走在煤炭安全治理的大路上
——記西安科技大學(xué)教授肖旸及其團隊

許明陽

肖旸

煤炭是人類非常重要的一次性能源。但是，有煤的地方就有煤火隱患。英國《新科學(xué)家》指出，自燃煤火已經(jīng)成為全球性的災(zāi)難。

從1998年至今，肖旸一直走在煤炭工業(yè)防災(zāi)減災(zāi)的路上，他將煤火災(zāi)害機理及其防治技術(shù)的研究與應(yīng)用作為自己終身的事業(yè)，投入了巨大的精力。經(jīng)過20多年的努力，肖旸已經(jīng)成為“胡楊學(xué)者”特聘教授、英國皇家化學(xué)學(xué)會會士、英國工程技術(shù)學(xué)會會士、國家科技專家?guī)斐蓡T、陜西煤礦安全監(jiān)察局煤礦安全生產(chǎn)專家，為煤火治理和預(yù)防作出了重大貢獻，已完成國家和省級課題二十余項，獲得國家發(fā)明專利授權(quán)7項，學(xué)術(shù)論文影響因子累計近300。

新時代，肖旸把煤火災(zāi)害治理由中端向前延伸到隱患預(yù)防和預(yù)警，將災(zāi)害消滅在萌芽狀態(tài)；向后端延展到環(huán)境的保護和治理，為碳中和、碳達峰作出自己的貢獻……

治理煤火災(zāi)害，努力走在世界前列

20世紀(jì)末，肖旸高中畢業(yè)后順利進入湘潭工學(xué)院，成為煤炭工業(yè)領(lǐng)域的一名尖兵。2002年他進入西安科技大學(xué)進一步深造，師從徐精彩教授和李樹剛教授，從此步入煤炭災(zāi)害治理領(lǐng)域，成為一名科研戰(zhàn)線上的“救火隊員”。目前，肖旸已成為鄧軍教授帶領(lǐng)的煤火災(zāi)害防治教育部創(chuàng)新團隊和中國煤炭工業(yè)創(chuàng)新團隊的核心成員。

肖旸一入校，就跟著導(dǎo)師到各大煤礦井下考察、學(xué)習(xí)。所以，他很早就意識到煤炭災(zāi)害治理任重道遠?！懊夯鹗敲禾繛?zāi)害中最頻發(fā)的一種，受其賦存條件、開采技術(shù)及煤炭自身特性等因素影響，世界主要產(chǎn)煤國家，如美國、印度、南非等都面臨煤火災(zāi)害的問題?！毙D說道。煤火災(zāi)害是全球共同面臨的災(zāi)害問題。煤田火災(zāi)，更是被稱為“世界五大生態(tài)災(zāi)難”之一。

據(jù)肖旸介紹，煤火災(zāi)害不僅發(fā)生在地下，還常發(fā)生在近地表、地面。在跟著導(dǎo)師學(xué)習(xí)的過程中，他就曾在現(xiàn)場看到過各種形式的煤火：如煤礦井下采空區(qū)自燃、地表露頭煤層自燃；煤炭運輸碼頭、車站發(fā)生自燃；煤化工企業(yè)原料煤倉發(fā)生自燃火災(zāi)；堆在地面的煤矸石，達到燃燒條件，整座山都能燃燒起來等。

在早年求學(xué)成長的歷程中，肖旸跟隨導(dǎo)師堅持戰(zhàn)斗在煤炭工業(yè)防災(zāi)減災(zāi)的第一線?！皶r刻準(zhǔn)備著，隨時出發(fā)”是他多年來的工作和生活狀態(tài)。為了最大限度減輕災(zāi)害，肖旸團隊做了很多努力。煤火到底是怎么形成的？一旦形成后，多長時間會蔓延多大區(qū)域？在不同的礦井下，具有哪些不同的特點和特征？這些都是肖旸團隊多年探索的問題，他們致力于將這些問題研究明白，最終將研究技術(shù)應(yīng)用到礦山的防災(zāi)減災(zāi)上。

