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        礦用鉆桿中聲波通信技術(shù)研究

        2019-09-27 06:27:02馬宏偉石智軍
        煤礦安全 2019年9期
        關(guān)鍵詞:隨鉆測量衰減系數(shù)信號源

        高 珺,馬宏偉,石智軍

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

        隨鉆測量定向鉆進(jìn)由于具有軌跡可控、孔底回轉(zhuǎn)、鉆孔深度大等優(yōu)點(diǎn),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(jìn)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(zhǔn)確地獲得孔底鉆具姿態(tài)參數(shù)并實(shí)施定向鉆進(jìn)[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(jìn)效率高的優(yōu)勢,缺點(diǎn)是必須使用通纜鉆桿進(jìn)行鉆進(jìn),造成鉆進(jìn)成本高,且不利于進(jìn)行復(fù)合鉆進(jìn)提高鉆進(jìn)效率;泥漿脈沖數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)具有傳輸距離遠(yuǎn)、速率低,可復(fù)合鉆進(jìn)提高長深孔鉆進(jìn)效率的特點(diǎn),但由于活動機(jī)構(gòu)的存在,長期使用中需注意維護(hù)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(jìn)提高中短孔鉆進(jìn)效率特點(diǎn),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(jìn)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(qiáng),適用于常規(guī)孔和淺孔的定向鉆進(jìn)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(diǎn),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(kuò)散,在向周圍擴(kuò)散過程中,其信號強(qiáng)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(yùn)動所需的能量,導(dǎo)致信號強(qiáng)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(qiáng)度;w 為距發(fā)射聲波處距離l 的聲波強(qiáng)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(jī)械敲擊鉆桿端面,在另一端測量聲波信號強(qiáng)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(shí)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(jī)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(qiáng)聲波信號的輻射能量,增加傳輸距離;②頻率要適當(dāng),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(jī)隨機(jī)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(jī)顯示,通過對比2 臺計算機(jī)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(jī)上隨機(jī)發(fā)送隨鉆測量數(shù)據(jù)上百次,在接收端計算機(jī)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(jìn)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(jìn)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(dá)到實(shí)際工況的惡劣程度,需進(jìn)一步加載試驗條件進(jìn)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。

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