科技日报记者 宋迎迎 通讯员 韩洪烁 路文辉
新疆乌东煤矿的井下巷道里，高压水顺着钻孔缓缓注入煤体，监测屏上的曲线一点点逼近设计指标。守在井口的工程师们屏住呼吸。
几分钟后，山东科技大学（以下简称“山东科大”）安全与环境工程学院教授王刚的声音从井下传来，只两个字：“成了。”
这一声“成了”，背后是十余年的科研攻关。为解出这道题，王刚带领团队研发出深部低渗煤层“爆裂—强渗”机制与智能防灾关键技术。不久前，该成果获山东省科技进步奖一等奖。
为什么要往煤层里注水？
在煤矿，瓦斯积聚易引发爆炸，粉尘则可能导致尘肺病。往煤层注水，驱走瓦斯、压住粉尘，是从源头防灾最朴素也最有效的办法之一。
可这道“送水题”，并不好解。
“难就难在，如何让水在煤体内部流动起来。”王刚介绍，我国煤炭开采已逐步进入“深井时代”，坚硬低渗煤层赋存比例近18%。这类煤体内部藏着许多肉眼难辨的裂缝，像一座“地下迷宫”，每条裂缝的走向、宽窄、连通各不相同。在这种情况下看煤，像隔着一层毛玻璃。看不清，就找不到注水的路。
为把煤体内部裂缝真正看清楚，王刚带着团队扎进实验室，历时一年多自主研发了实时加载X-CT扫描系统，将CT图像分辨率提高到0.7微米。
为尽量避开切割、研磨对煤样边缘的扰动，他们又从扫描结果中连续选取数百张内部切片，一层层寻找煤体内部裂缝。
最终，团队攻克煤体微小裂缝识别难题。该识别方法的识别精度较传统方法提高50%，最小能识别到0.2微米的裂缝——大约相当于一根头发丝直径的两百分之一。
在这般极细微的尺度上，煤体内部纵横交错的孔裂隙网络纤毫毕现，原本模糊不清的“地下迷宫”第一次被精准绘制出来。
看清缝隙后，还要算准不同煤体的注水难易程度。煤体内部的孔隙形状不规则，通道弯弯曲曲，传统达西定律在这里失灵。没有现成公式，团队只能从头推导，实验室的黑板写了擦、擦了写。经过一遍遍验算，团队创立深部低渗煤层“爆裂—强渗”改造技术理论，揭示水力压裂、精细爆破过程中煤体应力、结构与渗流之间的作用关系，将理论解算与实验结果误差控制在10%以内。
理论突破只是第一步，装备层面的突破同样关键。团队研制了分级致裂一体化装备和分区精准注水装备，将参数控制响应时间由5分多钟缩短至秒级。
目前，团队已为我国14个大型煤炭基地的主采煤层做了“注水难易体检”，构建了一套注水难易程度评价指标，并配套研制微乳液和改性纳米材料，让原本难注水的煤层敞开“大门”。
实验室里的“看清”、黑板上的“算准”，最终都要到现场“用上”。在新疆乌东煤矿现场试验时，环境比预想更复杂，预裂效果远未达标。王刚召集王恩茂、解树亮等团队成员连夜“头脑风暴”，逐点分析原因。历时两周，团队提出“预先水力压裂增加自由面、控制爆破强化裂隙扩展”的改造方法，形成协同改造工艺。效果立竿见影：预裂半径从单一爆破的3—5米提升至7—10米。
目前，这套技术体系已在山东能源集团、国家能源集团等大型矿业集团的68对矿井推广应用。数据显示，应用后，坚硬顶煤回收率提高5—10个百分点，煤层瓦斯预抽率提高至70%以上，煤层注水源头减尘率由20%—30%提升至40%—50%。
（韩洪烁 摄）
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