應(yīng)用在王家?guī)X礦山的皮帶災(zāi)變預(yù)警系統(tǒng)就是他們?yōu)楸苊饣馂?zāi)污染區(qū)域及危害程度擴大化，保障礦井安全生產(chǎn)和井下工作人員生命安全而研發(fā)的。據(jù)肖旸介紹，位于山西境內(nèi)的王家?guī)X煤礦，由于通風(fēng)系統(tǒng)和皮帶運輸系統(tǒng)不能獨立運行，又受限于礦山的地質(zhì)地形等因素，位于井下的皮帶運輸里程又非常長，“在這么長距離的運輸過程中，煤自燃很容易發(fā)生”。一旦有著火點，很快就會蔓延到整個礦井，“這個時間，據(jù)不完全統(tǒng)計，一般只需10到30分鐘”。

在這種情況下，肖旸團隊結(jié)合礦井的開拓開采布局及生產(chǎn)計劃，從災(zāi)變前的預(yù)警和災(zāi)變后的控制兩方面著手，將火災(zāi)監(jiān)測、火災(zāi)模擬與風(fēng)流穩(wěn)定性研究和礦井通風(fēng)系統(tǒng)自動控制技術(shù)研發(fā)進行有機結(jié)合，收獲了一系列創(chuàng)新成果。他們針對王家?guī)X煤礦皮帶巷通風(fēng)系統(tǒng)進行解算，確定出風(fēng)流狀態(tài)表征參數(shù)，識別出相應(yīng)的隱患位置，構(gòu)建了皮帶災(zāi)變預(yù)警指標(biāo)體系，為災(zāi)變設(shè)施的布置和聯(lián)動控風(fēng)提供理論基礎(chǔ)和依據(jù)。他們還研發(fā)了具備地面遠程控制和本地控制功能的密閉防火救災(zāi)風(fēng)門，實現(xiàn)了皮帶巷風(fēng)流的局部分段控制和應(yīng)急救災(zāi)決策支持，提升了皮帶巷通風(fēng)系統(tǒng)的抗災(zāi)能力。

肖旸將相關(guān)技術(shù)稱為“智能分段控制技術(shù)”。其實質(zhì)是通過研究火災(zāi)時期風(fēng)流的流動規(guī)律，提出合理的災(zāi)變后的風(fēng)流控制方案和技術(shù)，以提高通風(fēng)系統(tǒng)、皮帶系統(tǒng)和礦井的抗災(zāi)減災(zāi)能力。這一技術(shù)在王家?guī)X礦山實施后，收效甚好，隨后迅速在中煤集團得到了廣泛推廣和應(yīng)用，為礦井防火減災(zāi)提供了新的技術(shù)支撐。

從被動滅控到主動預(yù)防，為雙碳目標(biāo)躬身前行

常年行走在煤火災(zāi)害治理第一線，讓肖旸無比痛心的是，煤火災(zāi)害治理的速度趕不上發(fā)生的速度，“一旦煤層發(fā)火，不僅僅是資源、財產(chǎn)的損失，更是鮮活生命的消失和無盡的生態(tài)災(zāi)難”。肖旸團隊開始思考并實踐煤火災(zāi)害的預(yù)防、預(yù)警，以及煤火災(zāi)害發(fā)生后的生態(tài)治理問題。

預(yù)測預(yù)警是煤火災(zāi)害治理的前移，目的是將煤火災(zāi)害消滅在萌芽狀態(tài)。用肖旸的話說，就是“將煤火災(zāi)害發(fā)生的條件破壞掉”。那么，煤火災(zāi)害發(fā)生的條件有哪些呢？肖旸團隊將目標(biāo)鎖定在了煤火災(zāi)害形成演化臨界指標(biāo)的研究上。

肖旸團隊首先研究了“煤火貧氧持續(xù)演化判定模型及時空遷移動力學(xué)特性”。在這項研究中，他們模擬了煤火的發(fā)展演化過程。這一演化過程以典型的煤火區(qū)域為研究對象，肖旸團隊通過自主研發(fā)的大型三維煤火發(fā)展演化相似模擬實驗系統(tǒng)，結(jié)合色譜技術(shù)、熱分析技術(shù)、分子動力學(xué)仿真技術(shù)等，構(gòu)建了煤火持續(xù)演化動力學(xué)模型。這一模型，模擬再現(xiàn)了煤火的動態(tài)發(fā)展過程，為肖旸團隊研究煤火災(zāi)害發(fā)生的臨界條件提供了可行的實驗環(huán)境。

