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“3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)負(fù)壓穩(wěn)定在12千帕，無(wú)法接收到7號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，疑似鉆孔內(nèi)出現(xiàn)局部積水……”近日，在位于山西省保德縣的國(guó)家能源集團(tuán)保德煤礦井下監(jiān)控臺(tái)前，研發(fā)人員緊盯實(shí)時(shí)跳動(dòng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)——超千米定向鉆孔的多點(diǎn)位瓦斯負(fù)壓參數(shù)。

曾經(jīng)，超長(zhǎng)煤層鉆孔如同地下“盲管”，孔內(nèi)狀況多靠孔口數(shù)據(jù)推算。如今，一套被稱作深孔“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)鉆孔流體參數(shù)一目了然。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——用逆向思維解決煤礦大區(qū)域超前瓦斯治理的“黑箱”難題。

超長(zhǎng)鉆孔監(jiān)測(cè)存在盲區(qū)

要讀懂這項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，先要了解瓦斯治理面臨的難題。

高瓦斯礦井、煤與瓦斯突出礦井煤層工作面回采前，煤體賦存的瓦斯含量高，直接回采極易引發(fā)安全事故，必須先打好瓦斯抽采鉆孔，將瓦斯含量降至安全標(biāo)準(zhǔn)，再開展采掘作業(yè)。常規(guī)回采工作面順層鉆孔長(zhǎng)度一般為兩三百米，而國(guó)家能源集團(tuán)煤炭通風(fēng)工程專業(yè)卓越工程師陳殿賦大膽創(chuàng)新，率先在礦區(qū)推進(jìn)大區(qū)域瓦斯治理工程，構(gòu)建了“區(qū)域預(yù)抽、立體防控”的瓦斯綜合治理體系，使得鉆孔最深達(dá)3453米，創(chuàng)下目前世界煤層定向鉆進(jìn)的孔深紀(jì)錄。

鉆孔深度大幅增加，一道新的難題隨之出現(xiàn)，孔內(nèi)數(shù)據(jù)如何實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)量？

黑龍江科技大學(xué)教授張保勇介紹，在超長(zhǎng)鉆孔應(yīng)用中，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段存在致命短板：傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)一般在孔口測(cè)數(shù)據(jù)，再用公式推演估算孔內(nèi)情況。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)鉆孔正向孔內(nèi)監(jiān)測(cè)設(shè)備下放與有效監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋。千米乃至幾千米孔深的瓦斯壓力、流量多是間接推算，且常常無(wú)法知曉孔內(nèi)運(yùn)行狀態(tài)、瓦斯真實(shí)流動(dòng)規(guī)律。

“這就像我們只在黃河入海口測(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。”張保勇比喻道，超長(zhǎng)鉆孔如同干流，若只測(cè)孔口流體參數(shù)，則無(wú)法評(píng)估孔內(nèi)不同深度的瓦斯流動(dòng)差異及抽采效果。

2020年，為攻克瓦斯抽采鉆孔孔內(nèi)流體參數(shù)監(jiān)測(cè)難題，張保勇?tīng)款^承接攻關(guān)任務(wù)。連續(xù)兩周，他滿腦子都是那條3000多米長(zhǎng)、直徑約12厘米、隨煤層起伏的超長(zhǎng)鉆孔。

以往常規(guī)思路都是設(shè)法將監(jiān)測(cè)設(shè)備從孔口向內(nèi)布設(shè)。但受鉆進(jìn)阻力、施工空間、投入成本等條件制約，這種方法不僅設(shè)備布設(shè)深度十分有限，單套設(shè)備的投入成本也居高不下。

“從孔口開始向孔內(nèi)部正向布設(shè)，3000米深處是禁區(qū)；但如果逆向布設(shè)，那里就是起點(diǎn)?！睆埍Ｓ聞?chuàng)新的靈感，來(lái)自辯證思維與逆向思維。

帶著這一思路，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)方法?！拔覀儾皇撬鸵粋€(gè)哨兵進(jìn)去，而是拉進(jìn)一長(zhǎng)串‘鞭炮’，布置到鉆孔內(nèi)不同孔段。”這串“鞭炮”上集成了許多監(jiān)測(cè)設(shè)備，全面覆蓋鉆孔關(guān)鍵位置，實(shí)現(xiàn)多區(qū)段、全過(guò)程、全周期精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。

