走在煤炭安全治理的大路上<br/>——记西安科技大学教授肖旸及其团队

走在煤炭安全治理的大路上
——记西安科技大学教授肖旸及其团队

2022-01-21许明阳

科学中国人 2021年26期

许明阳

肖旸

煤炭是人类非常重要的一次性能源。但是，有煤的地方就有煤火隐患。英国《新科学家》指出，自燃煤火已经成为全球性的灾难。

从1998年至今，肖旸一直走在煤炭工业防灾减灾的路上，他将煤火灾害机理及其防治技术的研究与应用作为自己终身的事业，投入了巨大的精力。经过20多年的努力，肖旸已经成为“胡杨学者”特聘教授、英国皇家化学学会会士、英国工程技术学会会士、国家科技专家库成员、陕西煤矿安全监察局煤矿安全生产专家，为煤火治理和预防作出了重大贡献，已完成国家和省级课题二十余项，获得国家发明专利授权7项，学术论文影响因子累计近300。

新时代，肖旸把煤火灾害治理由中端向前延伸到隐患预防和预警，将灾害消灭在萌芽状态；向后端延展到环境的保护和治理，为碳中和、碳达峰作出自己的贡献……

治理煤火灾害，努力走在世界前列

20世纪末，肖旸高中毕业后顺利进入湘潭工学院，成为煤炭工业领域的一名尖兵。2002年他进入西安科技大学进一步深造，师从徐精彩教授和李树刚教授，从此步入煤炭灾害治理领域，成为一名科研战线上的“救火队员”。目前，肖旸已成为邓军教授带领的煤火灾害防治教育部创新团队和中国煤炭工业创新团队的核心成员。

肖旸一入校，就跟着导师到各大煤矿井下考察、学习。所以，他很早就意识到煤炭灾害治理任重道远。“煤火是煤炭灾害中最频发的一种，受其赋存条件、开采技术及煤炭自身特性等因素影响，世界主要产煤国家，如美国、印度、南非等都面临煤火灾害的问题。”肖旸说道。煤火灾害是全球共同面临的灾害问题。煤田火灾，更是被称为“世界五大生态灾难”之一。

据肖旸介绍，煤火灾害不仅发生在地下，还常发生在近地表、地面。在跟着导师学习的过程中，他就曾在现场看到过各种形式的煤火：如煤矿井下采空区自燃、地表露头煤层自燃；煤炭运输码头、车站发生自燃；煤化工企业原料煤仓发生自燃火灾；堆在地面的煤矸石，达到燃烧条件，整座山都能燃烧起来等。

在早年求学成长的历程中，肖旸跟随导师坚持战斗在煤炭工业防灾减灾的第一线。“时刻准备着，随时出发”是他多年来的工作和生活状态。为了最大限度减轻灾害，肖旸团队做了很多努力。煤火到底是怎么形成的？一旦形成后，多长时间会蔓延多大区域？在不同的矿井下，具有哪些不同的特点和特征？这些都是肖旸团队多年探索的问题，他们致力于将这些问题研究明白，最终将研究技术应用到矿山的防灾减灾上。

应用在王家岭矿山的皮带灾变预警系统就是他们为避免火灾污染区域及危害程度扩大化，保障矿井安全生产和井下工作人员生命安全而研发的。据肖旸介绍，位于山西境内的王家岭煤矿，由于通风系统和皮带运输系统不能独立运行，又受限于矿山的地质地形等因素，位于井下的皮带运输里程又非常长，“在这么长距离的运输过程中，煤自燃很容易发生”。一旦有着火点，很快就会蔓延到整个矿井，“这个时间，据不完全统计，一般只需10到30分钟”。

在这种情况下，肖旸团队结合矿井的开拓开采布局及生产计划，从灾变前的预警和灾变后的控制两方面着手，将火灾监测、火灾模拟与风流稳定性研究和矿井通风系统自动控制技术研发进行有机结合，收获了一系列创新成果。他们针对王家岭煤矿皮带巷通风系统进行解算，确定出风流状态表征参数，识别出相应的隐患位置，构建了皮带灾变预警指标体系，为灾变设施的布置和联动控风提供理论基础和依据。他们还研发了具备地面远程控制和本地控制功能的密闭防火救灾风门，实现了皮带巷风流的局部分段控制和应急救灾决策支持，提升了皮带巷通风系统的抗灾能力。

肖旸将相关技术称为“智能分段控制技术”。其实质是通过研究火灾时期风流的流动规律，提出合理的灾变后的风流控制方案和技术，以提高通风系统、皮带系统和矿井的抗灾减灾能力。这一技术在王家岭矿山实施后，收效甚好，随后迅速在中煤集团得到了广泛推广和应用，为矿井防火减灾提供了新的技术支撑。

从被动灭控到主动预防，为双碳目标躬身前行

常年行走在煤火灾害治理第一线，让肖旸无比痛心的是，煤火灾害治理的速度赶不上发生的速度，“一旦煤层发火，不仅仅是资源、财产的损失，更是鲜活生命的消失和无尽的生态灾难”。肖旸团队开始思考并实践煤火灾害的预防、预警，以及煤火灾害发生后的生态治理问题。

预测预警是煤火灾害治理的前移，目的是将煤火灾害消灭在萌芽状态。用肖旸的话说，就是“将煤火灾害发生的条件破坏掉”。那么，煤火灾害发生的条件有哪些呢？肖旸团队将目标锁定在了煤火灾害形成演化临界指标的研究上。

