方 俊，谷拴成，石智軍，李泉新，任建喜

(1.西安科技大學 建筑與土木工程學院，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)

煤礦井下坑道鉆探是進行礦井災害防治和煤層氣開發(fā)利用最直接、有效的技術手段之一，在煤礦瓦斯抽采、水害防治和隱蔽致災地質(zhì)因素探查等領域發(fā)揮著巨大作用[1-3]。隨鉆測量定向鉆進技術是目前煤礦井下最先進的鉆孔施工方法，可實現(xiàn)超前、區(qū)域、精準災害防治。但受現(xiàn)有有線定向鉆進技術裝備固有特性制約，主要適用于中硬完整煤-巖層鉆進，在復雜破碎煤-巖層中鉆進成孔困難，具體不足主要體現(xiàn)在以下3個方面[4-6]:

(1)有線信號傳輸干擾因素多。煤礦井下有線信號傳輸采用特制的中心通纜式鉆具為通道，其中心通纜式結(jié)構(gòu)易因磨損老化而失效，導致信號傳輸故障，抗干擾能力差;同時，隨著鉆孔深度增加，中心通纜式鉆具導線的電阻增大，信號強度不斷衰減，信號傳輸穩(wěn)定性變差。

(2)定向鉆具要求高。受有線信號傳輸方式限制，目前煤礦井下定向鉆進需要采用特制的中心通纜式鉆具，對鉆具的結(jié)構(gòu)和密封性要求高，其使用和維護成本較高，一定程度上限制了定向鉆進技術裝備更為廣泛地推廣應用。

(3)地層適應性差。我國大部分煤礦區(qū)的煤-巖層賦存地質(zhì)條件復雜，有線隨鉆測量定向鉆進技術裝備對復雜破碎煤-巖層鉆進適應性差，孔內(nèi)事故易發(fā)，致使定向鉆進技術在煤-巖層賦存條件相對復雜礦區(qū)的推廣應用一直未能取得突破。

礦用隨鉆測量系統(tǒng)是制約煤礦井下定向鉆進技術與裝備發(fā)展的重要因素，因此亟待開發(fā)礦用無線隨鉆測量系統(tǒng)。無線隨鉆測量系統(tǒng)以泥漿脈沖傳輸式最為成熟，國外以貝克休斯公司、哈里伯頓公司、斯倫貝謝公司、APS公司的相關產(chǎn)品最具代表性，國內(nèi)中石油勘探開發(fā)研究院、大港油田、中海油服、海藍公司和普利門公司等均成功開發(fā)了泥漿脈沖隨鉆測量系統(tǒng)，目前已完全實現(xiàn)國產(chǎn)化[7～11]。近年來，YAN Z[12]，QU F[13]等開發(fā)了連續(xù)脈沖隨鉆測量系統(tǒng);WU J[14]，MWACHAKA S M[15]等分析了泥漿脈沖信號發(fā)射原理并進行了系統(tǒng)優(yōu)化，劉修善[16]、鄭宏遠[17]等基于非定常流理論和CFD仿真技術給出了泥漿脈沖信號傳輸速率和傳輸能力計算方法;GODHAVN J M[18]、TU B[19]、李紅濤[20]等分析了信號傳輸衰減規(guī)律和影響因素，并開發(fā)了相關濾波去噪方法，相關基礎理論研究和儀器開發(fā)逐漸成熟，并在地面油氣鉆探領域應用廣泛。

但是由于煤礦井下作業(yè)空間有限，具有特殊防爆要求，且定向鉆進技術與裝備與地面油氣鉆井差別較大，不能直接將地面油氣鉆井領域使用的泥漿脈沖隨鉆測量系統(tǒng)及其信號傳輸特性應用到煤礦井下[21]，具體區(qū)別體現(xiàn)在以下4個方面:

(1)沖洗液性能不同。地面鉆井一般采用油基鉆井液和水基鉆井液作為沖洗液，含有一定固體雜質(zhì);而煤礦井下主要采用清水作為沖洗液，易含有瓦斯等氣體，其性能參數(shù)與地面相差較大。

