煤礦井下無線隨鉆測量系統(tǒng)的應(yīng)用

栗林波

摘 要：煤礦井下千米定向鉆機(jī)已成為各大煤礦安全施工不可或缺的重要設(shè)備，作為鉆機(jī)的“眼睛”，鉆機(jī)上的關(guān)鍵部位—隨鉆測量系統(tǒng)受到的重視也是越來越高。目前，國內(nèi)隨鉆測量系統(tǒng)都采用的是有線隨鉆測量系統(tǒng)，但在其使用過程中遇到了很多困難：信號不穩(wěn)定、信號易中斷。而測量信號的有線傳輸和鉆頭的驅(qū)動(dòng)方式?jīng)Q定了有線隨鉆測量系統(tǒng)很難從根本上解決掉這些問題。針對這一現(xiàn)狀，本文就煤礦井下千米定向鉆機(jī)無線隨鉆測量系統(tǒng)的應(yīng)用展開合理的分析。

關(guān)鍵詞：千米定向鉆機(jī)；隨鉆測量系統(tǒng)；通纜鉆桿

隨著我國煤炭工業(yè)的飛速發(fā)展，煤礦延伸開采的地質(zhì)條件日趨復(fù)雜，煤礦安全生產(chǎn)對各類鉆孔的裝備與技術(shù)要求不斷提高。而現(xiàn)有的千米定向鉆機(jī)有線隨鉆測量系統(tǒng)已無法滿足礦方實(shí)際的需要，同時(shí)也對隨鉆測量系統(tǒng)提出了更高的要求。

1 無線隨鉆測量系統(tǒng)的基本組成及工作原理

1.1 定向鉆進(jìn)的原理

定向鉆進(jìn)系統(tǒng)由孔內(nèi)馬達(dá)、無磁鉆桿、測量裝置、鉆桿、水尾以及孔外電腦組成。基本工作原理為：高壓水（水壓12MPa）通過鉆桿輸送至孔內(nèi)馬達(dá)。孔內(nèi)馬達(dá)的內(nèi)部轉(zhuǎn)子在高壓水的沖擊下轉(zhuǎn)動(dòng)，通過前端軸帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)，達(dá)到破煤的目的。在鉆進(jìn)過程中，鉆桿本身不旋轉(zhuǎn)，主要起推進(jìn)作用?？變?nèi)馬達(dá)鉆頭旋轉(zhuǎn)但鉆桿不旋轉(zhuǎn)，減少了鉆桿和孔壁的摩擦力，從而有效地降低了鉆機(jī)的負(fù)載?？變?nèi)馬達(dá)的彎頭是一個(gè)關(guān)鍵，它和鉆桿連接以后會(huì)有一定的彎曲度，由于彎頭的作用，鉆孔的軌跡將不再是傳統(tǒng)鉆機(jī)打直線，而是一條偏向彎接頭方向的空間曲線。有線隨鉆測量裝置將所測量信息包括（傾角、方位角、工具面向角）等信息，以電信號的形式通過鉆桿內(nèi)芯傳輸至孔外電腦，通過電腦分析數(shù)據(jù)得出實(shí)時(shí)鉆孔信息。而無線隨鉆測量系統(tǒng)擺脫了電信號的束縛，具有更大的靈活性和易操作性。

1.2 無線隨鉆測量系統(tǒng)的基本組成

無線隨鉆測量系統(tǒng)的組成：主要由無線隨鉆測量探管、無線隨鉆孔口裝置、無線隨鉆測量軟件等三部分組成。

1.3 無線隨鉆測量系統(tǒng)工作原理

無線隨鉆測量系統(tǒng)測量傳輸探管的姿態(tài)傳感器實(shí)時(shí)收集鉆孔當(dāng)前位置的傾角、方位角及工具面向角等定向參數(shù)，并將無線信號傳遞給發(fā)射機(jī)短節(jié)，發(fā)射機(jī)短節(jié)將收到的定向參數(shù)進(jìn)行數(shù)字編碼，通過信號發(fā)送裝置以電磁波形式向外發(fā)送，電磁波信號主要沿鉆桿傳播；無線隨鉆測量系統(tǒng)孔口裝置內(nèi)部的信號接收器負(fù)責(zé)接收電磁波信號，經(jīng)放大、去噪和解碼，并將解碼數(shù)據(jù)送給無線隨鉆系統(tǒng)孔口裝置內(nèi)部的數(shù)字處理器進(jìn)行綜合處理，并通過無線隨鉆測量系統(tǒng)測量軟件實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前鉆孔的姿態(tài)信息并生成鉆孔軌跡。

