走在煤炭安全治理的大路上
——記西安科技大學教授肖旸及其團隊

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《新科學家》指出，自燃煤火已經成為全球性的災難。

從1998年至今，肖旸一直走在煤炭工業防災減災的路上，他將煤火災害機理及其防治技術的研究與應用作為自己終身的事業，投入了巨大的精力。經過20多年的努力，肖旸已經成為“胡楊學者”特聘教授、英國皇家化學學會會士、英國工程技術學會會士、國家科技專家庫成員、陜西煤礦安全監察局煤礦安全生產專家，為煤火治理和預防作出了重大貢獻，已完成國家和省級課題二十余項，獲得國家發明專利授權7項，學術論文影響因子累計近300。

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

治理煤火災害，努力走在世界前列

20世紀末，肖旸高中畢業后順利進入湘潭工學院，成為煤炭工業領域的一名尖兵。2002年他進入西安科技大學進一步深造，師從徐精彩教授和李樹剛教授，從此步入煤炭災害治理領域，成為一名科研戰線上的“救火隊員”。目前，肖旸已成為鄧軍教授帶領的煤火災害防治教育部創新團隊和中國煤炭工業創新團隊的核心成員。

肖旸一入校，就跟著導師到各大煤礦井下考察、學習。所以，他很早就意識到煤炭災害治理任重道遠?！懊夯鹗敲禾繛暮χ凶铑l發的一種，受其賦存條件、開采技術及煤炭自身特性等因素影響，世界主要產煤國家，如美國、印度、南非等都面臨煤火災害的問題?！毙D說道。煤火災害是全球共同面臨的災害問題。煤田火災，更是被稱為“世界五大生態災難”之一。

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

在早年求學成長的歷程中，肖旸跟隨導師堅持戰斗在煤炭工業防災減災的第一線。“時刻準備著，隨時出發”是他多年來的工作和生活狀態。為了最大限度減輕災害，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，最終將研究技術應用到礦山的防災減災上。

應用在王家嶺礦山的皮帶災變預警系統就是他們為避免火災污染區域及危害程度擴大化，保障礦井安全生產和井下工作人員生命安全而研發的。據肖旸介紹，位于山西境內的王家嶺煤礦，由于通風系統和皮帶運輸系統不能獨立運行，又受限于礦山的地質地形等因素，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，煤自燃很容易發生”。一旦有著火點，很快就會蔓延到整個礦井，“這個時間，據不完全統計，一般只需10到30分鐘”。

在這種情況下，肖旸團隊結合礦井的開拓開采布局及生產計劃，從災變前的預警和災變后的控制兩方面著手，將火災監測、火災模擬與風流穩定性研究和礦井通風系統自動控制技術研發進行有機結合，收獲了一系列創新成果。他們針對王家嶺煤礦皮帶巷通風系統進行解算，確定出風流狀態表征參數，識別出相應的隱患位置，構建了皮帶災變預警指標體系，為災變設施的布置和聯動控風提供理論基礎和依據。他們還研發了具備地面遠程控制和本地控制功能的密閉防火救災風門，實現了皮帶巷風流的局部分段控制和應急救災決策支持，提升了皮帶巷通風系統的抗災能力。

肖旸將相關技術稱為“智能分段控制技術”。其實質是通過研究火災時期風流的流動規律，提出合理的災變后的風流控制方案和技術，以提高通風系統、皮帶系統和礦井的抗災減災能力。這一技術在王家嶺礦山實施后，收效甚好，隨后迅速在中煤集團得到了廣泛推廣和應用，為礦井防火減災提供了新的技術支撐。

從被動滅控到主動預防，為雙碳目標躬身前行

常年行走在煤火災害治理第一線，讓肖旸無比痛心的是，煤火災害治理的速度趕不上發生的速度，“一旦煤層發火，不僅僅是資源、財產的損失，更是鮮活生命的消失和無盡的生態災難”。肖旸團隊開始思考并實踐煤火災害的預防、預警，以及煤火災害發生后的生態治理問題。

