郭愛軍，汪凱斌，李雄偉

（1.神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西神木 719315；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安 710077）

近年來，定向鉆進(jìn)技術(shù)[1-3]在煤礦安全開采方面起到了非常關(guān)鍵的作用，而隨鉆測(cè)量是實(shí)現(xiàn)定向鉆進(jìn)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。煤礦井下定向鉆進(jìn)主要采用有線隨鉆測(cè)量裝置開展軌跡測(cè)量，其信號(hào)傳送的通道由通纜鉆桿組成[4]，而中心通纜鉆桿結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工技術(shù)要求高、成本昂貴，極大地限制了定向鉆進(jìn)技術(shù)的大規(guī)模推廣與應(yīng)用，無線隨鉆測(cè)量技術(shù)成為解決上述問題的有效途徑。

無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)按照傳輸原理的不同可分為泥漿脈沖隨鉆測(cè)量系統(tǒng)、電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)[5]和聲波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)3 類[6]。泥漿脈沖隨鉆測(cè)量系統(tǒng)利用鉆柱內(nèi)部泥漿壓力的變化將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇卓?，存在傳輸速率慢、鉆具成本高等缺點(diǎn)；聲波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)通過聲波信號(hào)傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)，存在信道噪聲大、通信質(zhì)量難以保證等不足；電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)通過低頻電磁波信號(hào)傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)，具備傳輸速度相對(duì)較快、不受傳輸介質(zhì)鉆井液的影響、可應(yīng)用于氣體鉆進(jìn)等優(yōu)點(diǎn)，是煤礦井下無線隨鉆測(cè)量領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

1 地面用電磁波隨鉆測(cè)量局限性

電磁波隨鉆測(cè)量主要應(yīng)用于地面石油領(lǐng)域，由于以下限制無法應(yīng)用于煤礦井下：1）煤礦井下環(huán)境狹窄、錨網(wǎng)密布、多種大型設(shè)備頻繁啟動(dòng)導(dǎo)致電磁環(huán)境復(fù)雜，干擾大；2）地面石油鉆井鉆場(chǎng)空間大，鉆孔孔徑大，儀器尺寸較大，而井下鉆孔孔徑小，采用的鉆具直徑一般為73 mm，考慮到螺桿馬達(dá)過水量的要求，電磁波隨鉆測(cè)量探管直徑應(yīng)不大于42 mm，在儀器的結(jié)構(gòu)、布置方法、供電方法及工作方法方面都必須創(chuàng)新設(shè)計(jì)；3）煤礦井下處于高濕度、大粉塵和瓦斯爆炸性氣體環(huán)境中，對(duì)儀器的電氣性能和防爆性能要求更高，所有儀器必須進(jìn)行一級(jí)防爆設(shè)計(jì)并取得煤安認(rèn)證。因此急需研制出符合煤礦井下需求的電磁波無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)。

2 電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)

2.1 原理概述

電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)利用絕緣短節(jié)將金屬鉆柱分為兩段，組成一種絕緣間隙電壓激勵(lì)的不對(duì)稱偶極發(fā)射天線[7]。發(fā)射機(jī)通過非對(duì)稱偶極發(fā)射天線激發(fā)出低頻電磁波信號(hào)，低頻電磁波信號(hào)沿鉆柱和地層向孔口傳播，將孔中所測(cè)的傾斜角、方位角、工具面向角和溫度等參數(shù)傳輸?shù)娇卓?，?shí)現(xiàn)定向鉆進(jìn)的目的[8]。系統(tǒng)原理如圖1 所示。

圖1 電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)原理圖

2.2 礦用電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)總體方案

礦用電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案框圖如圖2 所示，電磁波隨鉆測(cè)量?jī)x主要由孔中子系統(tǒng)和孔口子系統(tǒng)構(gòu)成[9]。孔中子系統(tǒng)主要通過傳感器測(cè)量鉆進(jìn)姿態(tài)、溫度和壓力等信息，這些信息數(shù)據(jù)通過調(diào)制后變成低頻電磁波信號(hào)，經(jīng)放大后由絕緣天線耦合到地層，沿地層向孔口傳播?？卓谧酉到y(tǒng)通過鉆柱和接地電極構(gòu)成的接收天線拾取到衰減后的電磁波信號(hào)，經(jīng)放大濾波、解調(diào)后得到姿態(tài)、溫度等數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、成圖用以指導(dǎo)鉆進(jìn)。

圖2 電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)框圖

2.3 礦用電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)難點(diǎn)