(2)沖洗液循環(huán)方式和水力通道不同。地面鉆井采用閉式循環(huán)，使用鉆具尺寸大，外徑一般大于φ127 mm;而煤礦井下采用開式循環(huán)，使用鉆具外徑一般小于φ89 mm，水力通道面積小。

(3)沖洗液工作參數(shù)不同。地面鉆井沖洗液流量一般大于8 L/s，最大泵壓可達到30 MPa以上;煤礦井下沖洗液流量一般為1.5～5.0 L/s，最大泵壓小于14 MPa。

(4)鉆孔結(jié)構(gòu)與空間形態(tài)不同。地面鉆井一般包括垂直孔段和水平孔段，易建立沖洗液循環(huán)，深度一般超過1 000 m;煤礦井下鉆孔一般為近水平布置，深度一般小于1 000 m。

國內(nèi)外對煤礦井下泥漿脈沖隨鉆測量技術的研究尚處于起步階段，筆者結(jié)合煤礦井下定向鉆進特點和要求，建立了泥漿脈沖信號發(fā)生機構(gòu)和水力通道模型，分析了泥漿脈沖信號傳輸速度、傳輸強度、衰減規(guī)律和傳輸影響因素等特性，開發(fā)了礦用泥漿脈沖隨鉆測量系統(tǒng)，并通過了現(xiàn)場試驗驗證，對拓寬煤礦井下定向鉆進技術的適用范圍，提升礦井災害防治能力具有重要理論和工程價值。

1 煤礦井下泥漿脈沖信號發(fā)生機構(gòu)

1.1 信號傳輸方式選擇

泥漿脈沖信號傳輸方式主要有正脈沖、負脈沖和連續(xù)脈沖3種。其中正脈沖傳輸主要通過控制鉆桿中心水力通道面積引起泵壓升高來傳遞測量信號，原理如圖1所示。負脈沖傳輸利用專用鉆桿上的泄流孔，通過降低鉆桿柱內(nèi)部的沖洗液壓力實現(xiàn)信號傳輸。連續(xù)脈沖傳輸則利用旋轉(zhuǎn)閥式脈沖發(fā)生器連續(xù)改變鉆桿內(nèi)沖洗液流動通道面積，從而產(chǎn)生連續(xù)壓力脈沖。

圖1 正壓力脈沖產(chǎn)生原理示意

3種信號傳輸方式相比，雖然正脈沖的信號傳輸速度較慢，但其具有儀器尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單、便于操作和維護、信號傳輸穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢。尤其是煤礦井下定向鉆孔一般近水平，甚至具有上仰孔段，鉆進過程中常伴有瓦斯氣體，為確保泥漿脈沖信號穩(wěn)定傳輸，宜選取正脈沖作為礦用泥漿脈沖隨鉆測量系統(tǒng)的信號傳輸方式。

泥漿脈沖信號發(fā)生機構(gòu)設計由驅(qū)動短節(jié)和脈沖發(fā)生器兩部分組成，采用比例先導控制技術，以滿足煤礦井下小泵量、低泵壓、小直徑工作需要。

1.2 驅(qū)動短節(jié)設計

驅(qū)動短節(jié)用于根據(jù)鉆孔軌跡測量數(shù)據(jù)編碼產(chǎn)生先導控制脈沖，進而控制脈沖發(fā)生器產(chǎn)生壓力脈沖信號，實現(xiàn)泥漿脈沖信號傳輸。

驅(qū)動短節(jié)主要由電磁閥、先導控制組件和硬件電路組成。如圖2所示，電磁閥由下靜磁體、動磁體、電磁鐵殼體、線圈骨架、脈沖幅值調(diào)整桿和上靜磁體等組成。先導控制組件由伸縮桿、復位彈簧、伸縮膠套、先導閥頭、閥座總成、調(diào)整鎖母、連接頭、緩沖膠套和泄流接頭等組成。硬件電路主要由儲能電路、充電電路和控制電路組成，均設置于隔爆殼體內(nèi)。

