》谢和平著北京：科学出版社1996.10《跨世纪的矿业科学与高新技术 中国科协第十四次“青年科学家论坛”报告文集》谢和平等主编北京：煤炭工业出版社1991.05《分形几何 数学基础与应用》谢和平等编译重庆：重庆大学出版社1990.02《岩石、混凝土损伤力学》谢和平著徐州：中国矿业大学出版社1987《岩石蠕变损伤非线性变形分析及微观断裂的Fractal模型》谢和平著徐州：中国矿业大学出版社期刊论文Xie H P, Zhao Z Z，Liu T et.al. 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时间项目名称奖励名称获奖人员1991年教育部科技进步一等奖1995年岩石损伤断裂的分形研究国家自然科学奖 三等奖1996年岩石节理粗糙系数的分形估计教育部科技进步二等奖1998年教育部科技进步二等奖1998年煤炭科技进步一等奖（独立获奖人）谢和平1999年岩石混凝土损伤力学国家科学技术进步奖 三等奖2000年坚硬厚煤层综放开采关键技术研究国家科学技术进步奖 二等奖 谢和平、朱晓喜、张宝山、彭建勋、孙忠义、张锁江、解景全、靳钟铭、王家臣、白希军 2001年裂隙岩体力学的分形研究教育部中国高校自然科学奖一等奖2007年破断岩体表面形貌与力学行为研究国家自然科学奖 二等奖 谢和平，周宏伟，鞠杨，王金安，高峰
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