搭建了實驗環(huán)境后，肖旸團隊進一步研究了煤火貧氧燃燒過程中高溫區(qū)域的演化規(guī)律及時空遷移特性，構(gòu)建了高溫區(qū)域擴散遷移數(shù)學(xué)模型。同時，結(jié)合煤貧氧燃燒熱聚散特征，他們構(gòu)建了煤貧氧燃燒持續(xù)演化非穩(wěn)態(tài)放熱模型，充分考慮煤火區(qū)域的地質(zhì)、環(huán)境等特點，最終確定了煤火貧氧燃燒持續(xù)發(fā)展的臨界放熱條件，給出維持其發(fā)展演化和復(fù)燃的臨界氧濃度和熱效應(yīng)指數(shù)。同時，反過來對該假說進行驗證和進一步修正完善，為煤火災(zāi)害預(yù)測及其防治提供了基礎(chǔ)和依據(jù)。

演化判定模型及遷移動力學(xué)特性的確定，為煤火災(zāi)害的智能防控奠定了堅實的基礎(chǔ)。接下來的研究，肖旸一方面在前端災(zāi)害預(yù)防上下功夫，一方面在后端生態(tài)修復(fù)上想辦法。在防災(zāi)前端上，他們解決的另一個突出問題是“一個矛盾的存在”。肖旸這樣解釋道：“煤火災(zāi)害更危險的是引發(fā)井下瓦斯爆炸，瓦斯和煤火治理就是一對矛盾的存在。煤礦開采完之后，要把工作面封閉起來。封閉后的工作面，氧氣進不去，火沒有了氧氣，就不會燃燒。但是，封閉工作面的同時，也把瓦斯封閉在了采空區(qū)里面。封閉的環(huán)境，恰恰是瓦斯的極好積聚空間，從而極大地增加了瓦斯爆炸的危險?！?/p>

如何找到平衡點？肖旸團隊提出了“礦井火區(qū)瓦斯爆炸危險性動態(tài)判識方法”。通過研究低氧環(huán)境下，不同燃燒程度的煤在不同區(qū)域，如采空區(qū)、巷道等，產(chǎn)生的氣體組分及濃度分布規(guī)律，得到可燃可爆氣體的動態(tài)量化指標(biāo)。肖旸解釋道：“礦井火區(qū)產(chǎn)生的可燃可爆氣體主要有CH4、CO、C2H4、C2H6、C2H2等，這些氣體混合使其爆炸極限發(fā)生改變，爆炸條件、爆炸過程、爆炸特征更加復(fù)雜。同時，火區(qū)也存在大量的惰性氣體，如二氧化碳、氮氣等，它們對瓦斯爆炸具有抑制作用。因此，它們之間一定有一個臨界的指標(biāo)?！毙D團隊建立的，正是這個指標(biāo)體系。同時，他們還建立了礦井火區(qū)瓦斯爆炸危險性預(yù)測模型，提出了礦井火區(qū)瓦斯爆炸危險性判定準(zhǔn)則，從而為礦井火區(qū)瓦斯爆炸危險性動態(tài)預(yù)警系統(tǒng)的建立提供了基礎(chǔ)保障。

在防災(zāi)后端上，肖旸團隊將研究重點放在了煤炭燃燒釋放的有毒有害氣體對環(huán)境的影響和治理上。“煤炭氧化和燃燒過程中，會產(chǎn)生大量的二氧化碳、甲烷等溫室氣體，一氧化碳、二氧化硫、一氧化氮等有毒有害氣體，以及汞、鉛、鎳、鎘等重金屬及粉塵污染物，從而造成大氣污染、水污染、土壤污染等，進而威脅人類的身體健康。同時，地下煤層燃燒也會造成上覆煤、巖體熱破壞，引起上覆巖層失穩(wěn)破壞，導(dǎo)致地表塌陷，引起嚴(yán)重的環(huán)境和生態(tài)問題。由于大氣環(huán)流作用，煤火災(zāi)害產(chǎn)生的大量有毒有害氣體也會長期地影響局部乃至全球范圍內(nèi)的空氣質(zhì)量?！被诖?，肖旸團隊將在碳達峰、碳中和目標(biāo)下，就如何才能減少有毒有害污染物的排放，減少排放帶來的損失和環(huán)境效應(yīng)，作為煤炭領(lǐng)域防災(zāi)減災(zāi)的又一項重要研究。