由于煤礦井下環(huán)境與石油、煤層氣開采的地面環(huán)境有著明顯差異，要研制出礦用電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)存在以下難點(diǎn)：1）孔中鉆進(jìn)姿態(tài)測(cè)量。在小型化的條件下能準(zhǔn)確測(cè)量鉆孔傾角、方位角和螺桿馬達(dá)工具面向角等參數(shù)。2）孔中傳輸單元滿足煤礦本安要求條件下的小型化和低功耗設(shè)計(jì)。孔中傳輸單元接收孔口下傳的指令、啟動(dòng)姿態(tài)測(cè)量，并向孔口上傳數(shù)據(jù)[5]。3）孔中電源智能管理。地面電磁波隨鉆測(cè)量技術(shù)可采用大容量電池或渦輪發(fā)電機(jī)保證孔中探管長(zhǎng)時(shí)間工作，但由于安標(biāo)中心對(duì)電池容量的限制和地面渦輪發(fā)電機(jī)尺寸過大無法投入井下使用。4）孔口大噪聲背景下的小信號(hào)檢測(cè)?？卓谛柙诖笤肼暠尘跋陆邮湛字袃x器傳輸?shù)奈⑷蹼姶挪ㄐ盘?hào)，通過信號(hào)檢測(cè)、解調(diào)等工作獲得姿態(tài)測(cè)量參數(shù)。

3 孔中子系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

孔中子系統(tǒng)由孔中探管、絕緣短節(jié)、上無磁鉆桿、下無磁鉆桿和儀器外管組成[10]。上無磁鉆桿、下無磁鉆桿和儀器外管不涉及電氣設(shè)計(jì)，這里主要給出孔中探管的姿態(tài)測(cè)量、傳輸和智能電源管理單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

3.1 姿態(tài)測(cè)量技術(shù)

礦用電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)要求姿態(tài)測(cè)量單元測(cè)量準(zhǔn)確、體積小。為此，選用精度高、穩(wěn)定性好的三軸磁通門傳感器進(jìn)行地磁測(cè)量，選用三軸MEMS 加速度傳感器進(jìn)行重力測(cè)量，配以多通道A/D 轉(zhuǎn)換器和低功耗32 位ARM 處理器設(shè)計(jì)姿態(tài)測(cè)量單元，姿態(tài)測(cè)量單元框圖如圖3 所示。

圖3 姿態(tài)測(cè)量單元框圖

設(shè)三軸重力加速度計(jì)測(cè)得的3 個(gè)分量[11]分別為GX、GY、GZ，三軸磁通門傳感器測(cè)量的3 個(gè)地磁場(chǎng)分量[12]分別為HX、HY、HZ，那么鉆進(jìn)姿態(tài)的傾角β、工具面角γ和方位角α可根據(jù)式（1）～（3）計(jì)算出，其中G=

3.2 孔中傳輸技術(shù)

礦用電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)孔中探管的傳輸單元實(shí)質(zhì)上是一個(gè)雙向數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，如圖4 所示。其設(shè)計(jì)難點(diǎn)有兩個(gè)：功率放大的礦用本安設(shè)計(jì)和所有電路的小型化。為此項(xiàng)目組在設(shè)計(jì)功率放大電路時(shí)采用分立元件構(gòu)建了推挽式功率驅(qū)動(dòng)電路，用取樣電阻對(duì)放大后的電流進(jìn)行取樣，當(dāng)電流超過設(shè)定值時(shí)，32 位ARM 處理器自動(dòng)降低放大倍數(shù)，使推挽式功率驅(qū)動(dòng)電路輸出定值功率，即恒功率放大。這樣功率輸出符合礦用本安要求，同時(shí)采用分立器件使得探管直徑滿足小于42 mm 的需求。

圖4 孔中傳輸單元框圖

3.3 電源智能管理技術(shù)

項(xiàng)目組采用電源智能管理技術(shù)提高電池利用效率。電源智能管理采用震動(dòng)和壓力檢測(cè)來識(shí)別鉆機(jī)狀態(tài)，鉆進(jìn)時(shí)螺桿馬達(dá)需要水壓來驅(qū)動(dòng)，鉆柱內(nèi)部有壓力，同時(shí)有震動(dòng)，停鉆時(shí)鉆柱內(nèi)部水壓釋放，同時(shí)無震動(dòng)。由于鉆進(jìn)過程中不需要測(cè)量和數(shù)據(jù)傳輸，因此在鉆進(jìn)時(shí)切斷探管電源，停鉆后給探管供電，這樣可將探管工作時(shí)間延長(zhǎng)3～6 倍。

