科技日报记者 朱 虹
“3号监测点负压稳定在12千帕，无法接收到7号监测点数据，疑似钻孔内出现局部积水……”近日，在位于山西省保德县的国家能源集团保德煤矿井下监控台前，研发人员紧盯实时跳动的监测数据——超千米定向钻孔的多点位瓦斯负压参数。
曾经，超长煤层钻孔如同地下“盲管”，孔内状况多靠孔口数据推算。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流体参数一目了然。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——用逆向思维解决煤矿大区域超前瓦斯治理的“黑箱”难题。
超长钻孔监测存在盲区
要读懂这项技术创新，先要了解瓦斯治理面临的难题。
高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井煤层工作面回采前，煤体赋存的瓦斯含量高，直接回采极易引发安全事故，必须先打好瓦斯抽采钻孔，将瓦斯含量降至安全标准，再开展采掘作业。常规回采工作面顺层钻孔长度一般为两三百米，而国家能源集团煤炭通风工程专业卓越工程师陈殿赋大胆创新，率先在矿区推进大区域瓦斯治理工程，构建了“区域预抽、立体防控”的瓦斯综合治理体系，使得钻孔最深达3453米，创下目前世界煤层定向钻进的孔深纪录。
钻孔深度大幅增加，一道新的难题随之出现，孔内数据如何实现精准测量？
黑龙江科技大学教授张保勇介绍，在超长钻孔应用中，传统监测手段存在致命短板：传统监测一般在孔口测数据，再用公式推演估算孔内情况。国内现有技术无法实现长钻孔正向孔内监测设备下放与有效监测数据反馈。千米乃至几千米孔深的瓦斯压力、流量多是间接推算，且常常无法知晓孔内运行状态、瓦斯真实流动规律。
“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。”张保勇比喻道，超长钻孔如同干流，若只测孔口流体参数，则无法评估孔内不同深度的瓦斯流动差异及抽采效果。
2020年，为攻克瓦斯抽采钻孔孔内流体参数监测难题，张保勇牵头承接攻关任务。连续两周，他满脑子都是那条3000多米长、直径约12厘米、随煤层起伏的超长钻孔。
以往常规思路都是设法将监测设备从孔口向内布设。但受钻进阻力、施工空间、投入成本等条件制约，这种方法不仅设备布设深度十分有限，单套设备的投入成本也居高不下。
“从孔口开始向孔内部正向布设，3000米深处是禁区；但如果逆向布设，那里就是起点。”张保勇创新的灵感，来自辩证思维与逆向思维。
带着这一思路，张保勇带领团队构建出超长钻孔原位牵拉式多参数监测方法。“我们不是送一个哨兵进去，而是拉进一长串‘鞭炮’，布置到钻孔内不同孔段。”这串“鞭炮”上集成了许多监测设备，全面覆盖钻孔关键位置，实现多区段、全过程、全周期精准监测。
“这一方法把监测范围从孔口延伸至孔内多孔段，助力超长钻孔从‘黑箱’变成‘明盒’。”保德煤矿通风办主任张迪说。
千米钻孔的穿针引线
为了找到能下穿3000多米孔深、抗拉抗压、阻燃抗揉的柔性材料，团队先后筛选几万米不同型号的材料，完成上百次力学性能试验。
材料性能过关，真正的极限考验才刚刚开始。将重1吨、长3000多米的整套监测装置，送入直径约12厘米、蜿蜒曲折的煤层钻孔，这是从未实现过的工程挑战。
最紧张的，当属3000多米孔内的牵拉攻坚——这是一场与钻孔工况、设备极限较量。“牵拉必须慢，一天只能推进200米到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，定向钻孔分支点多，整套装置又长又重，一旦拉快了，阻力急剧变化，轻则磨损刮伤，重则直接拉断，前功尽弃。
就这样，钻杆一根根地卸，装置一米米地挪。项目组连续奋战十余天，完成了装置布设。
就在监测装置即将探出孔口、胜利近在咫尺时，意外突然到来。钻机微调定位的瞬间，牵拉端受力平衡被骤然打破，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，联合相关钻进专家，制定打捞方案。队员们顶着疲惫与高压连续奋战，最终将自制打捞装置与孔内原位监测装置精准对接、完整打捞。
当第一组稳定清晰的孔内数据传回，现场爆发出长久欢呼。他们在数百米深井下，打赢了这场不可能的“穿针硬仗”。
建成数字孪生模型
随着深孔“胃镜”把孔内真实数据带回孔口，“建模攻坚战”正式打响。如何让零散数据变成可预测、可决策、可预警的智能助手，成为团队新的挑战。
超长钻孔瓦斯抽采过程是多相流动与多场耦合作用共同影响的结果。团队接连遭遇瓶颈：多场耦合方程不收敛、现场工况无法还原，模型始终与实际数据对不上。为此，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测试的数据，并不匹配在超长钻孔内采集的数据，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，将多物理场耦合机制集成到模型中，历经上百次调试，终于建成超长钻孔全生命周期瓦斯抽采数字孪生模型，第一次实现了从“测得出”到“算得准”的跨越。
我国长钻孔钻进专家李泉新表示，超长钻孔原位监测技术提升了长钻孔“钻—抽—测”全链条价值，为长钻孔瓦斯治理插上了翅膀。
地下数百米，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，全力构建超长钻孔原位监测新理论；同时持续推进系统智能化升级，向着远程调控、自动预警、智能优化的目标稳步迈进。
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