科技日报记者 朱虹
“3号监测点负压稳定在12kPa，瓦斯浓度75%；无法接收到7号监测点数据，疑似钻孔孔内出现局部塌孔……”4月7日，山西省保德县，国家能源集团保德煤矿井下监控台前，技术员紧盯实时跳动的监测数据，超千米定向钻孔的瓦斯流动、孔壁状态一目了然。
曾经，超长煤层钻孔如同地下“盲管”，孔内状况全靠孔口数据推算；如今，一套被称作深孔“胃镜”的原位监测技术，让3453米世界纪录级超长钻孔彻底“透明”。这项由黑龙江科技大学与保德煤矿联合攻关取得的新突破，源于一次颠覆行业惯性的理论与技术创新——用逆向思维，解开煤矿大区域超前瓦斯治理的“黑箱”难题。
从“推不进”到“拉得进”的逆向破局
要读懂这项技术创新，必须先看清它破解的行业“死穴”。
煤层开采前，井下往往富集高压高浓度瓦斯，直接回采极易引发安全事故。必须先施工抽采钻孔，将瓦斯压力与含量降至安全标准，再开展采掘作业。常规煤层钻孔仅一两百米，而保德煤矿推行大区域瓦斯治理，一钻就是千米以上，最深达3453米，创下当今世界煤矿定向钻进的孔深纪录。
超长钻孔也埋下致命短板：传统监测只能在孔口测一组数据，再用公式往孔内“推演”“估算”。千米乃至几千米深处的瓦斯压力、流量、浓度全凭间接推算，既看不见，也测不准。孔内是否堵塞、瓦斯真实流动规律如何，统统未知。
“这就像我们只在黄河入海口测一个总流量，不知道沿途无数支流从哪里汇入、汇入多少。”黑龙江科技大学副校长张保勇比喻道。超长钻孔是干流，煤层裂隙是支流，只测孔口，根本无法知晓哪段有瓦斯、哪段有积水、哪段已失效。
国际主流技术采用正向推送传感器，但受钻进技术、阻力、空间、成本等限制，最深仅达800米，且单套成本超百万元。也就是说，3000米级钻孔始终是行业“死穴”。
2020年，张保勇接下这道行业“无解之题”。连续两周，他夜不能寐，满脑子都是那根3000多米长、直径仅10厘米、弯弯曲曲的地下孔道。
“所有人都在想怎么把设备从孔口往里推。我突然意识到，这条路本身就是死胡同。”张保勇创新的灵光，来自辩证思维与逆向思维。他在党校学习中深受启发：解决关键问题，不能顺着老路硬闯，而要换维度、换视角。
于是，张保勇跳出煤炭行业的惯性，联想到建筑领域过江隧道、地下管道施工中的定向钻进与回拖技术：既然正向推送寸步难行，为什么不等钻孔完全贯通从另一头把监测系统“逆向拉进去”？
“对正向来说是3000米禁区，对逆向来说则是起点。”带着这一破局思路，张保勇带领团队构建出超长钻孔原位牵拉式多参数监测理论。“我们不是送一个哨兵进去，而是拉进一长串鞭炮，从头到尾铺满全孔。”他解释道，这串“鞭炮”上布设多个监测点位，关键深度全覆盖，实现全孔段、全流程、全生命周期监测，不再局限于单点瞬时数据。
“以前是给钻孔‘号脉’，只摸手腕；现在是做‘胃镜’，直接看遍整个孔道。”张保勇将其命名为深孔“胃镜”。
这一理论实现三大突破：把监测范围从孔口延伸至全孔，把估算数据替换为真实数据，把百万级单点成本降至规模化可承受水平。它第一次在理论上证明：超长钻孔可以从“黑箱”变成“明盒”，把过去“一孔一测、一时一测”，变成“一孔全测、全程在线”。
千米井下的穿针引线
很少有人知道，这项世界级突破，是从一条横贯校园的“管道长龙”开始的。
