礦用鉆桿中聲波通信技術(shù)研究

高 珺，馬宏偉，石智軍

（1．西安科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，陜西 西安710054；2．中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

隨鉆測量定向鉆進由于具有軌跡可控、孔底回轉(zhuǎn)、鉆孔深度大等優(yōu)點，在國內(nèi)外煤礦井下瓦斯抽采、防治水、地質(zhì)構(gòu)造或異常體勘探中得到越來越多的應(yīng)用。礦用隨鉆測量系統(tǒng)作為煤礦井下隨鉆測量定向鉆進的核心裝備，其孔底儀器與孔口儀器之間的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)是礦用隨鉆測量系統(tǒng)的應(yīng)用基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)，直接關(guān)系著施工人員能否及時準確地獲得孔底鉆具姿態(tài)參數(shù)并實施定向鉆進[1]。

目前滿足煤礦井下防爆要求的隨鉆測量系統(tǒng)有3 種數(shù)據(jù)傳輸方式：有線、泥漿脈沖和電磁波[2]。有線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)作為市場上主流產(chǎn)品具有穩(wěn)定性高，定向鉆進效率高的優(yōu)勢，缺點是必須使用通纜鉆桿進行鉆進，造成鉆進成本高，且不利于進行復(fù)合鉆進提高鉆進效率；泥漿脈沖數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)具有傳輸距離遠、速率低，可復(fù)合鉆進提高長深孔鉆進效率的特點，但由于活動機構(gòu)的存在，長期使用中需注意維護儀器；電磁波數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)具有傳輸速率快，可復(fù)合鉆進提高中短孔鉆進效率特點，但傳輸距離有限、接收信號易受地層及周邊設(shè)備電磁干擾，對系統(tǒng)穩(wěn)定性造成一定影響。綜上所述，現(xiàn)有數(shù)據(jù)傳輸方式適用于不同工況條件，但不能夠完全滿足所有工況需要，比如常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆孔。

1 礦用鉆桿中聲波傳輸技術(shù)

礦用鉆桿中聲波通信技術(shù)是利用聲波在鉆桿柱中的傳播特性，從孔底將信號傳輸?shù)娇卓陲@示的新技術(shù)，鉆桿中聲波通信原理圖如圖1，孔內(nèi)儀器通過將測量數(shù)據(jù)編碼，并按照編碼格式敲擊發(fā)送聲波信號，聲波信號耦合到鉆桿壁并沿鉆桿壁向孔口傳輸，振動傳感器吸附在鉆桿端頭將聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號，接收解碼模塊接收振動傳感器發(fā)出的電信號并解碼，數(shù)據(jù)顯示模塊接收解碼信號進行顯示。其數(shù)據(jù)傳輸方式依靠鉆桿壁為傳輸介質(zhì)，通用性更強，適用于常規(guī)孔和淺孔的定向鉆進施工，具備信號傳輸速度快、不受地層情況影響和結(jié)構(gòu)簡單等特點，在煤礦鉆探領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

圖1 鉆桿中聲波通信原理圖

2 鉆桿柱中聲波傳播特性

利用鉆桿中聲波傳輸隨鉆測量數(shù)據(jù)，必須得研究鉆桿中聲波傳播特性，分析鉆桿中聲波幅值衰減特性。鉆桿柱由一根根鉆桿通過螺紋連接組成，鉆桿兩端分別是公母螺紋接手，相互連接起來的鉆桿串就組成了具有周期性結(jié)構(gòu)的鉆桿柱，理想鉆桿柱模型如圖2。

圖2 理想鉆桿柱模型

聲波在鉆桿柱中的傳播形式被分為彎曲波、橫波和縱波[3]。其中彎曲波傳輸速度較慢，容易被分散，衰減厲害，不利于信號的傳輸。而縱波和橫波的波長比一般的鉆桿柱直徑長，傳輸時不容易發(fā)生散射，但會在每個接手處產(chǎn)生反射。由于橫波比縱波更容易在接箍處產(chǎn)生反射，衰減大，不利于信息的傳輸，所以利用縱波來傳輸信息。

聲波在鉆桿中的傳輸過程不僅向前傳播而且向周圍擴散，在向周圍擴散過程中，其信號強度將逐漸衰減，造成信號衰減的主要原因為聲波頻率、鉆桿接箍和周圍介質(zhì)的阻尼[4]。聲波信號在鉆桿中傳輸?shù)乃p包括鉆桿內(nèi)部的吸收式衰減和接箍處的反射式衰減，聲波信號在井內(nèi)沿鉆桿傳輸時，部分聲能量轉(zhuǎn)換為分子熱運動所需的能量，導(dǎo)致信號強度減弱，這就是聲波傳輸過程中產(chǎn)生吸收式衰減的主要原因[5]。吸收式衰減規(guī)律為：

式中： w0為發(fā)射處聲波的強度；w 為距發(fā)射聲波處距離l 的聲波強度；δ 為聲波衰減系數(shù)；l 為傳輸長度；k 為可變系數(shù)，對應(yīng)不同的鉆桿規(guī)格。