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

肖旸團隊首先研究了“煤火貧氧持續演化判定模型及時空遷移動力學特性”。在這項研究中，他們模擬了煤火的發展演化過程。這一演化過程以典型的煤火區域為研究對象，肖旸團隊通過自主研發的大型三維煤火發展演化相似模擬實驗系統，結合色譜技術、熱分析技術、分子動力學仿真技術等，構建了煤火持續演化動力學模型。這一模型，模擬再現了煤火的動態發展過程，為肖旸團隊研究煤火災害發生的臨界條件提供了可行的實驗環境。

搭建了實驗環境后，肖旸團隊進一步研究了煤火貧氧燃燒過程中高溫區域的演化規律及時空遷移特性，構建了高溫區域擴散遷移數學模型。同時，結合煤貧氧燃燒熱聚散特征，他們構建了煤貧氧燃燒持續演化非穩態放熱模型，充分考慮煤火區域的地質、環境等特點，最終確定了煤火貧氧燃燒持續發展的臨界放熱條件，給出維持其發展演化和復燃的臨界氧濃度和熱效應指數。同時，反過來對該假說進行驗證和進一步修正完善，為煤火災害預測及其防治提供了基礎和依據。

演化判定模型及遷移動力學特性的確定，為煤火災害的智能防控奠定了堅實的基礎。接下來的研究，肖旸一方面在前端災害預防上下功夫，一方面在后端生態修復上想辦法。在防災前端上，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：“煤火災害更危險的是引發井下瓦斯爆炸，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里面。封閉的環境，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。”

如何找到平衡點？肖旸團隊提出了“礦井火區瓦斯爆炸危險性動態判識方法”。通過研究低氧環境下，不同燃燒程度的煤在不同區域，如采空區、巷道等，產生的氣體組分及濃度分布規律，得到可燃可爆氣體的動態量化指標。肖旸解釋道：“礦井火區產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生改變，爆炸條件、爆炸過程、爆炸特征更加復雜。同時，火區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?！毙D團隊建立的，正是這個指標體系。同時，他們還建立了礦井火區瓦斯爆炸危險性預測模型，提出了礦井火區瓦斯爆炸危險性判定準則，從而為礦井火區瓦斯爆炸危險性動態預警系統的建立提供了基礎保障。

在防災后端上，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境的影響和治理上。“煤炭氧化和燃燒過程中，會產生大量的二氧化碳、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，引起上覆巖層失穩破壞，導致地表塌陷，引起嚴重的環境和生態問題。由于大氣環流作用，煤火災害產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的空氣質量。”基于此，肖旸團隊將在碳達峰、碳中和目標下，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境效應，作為煤炭領域防災減災的又一項重要研究。

從被動滅控到主動預防，肖旸和團隊為了雙碳目標繼續躬身前行。

學高為師身正為范，與祖國棟梁一起成長

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

肖旸是一位研究者，更是一位學高為師、身正為范的好老師?！袄蠋熞虿氖┙?，與同學們共同成長，他帶給我們的影響是我們今生最大的財富?！边@是學生對他的評價。作為師者，肖旸有兩把撒手锏，一是引導、交流，二是以身示范。引導學生，在他看來就是要根據學生的具體情況，如他適合做什么，能不能去做，后面怎么做等，形成一個系統的、具有個人特色的培養方案；而以身示范就是要通過自己的親身踐行，給學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?？赡苣阕约黑に伎嘞朐趺匆蚕氩怀鰜?，但一通過交流產生碰撞，就豁然開朗了?！币驗檎J識到學術溝通交流的重要性，所以他致力于培養學生在這一方面的能力?！敖M會交流對學生也很重要。怎么做？怎么實現？怎么考慮？很多思想都是在這種溝通或交流中產生的。一個人坐在那里閉門造車，效果就很不好。跟學生交流，是培養學生的一種方法?！?/p>

團隊合影

在肖旸的團隊里，強調的一個重要研究品質就是獨立。在肖旸看來，學生往往有依賴老師的習慣。但是，交流可以促進學生自己解決問題。當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。

對肖旸來說，學習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，徐老師堅守在現場，用地面灌水淹滅火區的方法，很快控制了災害。那次爆炸，零傷亡。

第二個故事發生在東北的一個煤礦。井下到地面有600米，晚上發生了透水事故。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。

第三個故事發生在2005年，在前往全國重點煤礦安全技術會診的路上，徐老師擔任第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。結果，非常不幸的是路上發生了車禍。徐老師保護好了他的學生，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，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，肖旸帶領著他的團隊，繼續大步向前……