從被動滅控到主動預(yù)防，肖旸和團隊為了雙碳目標(biāo)繼續(xù)躬身前行。

學(xué)高為師身正為范，與祖國棟梁一起成長

煤火相關(guān)研究領(lǐng)域里的各大研究所、高等院校、國際會議論壇……在煤炭災(zāi)害防治交流和研究的各個場所，經(jīng)?？梢钥吹叫D和他的團隊成員，還有他的學(xué)生的身影。是他們，一起構(gòu)成了我國煤炭安全治理研究戰(zhàn)線上的一抹清新綠色。

肖旸是一位研究者，更是一位學(xué)高為師、身正為范的好老師。“老師因材施教，與同學(xué)們共同成長，他帶給我們的影響是我們今生最大的財富?！边@是學(xué)生對他的評價。作為師者，肖旸有兩把撒手锏，一是引導(dǎo)、交流，二是以身示范。引導(dǎo)學(xué)生，在他看來就是要根據(jù)學(xué)生的具體情況，如他適合做什么，能不能去做，后面怎么做等，形成一個系統(tǒng)的、具有個人特色的培養(yǎng)方案；而以身示范就是要通過自己的親身踐行，給學(xué)生做一個良好的表率。

交流與溝通，是肖旸做得最多的事，“做科研相對來說比較枯燥，經(jīng)常交流溝通，氛圍也就起來了。其實科研好多時候就講的是靈感和頓悟。可能你自己冥思苦想怎么也想不出來，但一通過交流產(chǎn)生碰撞，就豁然開朗了?！币驗檎J(rèn)識到學(xué)術(shù)溝通交流的重要性，所以他致力于培養(yǎng)學(xué)生在這一方面的能力?！敖M會交流對學(xué)生也很重要。怎么做？怎么實現(xiàn)？怎么考慮？很多思想都是在這種溝通或交流中產(chǎn)生的。一個人坐在那里閉門造車，效果就很不好。跟學(xué)生交流，是培養(yǎng)學(xué)生的一種方法。”

團隊合影

在肖旸的團隊里，強調(diào)的一個重要研究品質(zhì)就是獨立。在肖旸看來，學(xué)生往往有依賴?yán)蠋煹牧?xí)慣。但是，交流可以促進學(xué)生自己解決問題。當(dāng)他們自己摸索著去解決問題的時候，不但有了解決問題的意識，而且學(xué)會了遇到困難找突破口、找路徑的方法。這種解決問題的勇氣和能力，在交流和實踐中更容易培養(yǎng)。

對肖旸來說，學(xué)習(xí)交流的方式是摸索出來的，更來自于師承?；貞浧鹱约旱亩鲙熜炀式淌?，肖旸含淚講了三個故事——

第一個故事發(fā)生在寧夏白芨溝煤礦。接到煤礦瓦斯爆炸的事故報告后，徐老師立刻啟程。那天，瓦斯爆炸從晚上開始到第二天早上，不到24小時爆炸達到200多次。為了搞清楚爆炸情況，徐老師堅守在現(xiàn)場，用地面灌水淹滅火區(qū)的方法，很快控制了災(zāi)害。那次爆炸，零傷亡。

第二個故事發(fā)生在東北的一個煤礦。井下到地面有600米，晚上發(fā)生了透水事故。工作面的水，一直上升到井口。剛剛完成防火工程的徐老師，二話不說，帶著他的團隊立刻投入到了透水事故的救援中。

第三個故事發(fā)生在2005年，在前往全國重點煤礦安全技術(shù)會診的路上，徐老師擔(dān)任第8組副組長。由于剛剛參加完甘肅一個煤礦的安全考察，需要在晚上趕路。結(jié)果，非常不幸的是路上發(fā)生了車禍。徐老師保護好了他的學(xué)生，自己卻犧牲了……

“徐老師把自己的青春熱血甚至生命全部獻給了煤炭安全治理事業(yè)，也留下了寶貴的煤炭人精神，永遠陪伴著我們?！睅е@筆寶貴的精神財富，走在新時代煤炭安全治理的大路上，肖旸帶領(lǐng)著他的團隊，繼續(xù)大步向前……