科技日報記者 朱虹

“3號監測點負壓穩定在12kPa，瓦斯濃度75%；無法接收到7號監測點數據，疑似鉆孔孔內出現局部塌孔……”4月7日，山西省保德縣，國家能源集團保德煤礦井下監控臺前，技術員緊盯實時跳動的監測數據，超千米定向鉆孔的瓦斯流動、孔壁狀態一目了然。

曾經，超長煤層鉆孔如同地下“盲管”，孔內狀況全靠孔口數據推算；如今，一套被稱作深孔“胃鏡”的原位監測技術，讓3453米世界紀錄級超長鉆孔徹底“透明”。這項由黑龍江科技大學與保德煤礦聯合攻關取得的新突破，源于一次顛覆行業慣性的理論與技術創新——用逆向思維，解開煤礦大區域超前瓦斯治理的“黑箱”難題。

從“推不進”到“拉得進”的逆向破局

要讀懂這項技術創新，必須先看清它破解的行業“死穴”。

煤層開采前，井下往往富集高壓高濃度瓦斯，直接回采極易引發安全事故。必須先施工抽采鉆孔，將瓦斯壓力與含量降至安全標準，再開展采掘作業。常規煤層鉆孔僅一兩百米，而保德煤礦推行大區域瓦斯治理，一鉆就是千米以上，最深達3453米，創下當今世界煤礦定向鉆進的孔深紀錄。

超長鉆孔也埋下致命短板：傳統監測只能在孔口測一組數據，再用公式往孔內“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，也測不準。孔內是否堵塞、瓦斯真實流動規律如何，統統未知。

“這就像我們只在黃河入海口測一個總流量，不知道沿途無數支流從哪里匯入、匯入多少。”黑龍江科技大學副校長張保勇比喻道。超長鉆孔是干流，煤層裂隙是支流，只測孔口，根本無法知曉哪段有瓦斯、哪段有積水、哪段已失效。

國際主流技術采用正向推送傳感器，但受鉆進技術、阻力、空間、成本等限制，最深僅達800米，且單套成本超百萬元。也就是說，3000米級鉆孔始終是行業“死穴”。

2020年，張保勇接下這道行業“無解之題”。連續兩周，他夜不能寐，滿腦子都是那根3000多米長、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備從孔口往里推。我突然意識到，這條路本身就是死胡同。”張保勇創新的靈光，來自辯證思維與逆向思維。他在黨校學習中深受啟發：解決關鍵問題，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的慣性，聯想到建筑領域過江隧道、地下管道施工中的定向鉆進與回拖技術：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測系統“逆向拉進去”？

“對正向來說是3000米禁區，對逆向來說則是起點。”帶著這一破局思路，張保勇帶領團隊構建出超長鉆孔原位牽拉式多參數監測理論。“我們不是送一個哨兵進去，而是拉進一長串鞭炮，從頭到尾鋪滿全孔。”他解釋道，這串“鞭炮”上布設多個監測點位，關鍵深度全覆蓋，實現全孔段、全流程、全生命周期監測，不再局限于單點瞬時數據。

“以前是給鉆孔‘號脈’，只摸手腕；現在是做‘胃鏡’，直接看遍整個孔道。”張保勇將其命名為深孔“胃鏡”。

這一理論實現三大突破：把監測范圍從孔口延伸至全孔，把估算數據替換為真實數據，把百萬級單點成本降至規模化可承受水平。它第一次在理論上證明：超長鉆孔可以從“黑箱”變成“明盒”，把過去“一孔一測、一時一測”，變成“一孔全測、全程在線”。

千米井下的穿針引線

很少有人知道，這項世界級突破，是從一條橫貫校園的“管道長龍”開始的。

在黑龍江科技大學，南門到東江橋的道路上，曾靜靜鋪著一條延綿數千米的軟管。路人眼中的奇特風景，正是團隊決勝井下的終極考場。為找到能下3000多米深井、抗拉抗壓、阻燃抗造的柔性材料，團隊先后篩選幾萬米不同型號的材料，完成上百次抗拉抗壓試驗。當車輛來回碾壓，柔性材料始終完好不變形，最合適的材料終于問世。

材料過關，真正的極限考驗才剛剛開始。將重一噸、長3000多米的整套監測裝置，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現的工程挑戰。

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。這一噸多重的線盤沒有大型吊裝設備，團隊就在巷道頂板牢固安裝手拉葫蘆，將沉重線盤一點點懸空吊起、精準對接支架。

最緊張的，是3000多米牽拉的“生死較量”。“牽拉必須慢，一天只能推進200到300米，絕對快不得。”團隊骨干、黑龍江科技大學安全工程學院教授劉傳海說。鉆孔彎曲起伏，孔壁粗糙不平，整套裝置又長又重，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，全隊屏息奮戰了十余天。

當監測裝置即將探出孔口，勝利近在咫尺，誰知意外突然到來。就在鉆機微調定位的瞬間，牽拉端受力平衡驟破，突發崩斷，一噸多重的裝置瞬間回彈，狠狠縮入孔內。十余天的日夜堅守，懸于一線。

沒有慌亂，團隊緊急啟動應急方案，將自主研制的打撈裝置送入孔內，精準正反轉、纏繞咬合、牢牢鎖緊，死死抓住回彈的監測裝置。隊員們頂著疲憊與高壓連續奮戰，最終將整套裝置精準對接、完整打撈、一次成功。

當第一組穩定清晰的孔內數據傳回地面，現場爆發出長久歡呼。他們在千米井下，打贏了這場不可能的“穿針硬仗”。

數智領航讓地下變“透明”

隨著深孔“胃鏡”把孔內真實數據帶回地面，“建模攻堅”正式打響。如何讓零散數據變成可預測、可決策、可預警的智能能力，成為團隊新的挑戰。

鉆孔內瓦斯、水、煤巖三相耦合，流場與應力場相互交織。團隊接連遭遇瓶頸：多場耦合方程不收斂、煤巖物性不匹配、現場工況無法還原，模型始終與實際對不上。隊員們白天整理井下海量數據，晚上調試程序、重構方程，在無數次推倒重來中尋找破局路徑。

劉傳海說：“傳統模型用的都是孔口推算數據，放到超長鉆孔里完全不適用，必須用孔內真實測點重新錨定，才能把模型建準。”團隊堅持以實測數據為硬約束，將氣、液、固多物理場耦合嵌入模型，歷經上百次調試，終于建成超長鉆孔全生命周期瓦斯流動精準模型，第一次實現了從“測得出”到“算得準”的跨越。

“這套模型能夠精準圈定瓦斯抽采影響范圍，科學預判抽采所需周期，直觀評判治理是否達標、何時達標，整體預測精度誤差可控制在5—6米以內。”張保勇告訴記者，以往煤礦判斷瓦斯是否抽采達標，必須額外施工驗證鉆孔、取樣測壓，成本高、耗時長。如今無需重復打鉆，僅憑系統數據就能科學決策。

地下千米，煤海奔涌；創新之光，穿透黑暗。目前，團隊正加快數據整理與理論提煉，全力構建應力與抽采雙重耦合的超長鉆孔布設新理論；同時持續推進系統智能化升級，向著遠程調控、自動預警、智能優化的無人化治理目標穩步邁進。