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“3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)負(fù)壓穩(wěn)定在12kPa，瓦斯?jié)舛?5%；無(wú)法接收到7號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，疑似鉆孔孔內(nèi)出現(xiàn)局部塌孔……”4月7日，山西省保德縣，國(guó)家能源集團(tuán)保德煤礦井下監(jiān)控臺(tái)前，技術(shù)員緊盯實(shí)時(shí)跳動(dòng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，超千米定向鉆孔的瓦斯流動(dòng)、孔壁狀態(tài)一目了然。

曾經(jīng)，超長(zhǎng)煤層鉆孔如同地下“盲管”，孔內(nèi)狀況全靠孔口數(shù)據(jù)推算；如今，一套被稱(chēng)作深孔“胃鏡”的原位監(jiān)測(cè)技術(shù)，讓3453米世界紀(jì)錄級(jí)超長(zhǎng)鉆孔徹底“透明”。這項(xiàng)由黑龍江科技大學(xué)與保德煤礦聯(lián)合攻關(guān)取得的新突破，源于一次顛覆行業(yè)慣性的理論與技術(shù)創(chuàng)新——用逆向思維，解開(kāi)煤礦大區(qū)域超前瓦斯治理的“黑箱”難題。

從“推不進(jìn)”到“拉得進(jìn)”的逆向破局

要讀懂這項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，必須先看清它破解的行業(yè)“死穴”。

煤層開(kāi)采前，井下往往富集高壓高濃度瓦斯，直接回采極易引發(fā)安全事故。必須先施工抽采鉆孔，將瓦斯壓力與含量降至安全標(biāo)準(zhǔn)，再開(kāi)展采掘作業(yè)。常規(guī)煤層鉆孔僅一兩百米，而保德煤礦推行大區(qū)域瓦斯治理，一鉆就是千米以上，最深達(dá)3453米，創(chuàng)下當(dāng)今世界煤礦定向鉆進(jìn)的孔深紀(jì)錄。

超長(zhǎng)鉆孔也埋下致命短板：傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)只能在孔口測(cè)一組數(shù)據(jù)，再用公式往孔內(nèi)“推演”“估算”。千米乃至幾千米深處的瓦斯壓力、流量、濃度全憑間接推算，既看不見(jiàn)，也測(cè)不準(zhǔn)?？變?nèi)是否堵塞、瓦斯真實(shí)流動(dòng)規(guī)律如何，統(tǒng)統(tǒng)未知。

“這就像我們只在黃河入?？跍y(cè)一個(gè)總流量，不知道沿途無(wú)數(shù)支流從哪里匯入、匯入多少?！焙邶埥萍即髮W(xué)副校長(zhǎng)張保勇比喻道。超長(zhǎng)鉆孔是干流，煤層裂隙是支流，只測(cè)孔口，根本無(wú)法知曉哪段有瓦斯、哪段有積水、哪段已失效。

國(guó)際主流技術(shù)采用正向推送傳感器，但受鉆進(jìn)技術(shù)、阻力、空間、成本等限制，最深僅達(dá)800米，且單套成本超百萬(wàn)元。也就是說(shuō)，3000米級(jí)鉆孔始終是行業(yè)“死穴”。

2020年，張保勇接下這道行業(yè)“無(wú)解之題”。連續(xù)兩周，他夜不能寐，滿腦子都是那根3000多米長(zhǎng)、直徑僅10厘米、彎彎曲曲的地下孔道。

“所有人都在想怎么把設(shè)備從孔口往里推。我突然意識(shí)到，這條路本身就是死胡同?！睆埍Ｓ聞?chuàng)新的靈光，來(lái)自辯證思維與逆向思維。他在黨校學(xué)習(xí)中深受啟發(fā)：解決關(guān)鍵問(wèn)題，不能順著老路硬闖，而要換維度、換視角。

于是，張保勇跳出煤炭行業(yè)的慣性，聯(lián)想到建筑領(lǐng)域過(guò)江隧道、地下管道施工中的定向鉆進(jìn)與回拖技術(shù)：既然正向推送寸步難行，為什么不等鉆孔完全貫通從另一頭把監(jiān)測(cè)系統(tǒng)“逆向拉進(jìn)去”？