在黑龙江科技大学，南门到东江桥的道路上，曾静静铺着一条延绵数千米的软管。路人眼中的奇特风景，正是团队决胜井下的终极考场。为找到能下3000多米深井、抗拉抗压、阻燃抗造的柔性材料，团队先后筛选几万米不同型号的材料，完成上百次抗拉抗压试验。当车辆来回碾压，柔性材料始终完好不变形，最合适的材料终于问世。
材料过关，真正的极限考验才刚刚开始。将重一吨、长3000多米的整套监测装置，送入直径仅10厘米、蜿蜒曲折的煤层钻孔，这是全球从未有人实现的工程挑战。
矿井垂深超600米，巷道湿度接近100%，阴冷刺骨、煤尘弥漫，施工空间逼仄。这一吨多重的线盘没有大型吊装设备，团队就在巷道顶板牢固安装手拉葫芦，将沉重线盘一点点悬空吊起、精准对接支架。
最紧张的，是3000多米牵拉的“生死较量”。“牵拉必须慢，一天只能推进200到300米，绝对快不得。”团队骨干、黑龙江科技大学安全工程学院教授刘传海说。钻孔弯曲起伏，孔壁粗糙不平，整套装置又长又重，一旦拉快了，阻力瞬间失控，轻则磨损刮伤，重则直接拉断，前功尽弃。
就这样，钻杆一根根卸，装置一米米挪。一套装置布设，全队屏息奋战了十余天。
当监测装置即将探出孔口，胜利近在咫尺，谁知意外突然到来。就在钻机微调定位的瞬间，牵拉端受力平衡骤破，突发崩断，一吨多重的装置瞬间回弹，狠狠缩入孔内。十余天的日夜坚守，悬于一线。
没有慌乱，团队紧急启动应急方案，将自主研制的打捞装置送入孔内，精准正反转、缠绕咬合、牢牢锁紧，死死抓住回弹的监测装置。队员们顶着疲惫与高压连续奋战，最终将整套装置精准对接、完整打捞、一次成功。
当第一组稳定清晰的孔内数据传回地面，现场爆发出长久欢呼。他们在千米井下，打赢了这场不可能的“穿针硬仗”。
数智领航让地下变“透明”
随着深孔“胃镜”把孔内真实数据带回地面，“建模攻坚”正式打响。如何让零散数据变成可预测、可决策、可预警的智能能力，成为团队新的挑战。
钻孔内瓦斯、水、煤岩三相耦合，流场与应力场相互交织。团队接连遭遇瓶颈：多场耦合方程不收敛、煤岩物性不匹配、现场工况无法还原，模型始终与实际对不上。队员们白天整理井下海量数据，晚上调试程序、重构方程，在无数次推倒重来中寻找破局路径。
刘传海说：“传统模型用的都是孔口推算数据，放到超长钻孔里完全不适用，必须用孔内真实测点重新锚定，才能把模型建准。”团队坚持以实测数据为硬约束，将气、液、固多物理场耦合嵌入模型，历经上百次调试，终于建成超长钻孔全生命周期瓦斯流动精准模型，第一次实现了从“测得出”到“算得准”的跨越。
“这套模型能够精准圈定瓦斯抽采影响范围，科学预判抽采所需周期，直观评判治理是否达标、何时达标，整体预测精度误差可控制在5—6米以内。”张保勇告诉记者，以往煤矿判断瓦斯是否抽采达标，必须额外施工验证钻孔、取样测压，成本高、耗时长。如今无需重复打钻，仅凭系统数据就能科学决策。
地下千米，煤海奔涌；创新之光，穿透黑暗。目前，团队正加快数据整理与理论提炼，全力构建应力与抽采双重耦合的超长钻孔布设新理论；同时持续推进系统智能化升级，向着远程调控、自动预警、智能优化的无人化治理目标稳步迈进。
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