4 孔口子系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

孔口子系統(tǒng)由孔口本安型控制器、隔爆電源、鉆柱和電極構(gòu)成的天線組成，主要向孔中設(shè)備發(fā)送測(cè)量、讀數(shù)等指令，啟動(dòng)孔中設(shè)備按照指令要求工作，接收孔中發(fā)送到孔口的電磁波信號(hào)，進(jìn)行解碼、計(jì)算，得到測(cè)斜原始數(shù)據(jù)，最后由本安型控制器計(jì)算，并以數(shù)字和圖形方式顯示。隔爆電源和電極設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，因此下面主要介紹孔口本安型控制器中孔口傳輸技術(shù)。

孔口傳輸技術(shù)單元的難點(diǎn)是在大噪聲背景下檢測(cè)孔中上傳來的微弱電磁波信號(hào)，為此項(xiàng)目組采用軟件無線電的架構(gòu)來設(shè)計(jì)孔口傳輸單元，如圖5 所示?？卓谔炀€拾取到的微弱信號(hào)經(jīng)儀表放大器放大后，進(jìn)入模擬濾波進(jìn)行降噪處理，24 位高分辨率A/D器件進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，F(xiàn)PGA 完成256 階IIR 數(shù)字濾波，一路送入32 位ARM 進(jìn)行幅度檢測(cè)，根據(jù)幅值調(diào)節(jié)儀表放大器放大倍數(shù)，形成自動(dòng)增益放大電路；另一路送入DSP 器件完成各種數(shù)字變換，經(jīng)過這一系列處理后，孔中傳輸單元可檢測(cè)到5 μV 寬帶微弱信號(hào)，實(shí)現(xiàn)在大噪聲干擾下微弱信號(hào)的檢測(cè)[13-16]。

圖5 孔口傳輸單元框圖

5 地面試驗(yàn)與井下示范

研制的礦用電磁波隨鉆測(cè)量?jī)x組成如圖6 所示，性能參數(shù)如表1 所示。在取得防爆證和煤礦安全標(biāo)志后，在陜西白水縣白石河村附近的山邊和山西寺河煤礦進(jìn)行了測(cè)試和應(yīng)用。

表1 礦用電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)性能參數(shù)

圖6 礦用電磁波隨鉆測(cè)量?jī)x實(shí)物圖

礦用電磁波隨鉆測(cè)量?jī)x在山西晉煤集團(tuán)寺河礦配套澳鉆鉆機(jī)進(jìn)行了井下工程應(yīng)用，施工鉆孔10 個(gè)，累計(jì)鉆進(jìn)瓦斯抽采鉆孔約6 800 m，在整個(gè)鉆進(jìn)過程中信號(hào)傳輸穩(wěn)定，單孔最大鉆進(jìn)深度525 m，孔中儀器在充滿電后，不提鉆條件下，可連續(xù)工作260 h。圖7、8為8號(hào)橫川的1號(hào)鉆孔的施工軌跡，孔深525 m。圖7 中的零點(diǎn)位置為開孔位置，橫軸為鉆進(jìn)孔深，縱軸為鉆孔在勘探方位線上的高度。從中可以看出鉆孔開孔后向上鉆進(jìn)，進(jìn)入頂板巖層后在頂板巖層中進(jìn)行近水平鉆進(jìn)，為一高位鉆孔施工的剖面圖。圖8的零點(diǎn)位置為開孔位置，橫軸為鉆進(jìn)孔深，縱軸為鉆孔在勘探方位線上的左右位移，鉆孔先向右鉆進(jìn)后向左鉆進(jìn)，為鉆孔水平投影圖。

圖7 8號(hào)橫川的1號(hào)鉆孔上下位移圖

圖8 8號(hào)橫川的1號(hào)鉆孔左右位移圖

6 結(jié)論

文中從電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)原理出發(fā)，介紹了其設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)[14]。白水地面測(cè)試試驗(yàn)和寺河煤礦瓦斯抽采孔鉆進(jìn)應(yīng)用結(jié)果說明，研制的電磁波隨鉆測(cè)量?jī)x測(cè)量精度高、信號(hào)傳輸穩(wěn)定、工作可靠，孔中儀器在充滿電后工作時(shí)間長(zhǎng)達(dá)260 h；在鉆進(jìn)深度500 m 以內(nèi)，可替代有線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)，極大地降低定向鉆進(jìn)成本，為煤礦井下安全生產(chǎn)提供技術(shù)支持與設(shè)備保障。