“對(duì)正向來(lái)說(shuō)是3000米禁區(qū)，對(duì)逆向來(lái)說(shuō)則是起點(diǎn)。”帶著這一破局思路，張保勇帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)構(gòu)建出超長(zhǎng)鉆孔原位牽拉式多參數(shù)監(jiān)測(cè)理論?！拔覀儾皇撬鸵粋€(gè)哨兵進(jìn)去，而是拉進(jìn)一長(zhǎng)串鞭炮，從頭到尾鋪滿全孔?！彼忉尩?，這串“鞭炮”上布設(shè)多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，關(guān)鍵深度全覆蓋，實(shí)現(xiàn)全孔段、全流程、全生命周期監(jiān)測(cè)，不再局限于單點(diǎn)瞬時(shí)數(shù)據(jù)。

“以前是給鉆孔‘號(hào)脈’，只摸手腕；現(xiàn)在是做‘胃鏡’，直接看遍整個(gè)孔道?！睆埍Ｓ聦⑵涿麨樯羁住拔哥R”。

這一理論實(shí)現(xiàn)三大突破：把監(jiān)測(cè)范圍從孔口延伸至全孔，把估算數(shù)據(jù)替換為真實(shí)數(shù)據(jù)，把百萬(wàn)級(jí)單點(diǎn)成本降至規(guī)?；沙惺芩?。它第一次在理論上證明：超長(zhǎng)鉆孔可以從“黑箱”變成“明盒”，把過(guò)去“一孔一測(cè)、一時(shí)一測(cè)”，變成“一孔全測(cè)、全程在線”。

千米井下的穿針引線

很少有人知道，這項(xiàng)世界級(jí)突破，是從一條橫貫校園的“管道長(zhǎng)龍”開(kāi)始的。

在黑龍江科技大學(xué)，南門(mén)到東江橋的道路上，曾靜靜鋪著一條延綿數(shù)千米的軟管。路人眼中的奇特風(fēng)景，正是團(tuán)隊(duì)決勝井下的終極考場(chǎng)。為找到能下3000多米深井、抗拉抗壓、阻燃抗造的柔性材料，團(tuán)隊(duì)先后篩選幾萬(wàn)米不同型號(hào)的材料，完成上百次抗拉抗壓試驗(yàn)。當(dāng)車(chē)輛來(lái)回碾壓，柔性材料始終完好不變形，最合適的材料終于問(wèn)世。

材料過(guò)關(guān)，真正的極限考驗(yàn)才剛剛開(kāi)始。將重一噸、長(zhǎng)3000多米的整套監(jiān)測(cè)裝置，送入直徑僅10厘米、蜿蜒曲折的煤層鉆孔，這是全球從未有人實(shí)現(xiàn)的工程挑戰(zhàn)。

礦井垂深超600米，巷道濕度接近100%，陰冷刺骨、煤塵彌漫，施工空間逼仄。這一噸多重的線盤(pán)沒(méi)有大型吊裝設(shè)備，團(tuán)隊(duì)就在巷道頂板牢固安裝手拉葫蘆，將沉重線盤(pán)一點(diǎn)點(diǎn)懸空吊起、精準(zhǔn)對(duì)接支架。

最緊張的，是3000多米牽拉的“生死較量”?！盃坷仨毬?，一天只能推進(jìn)200到300米，絕對(duì)快不得?！眻F(tuán)隊(duì)骨干、黑龍江科技大學(xué)安全工程學(xué)院教授劉傳海說(shuō)。鉆孔彎曲起伏，孔壁粗糙不平，整套裝置又長(zhǎng)又重，一旦拉快了，阻力瞬間失控，輕則磨損刮傷，重則直接拉斷，前功盡棄。