肖旸团队首先研究了“煤火贫氧持续演化判定模型及时空迁移动力学特性”。在这项研究中，他们模拟了煤火的发展演化过程。这一演化过程以典型的煤火区域为研究对象，肖旸团队通过自主研发的大型三维煤火发展演化相似模拟实验系统，结合色谱技术、热分析技术、分子动力学仿真技术等，构建了煤火持续演化动力学模型。这一模型，模拟再现了煤火的动态发展过程，为肖旸团队研究煤火灾害发生的临界条件提供了可行的实验环境。

搭建了实验环境后，肖旸团队进一步研究了煤火贫氧燃烧过程中高温区域的演化规律及时空迁移特性，构建了高温区域扩散迁移数学模型。同时，结合煤贫氧燃烧热聚散特征，他们构建了煤贫氧燃烧持续演化非稳态放热模型，充分考虑煤火区域的地质、环境等特点，最终确定了煤火贫氧燃烧持续发展的临界放热条件，给出维持其发展演化和复燃的临界氧浓度和热效应指数。同时，反过来对该假说进行验证和进一步修正完善，为煤火灾害预测及其防治提供了基础和依据。

演化判定模型及迁移动力学特性的确定，为煤火灾害的智能防控奠定了坚实的基础。接下来的研究，肖旸一方面在前端灾害预防上下功夫，一方面在后端生态修复上想办法。在防灾前端上，他们解决的另一个突出问题是“一个矛盾的存在”。肖旸这样解释道：“煤火灾害更危险的是引发井下瓦斯爆炸，瓦斯和煤火治理就是一对矛盾的存在。煤矿开采完之后，要把工作面封闭起来。封闭后的工作面，氧气进不去，火没有了氧气，就不会燃烧。但是，封闭工作面的同时，也把瓦斯封闭在了采空区里面。封闭的环境，恰恰是瓦斯的极好积聚空间，从而极大地增加了瓦斯爆炸的危险。”

如何找到平衡点？肖旸团队提出了“矿井火区瓦斯爆炸危险性动态判识方法”。通过研究低氧环境下，不同燃烧程度的煤在不同区域，如采空区、巷道等，产生的气体组分及浓度分布规律，得到可燃可爆气体的动态量化指标。肖旸解释道：“矿井火区产生的可燃可爆气体主要有CH4、CO、C2H4、C2H6、C2H2等，这些气体混合使其爆炸极限发生改变，爆炸条件、爆炸过程、爆炸特征更加复杂。同时，火区也存在大量的惰性气体，如二氧化碳、氮气等，它们对瓦斯爆炸具有抑制作用。因此，它们之间一定有一个临界的指标。”肖旸团队建立的，正是这个指标体系。同时，他们还建立了矿井火区瓦斯爆炸危险性预测模型，提出了矿井火区瓦斯爆炸危险性判定准则，从而为矿井火区瓦斯爆炸危险性动态预警系统的建立提供了基础保障。

在防灾后端上，肖旸团队将研究重点放在了煤炭燃烧释放的有毒有害气体对环境的影响和治理上。“煤炭氧化和燃烧过程中，会产生大量的二氧化碳、甲烷等温室气体，一氧化碳、二氧化硫、一氧化氮等有毒有害气体，以及汞、铅、镍、镉等重金属及粉尘污染物，从而造成大气污染、水污染、土壤污染等，进而威胁人类的身体健康。同时，地下煤层燃烧也会造成上覆煤、岩体热破坏，引起上覆岩层失稳破坏，导致地表塌陷，引起严重的环境和生态问题。由于大气环流作用，煤火灾害产生的大量有毒有害气体也会长期地影响局部乃至全球范围内的空气质量。”基于此，肖旸团队将在碳达峰、碳中和目标下，就如何才能减少有毒有害污染物的排放，减少排放带来的损失和环境效应，作为煤炭领域防灾减灾的又一项重要研究。

从被动灭控到主动预防，肖旸和团队为了双碳目标继续躬身前行。

学高为师身正为范，与祖国栋梁一起成长

煤火相关研究领域里的各大研究所、高等院校、国际会议论坛……在煤炭灾害防治交流和研究的各个场所，经常可以看到肖旸和他的团队成员，还有他的学生的身影。是他们，一起构成了我国煤炭安全治理研究战线上的一抹清新绿色。

肖旸是一位研究者，更是一位学高为师、身正为范的好老师。“老师因材施教，与同学们共同成长，他带给我们的影响是我们今生最大的财富。”这是学生对他的评价。作为师者，肖旸有两把撒手锏，一是引导、交流，二是以身示范。引导学生，在他看来就是要根据学生的具体情况，如他适合做什么，能不能去做，后面怎么做等，形成一个系统的、具有个人特色的培养方案；而以身示范就是要通过自己的亲身践行，给学生做一个良好的表率。

交流与沟通，是肖旸做得最多的事，“做科研相对来说比较枯燥，经常交流沟通，氛围也就起来了。其实科研好多时候就讲的是灵感和顿悟。可能你自己冥思苦想怎么也想不出来，但一通过交流产生碰撞，就豁然开朗了。”因为认识到学术沟通交流的重要性，所以他致力于培养学生在这一方面的能力。“组会交流对学生也很重要。怎么做？怎么实现？怎么考虑？很多思想都是在这种沟通或交流中产生的。一个人坐在那里闭门造车，效果就很不好。跟学生交流，是培养学生的一种方法。”