在各種因素中，鉆桿周圍介質(zhì)粘滯阻尼系數(shù)ρ和載波信號的頻率f 對聲波衰減系數(shù)δ 的影響是最大的，隨著黏滯系數(shù)ρ 的增大衰減系數(shù)δ 增大，同時如果傳輸信號的頻率f 的提高那么衰減系數(shù)也會變大[6]。鉆桿周圍介質(zhì)的黏滯阻尼系數(shù)越大，衰減系數(shù)就越大，這樣就增加了聲波傳輸過程中信號的損失。

通過連接單根長度1. 5 m、直徑63.5 mm 的常規(guī)外平鉆桿，采用恒定力在一端縱向機械敲擊鉆桿端面，在另一端測量聲波信號強度，獲得鉆桿中聲波信號幅值變化數(shù)據(jù)，鉆桿柱中聲波信號衰減示意圖如圖3。通過實際測量數(shù)據(jù)曲線擬合出的趨勢公式與衰減規(guī)律公式相互驗證，證明了相互的正確性。

圖3 鉆桿柱中聲波信號衰減示意圖

不同鉆桿柱長度接收信號原始波形如圖4，在測試接收振動信號時，發(fā)現(xiàn)在聲源振動穩(wěn)定情況下，接收端每次接收到信號脈沖寬度不大于40 ms。為避免造成脈沖間信號的相互干擾，信號最大傳輸頻率不大于25 Hz 為宜。

3 聲波信號源

利用鉆桿中的聲波傳輸數(shù)據(jù)，需要一個可靠的信號發(fā)聲裝置，即聲波信號源。結(jié)合最新的換能器研究成果，采用稀土超磁致伸縮合金作為核心材料，設(shè)計了煤礦井下工況條件的聲波信號源[7-12]，聲波信號源結(jié)構(gòu)示意圖如圖5。

蝶簧給超磁致伸縮合金施加一定預(yù)應(yīng)力，使其處于壓應(yīng)力下，因其處于壓應(yīng)力狀態(tài)下，能夠產(chǎn)生更大形變；激勵線圈作用是施加激勵電流信號，以至產(chǎn)生交變磁場；超磁致伸縮材料作為換能器驅(qū)動元件，其處在變化磁場環(huán)境中，能夠產(chǎn)生伸縮振動；敲擊塊代表超磁致伸縮材料伸縮振動推動敲擊塊振動，向設(shè)備外殼輻射聲波，是最終輸出元件。

圖4 不同鉆桿柱長度接收信號原始波形

圖5 雙液注漿泵工作行程圖

信號源的工作特性取決于發(fā)聲結(jié)構(gòu)的機械參數(shù)和驅(qū)動電路的共同作用。滿足要求的驅(qū)動電路要具備2 個性能：①發(fā)射的功率要大，這樣可以增強聲波信號的輻射能量，增加傳輸距離；②頻率要適當，過高則在鉆桿柱中傳播衰減大，且相互干擾，過低則會拉低信號傳輸速率, 這2 種情況都會降低數(shù)據(jù)傳輸性能。

4 數(shù)據(jù)傳輸試驗

為了精確測試隨鉆測量數(shù)據(jù)聲波傳輸效果，搭建了試驗平臺，試驗連接圖如圖6，圖中鉆桿柱由30根φ63.5 mm×1.5 m 常規(guī)外平鉆桿連接組成。其中發(fā)送計算機隨機發(fā)送1 組隨鉆測量數(shù)據(jù)（傾角、方位角、工具面角），經(jīng)編碼轉(zhuǎn)換后發(fā)送到信號源按照編碼方式敲擊，敲擊產(chǎn)生的聲波信號沿鉆桿柱縱向傳播；另一端，振動傳感器將接收到鉆桿中的聲波信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，發(fā)送給采集電路濾波放大后解調(diào)，解調(diào)結(jié)果再上傳接收計算機顯示，通過對比2 臺計算機中發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)，可判定隨鉆測量數(shù)據(jù)的傳輸效果。

圖6 試驗連接圖

按照圖6 連接試驗設(shè)備并設(shè)置各項參數(shù)，在發(fā)送端計算機上隨機發(fā)送隨鉆測量數(shù)據(jù)上百次，在接收端計算機上比較傳輸效果，統(tǒng)計接收誤碼率在0~1%之間。

5 結(jié) 語

基于以上理論及試驗驗證，礦用鉆桿中通過聲波進行數(shù)據(jù)傳輸是完全可行的，調(diào)整聲波信號源敲擊功率基本能夠克服信號衰減問題，能夠滿足常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進傳輸距離和結(jié)構(gòu)安裝方面的問題。但數(shù)據(jù)傳輸試驗中還有很多試驗條件沒有達到實際工況的惡劣程度，需進一步加載試驗條件進行驗證，比如：鉆桿柱內(nèi)外含水、鉆桿柱連接緊密程度不一和鉆桿柱長度增加等。