2 無線隨鉆測量系統(tǒng)的技術(shù)分析

2.1 目前有線隨鉆測量系統(tǒng)使用過程中遇到的問題

與有線測量系統(tǒng)相配套的是通纜鉆桿，其不但價(jià)格較高，同時(shí)在使用過程中鉆桿的頻繁拆卸也導(dǎo)致接頭容易松動(dòng)破損，出現(xiàn)接觸不良或多處進(jìn)水的情況進(jìn)而導(dǎo)致隨鉆測量系統(tǒng)信號的不穩(wěn)定甚至無信號等故障。另一方面，目前的滑動(dòng)定向鉆進(jìn)技術(shù)已經(jīng)無法滿足日益復(fù)雜的地質(zhì)情況，但受有線測量系統(tǒng)及配套鉆具的制約，無法實(shí)現(xiàn)復(fù)合定向鉆進(jìn)，而高效定向鉆進(jìn)的方法是有機(jī)結(jié)合復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)與滑動(dòng)定向鉆進(jìn)技術(shù)，由于滑動(dòng)定向鉆進(jìn)技術(shù)已很成熟，所以復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)及可靠的定向設(shè)備是提高定向鉆進(jìn)效率的關(guān)鍵，保證施工經(jīng)濟(jì)合理性的基礎(chǔ)；同時(shí)高效定向鉆孔軌跡控制技術(shù)是保證施工質(zhì)量的根本。在定向鉆進(jìn)施工過程中，地層穩(wěn)定段采用滑動(dòng)方式定向鉆進(jìn)；一旦遇到地層破碎段，則采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式鉆進(jìn)至穩(wěn)定段后，再進(jìn)行滑動(dòng)方式定向鉆進(jìn)。

2.2 無線隨鉆測量系統(tǒng)的優(yōu)勢

無線隨鉆測量系統(tǒng)不需要配套傳統(tǒng)的通纜鉆桿，其測量信號通過鉆桿外壁傳輸。這樣就有效的避免了由于鉆桿內(nèi)芯的老化、磨損、接觸不良而導(dǎo)致的信號不穩(wěn)定及信號中斷的問題。另一方面，無線隨鉆測量系統(tǒng)的工作原理決定了鉆桿不需要有內(nèi)部傳輸信號的結(jié)構(gòu)，這樣也有效地降低了鉆桿的生成周期及成本。

2.3 技術(shù)指標(biāo)

測量精度指標(biāo)：

傾角：測量范圍-90°～+90°，精度±0.2°

方位角：測量范圍0°～360°，精度±1.5°

工具面角：測量范圍0°～360°，精度±1.0°

無線隨鉆測量系統(tǒng)可靠傳輸距離：≥1000m；

測量電池使用時(shí)間：≥30天

單次數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間：小于10s

3 結(jié)語

以上就是對無線隨鉆測量系統(tǒng)的分析，相信隨著國家對能源領(lǐng)域各類關(guān)鍵技術(shù)的重視，國內(nèi)的瓦斯抽放技術(shù)將會(huì)有進(jìn)一步的提升。從長遠(yuǎn)的角度看，類似于無線測量系統(tǒng)的各種礦用技術(shù)的發(fā)展，極大地增強(qiáng)了我國煤礦企業(yè)的市場競爭力，我國能源的安全將會(huì)有更多的保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]傅水根主編.機(jī)械制造工藝學(xué)基礎(chǔ).清華大學(xué)出版社，2011.

[2]馮辛安主編.機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì).機(jī)械工業(yè)出版設(shè)，2004.

[3]王仁祥.電力新技術(shù)概論[M].北京：中國電力出版社，2009.

[4]李金伴，陸一心.電氣材料手冊[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2005.