就這樣，鉆桿一根根卸，裝置一米米挪。一套裝置布設(shè)，全隊(duì)屏息奮戰(zhàn)了十余天。

當(dāng)監(jiān)測(cè)裝置即將探出孔口，勝利近在咫尺，誰(shuí)知意外突然到來(lái)。就在鉆機(jī)微調(diào)定位的瞬間，牽拉端受力平衡驟破，突發(fā)崩斷，一噸多重的裝置瞬間回彈，狠狠縮入孔內(nèi)。十余天的日夜堅(jiān)守，懸于一線。

沒(méi)有慌亂，團(tuán)隊(duì)緊急啟動(dòng)應(yīng)急方案，將自主研制的打撈裝置送入孔內(nèi)，精準(zhǔn)正反轉(zhuǎn)、纏繞咬合、牢牢鎖緊，死死抓住回彈的監(jiān)測(cè)裝置。隊(duì)員們頂著疲憊與高壓連續(xù)奮戰(zhàn)，最終將整套裝置精準(zhǔn)對(duì)接、完整打撈、一次成功。

當(dāng)?shù)谝唤M穩(wěn)定清晰的孔內(nèi)數(shù)據(jù)傳回地面，現(xiàn)場(chǎng)爆發(fā)出長(zhǎng)久歡呼。他們?cè)谇拙拢蜈A了這場(chǎng)不可能的“穿針硬仗”。

數(shù)智領(lǐng)航讓地下變“透明”

隨著深孔“胃鏡”把孔內(nèi)真實(shí)數(shù)據(jù)帶回地面，“建模攻堅(jiān)”正式打響。如何讓零散數(shù)據(jù)變成可預(yù)測(cè)、可決策、可預(yù)警的智能能力，成為團(tuán)隊(duì)新的挑戰(zhàn)。

鉆孔內(nèi)瓦斯、水、煤巖三相耦合，流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)相互交織。團(tuán)隊(duì)接連遭遇瓶頸：多場(chǎng)耦合方程不收斂、煤巖物性不匹配、現(xiàn)場(chǎng)工況無(wú)法還原，模型始終與實(shí)際對(duì)不上。隊(duì)員們白天整理井下海量數(shù)據(jù)，晚上調(diào)試程序、重構(gòu)方程，在無(wú)數(shù)次推倒重來(lái)中尋找破局路徑。

劉傳海說(shuō)：“傳統(tǒng)模型用的都是孔口推算數(shù)據(jù)，放到超長(zhǎng)鉆孔里完全不適用，必須用孔內(nèi)真實(shí)測(cè)點(diǎn)重新錨定，才能把模型建準(zhǔn)。”團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為硬約束，將氣、液、固多物理場(chǎng)耦合嵌入模型，歷經(jīng)上百次調(diào)試，終于建成超長(zhǎng)鉆孔全生命周期瓦斯流動(dòng)精準(zhǔn)模型，第一次實(shí)現(xiàn)了從“測(cè)得出”到“算得準(zhǔn)”的跨越。

“這套模型能夠精準(zhǔn)圈定瓦斯抽采影響范圍，科學(xué)預(yù)判抽采所需周期，直觀評(píng)判治理是否達(dá)標(biāo)、何時(shí)達(dá)標(biāo)，整體預(yù)測(cè)精度誤差可控制在5—6米以內(nèi)。”張保勇告訴記者，以往煤礦判斷瓦斯是否抽采達(dá)標(biāo)，必須額外施工驗(yàn)證鉆孔、取樣測(cè)壓，成本高、耗時(shí)長(zhǎng)。如今無(wú)需重復(fù)打鉆，僅憑系統(tǒng)數(shù)據(jù)就能科學(xué)決策。

地下千米，煤海奔涌；創(chuàng)新之光，穿透黑暗。目前，團(tuán)隊(duì)正加快數(shù)據(jù)整理與理論提煉，全力構(gòu)建應(yīng)力與抽采雙重耦合的超長(zhǎng)鉆孔布設(shè)新理論；同時(shí)持續(xù)推進(jìn)系統(tǒng)智能化升級(jí)，向著遠(yuǎn)程調(diào)控、自動(dòng)預(yù)警、智能優(yōu)化的無(wú)人化治理目標(biāo)穩(wěn)步邁進(jìn)。