“這一方法把監(jiān)測(cè)范圍從孔口延伸至孔內(nèi)多孔段，助力超長(zhǎng)鉆孔從‘黑箱’變成‘明盒’?！北５旅旱V通風(fēng)辦主任張迪說(shuō)。

千米鉆孔的穿針引線

為了找到能下穿3000多米孔深、抗拉抗壓、阻燃抗揉的柔性材料，團(tuán)隊(duì)先后篩選幾萬(wàn)米不同型號(hào)的材料，完成上百次力學(xué)性能試驗(yàn)。

材料性能過(guò)關(guān)，真正的極限考驗(yàn)才剛剛開始。將重1噸、長(zhǎng)3000多米的整套監(jiān)測(cè)裝置，送入直徑約12厘米、蜿蜒曲折的煤層鉆孔，這是從未實(shí)現(xiàn)過(guò)的工程挑戰(zhàn)。

最緊張的，當(dāng)屬3000多米孔內(nèi)的牽拉攻堅(jiān)——這是一場(chǎng)與鉆孔工況、設(shè)備極限較量?！盃坷仨毬惶熘荒芡七M(jìn)200米到300米，絕對(duì)快不得。”團(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，定向鉆孔分支點(diǎn)多，整套裝置又長(zhǎng)又重，一旦拉快了，阻力急劇變化，輕則磨損刮傷，重則直接拉斷，前功盡棄。

就這樣，鉆桿一根根地卸，裝置一米米地挪。項(xiàng)目組連續(xù)奮戰(zhàn)十余天，完成了裝置布設(shè)。

就在監(jiān)測(cè)裝置即將探出孔口、勝利近在咫尺時(shí)，意外突然到來(lái)。鉆機(jī)微調(diào)定位的瞬間，牽拉端受力平衡被驟然打破，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，聯(lián)合相關(guān)鉆進(jìn)專家，制定打撈方案。隊(duì)員們頂著疲憊與高壓連續(xù)奮戰(zhàn)，最終將自制打撈裝置與孔內(nèi)原位監(jiān)測(cè)裝置精準(zhǔn)對(duì)接、完整打撈。

當(dāng)?shù)谝唤M穩(wěn)定清晰的孔內(nèi)數(shù)據(jù)傳回，現(xiàn)場(chǎng)爆發(fā)出長(zhǎng)久歡呼。他們?cè)跀?shù)百米深井下，打贏了這場(chǎng)不可能的“穿針硬仗”。

建成數(shù)字孿生模型

隨著深孔“胃鏡”把孔內(nèi)真實(shí)數(shù)據(jù)帶回孔口，“建模攻堅(jiān)戰(zhàn)”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)警的智能助手，成為團(tuán)隊(duì)新的挑戰(zhàn)。

超長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采過(guò)程是多相流動(dòng)與多場(chǎng)耦合作用共同影響的結(jié)果。團(tuán)隊(duì)接連遭遇瓶頸：多場(chǎng)耦合方程不收斂、現(xiàn)場(chǎng)工況無(wú)法還原，模型始終與實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)不上。為此，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)模型用的都是孔口測(cè)試的數(shù)據(jù)，并不匹配在超長(zhǎng)鉆孔內(nèi)采集的數(shù)據(jù)，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)?！眻F(tuán)隊(duì)堅(jiān)持以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為硬約束，將多物理場(chǎng)耦合機(jī)制集成到模型中，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抽采數(shù)字孿生模型，第一次實(shí)現(xiàn)了從“測(cè)得出”到“算得準(zhǔn)”的跨越。

我國(guó)長(zhǎng)鉆孔鉆進(jìn)專家李泉新表示，超長(zhǎng)鉆孔原位監(jiān)測(cè)技術(shù)提升了長(zhǎng)鉆孔“鉆—抽—測(cè)”全鏈條價(jià)值，為長(zhǎng)鉆孔瓦斯治理插上了翅膀。

地下數(shù)百米，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)建超長(zhǎng)鉆孔原位監(jiān)測(cè)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)化的目標(biāo)穩(wěn)步邁進(jìn)。