圖2 驅(qū)動短節(jié)結(jié)構(gòu)

當需要進行信號發(fā)射時，控制電路控制充電電路給儲能電路充電;充電結(jié)束后，控制電路控制儲能電路通過線圈骨架上的電磁線圈放電，下靜磁鐵被磁化并吸合上靜磁鐵。上靜磁鐵帶動活動短柱、伸縮桿和先導閥頭移動，先導閥頭堵塞閥座總成，從而產(chǎn)生先導控制脈沖。當無電流時，磁性消失，在復位彈簧作用下，流道恢復，沖洗液從泄流接頭上的泄流口排出。

電磁閥控制了泥漿脈沖信號的發(fā)射頻率。脈沖幅值調(diào)整桿和調(diào)整鎖母可分別控制先導閥頭的行程和閥座總成的安裝位置，從而控制堵塞流道的多少，即先導控制脈沖的幅值大小。

為確保先導控制組件長期穩(wěn)定工作，設置了伸縮膠套和緩沖膠套，其內(nèi)注入潤滑油，對先導控制組件進行保護，防止生銹和產(chǎn)生毛刺，保證活動短柱、伸縮桿和先導閥頭活動自如。

1.3 脈沖發(fā)生器設計

脈沖發(fā)生器用于控制鉆桿內(nèi)水力通道面積，進行鉆孔軌跡測量數(shù)據(jù)的發(fā)射。針對小直徑要求，脈沖發(fā)生器采用一體式結(jié)構(gòu)，由殼體和內(nèi)部組件組成，如圖3所示。殼體用于安裝內(nèi)部組件，并可承受鉆進扭矩和壓力。內(nèi)部組件主要由濾網(wǎng)組件、閥桿組件和對接組件等組成，內(nèi)部組件整體組裝在一起后，固定在殼體內(nèi)。

儀器安裝時，驅(qū)動短節(jié)與脈沖發(fā)生器連接，驅(qū)動短節(jié)的連接頭進入脈沖發(fā)生器的對接座內(nèi)。當需要進行信號發(fā)射時，驅(qū)動短節(jié)內(nèi)電磁閥控制先導閥頭堵塞連接頭內(nèi)的過流通道。在流道控制閥上下產(chǎn)生水壓差，水壓差使流道控制閥動作，減少鉆桿內(nèi)水力通道面積，限制沖洗液流動，從而引起泥漿泵泵壓升高，產(chǎn)生脈沖信號的上升沿;當先導閥頭縮回時，連接頭內(nèi)過流通道恢復，流道控制閥向下移動，打開水力通道，沖洗液流動恢復正常，形成壓力脈沖的下降沿。

圖3 脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)

流道控制閥與孔板之間的間隙大小直接控制了脈沖信號幅值的大小。

2 煤礦井下泥漿脈沖信號傳輸模型

煤礦井下定向鉆進時，水力通道為開式體系，即沖洗液不循環(huán)使用，泥漿脈沖信號傳輸?shù)乃νǖ滥Ｐ腿鐖D4所示。采用泥漿泵從水箱中吸取沖洗液，加壓后通過鉆桿柱向鉆孔內(nèi)輸送;沖洗液驅(qū)動孔底螺桿馬達帶動鉆頭碎巖后，攜帶巖屑從鉆桿柱與鉆孔之間的環(huán)狀間隙返回孔口沉淀箱，再由排污泵清理至礦井污水倉。泥漿泵上安裝有空氣包，泥漿泵與鉆桿柱間采用高壓膠管連接。

圖4 煤礦井下定向鉆進水力通道模型

礦用泥漿脈沖隨鉆測量系統(tǒng)由測量探管、壓力傳感器和防爆計算機組成，測量探管安裝在孔底螺桿馬達之后的無磁外管中，其內(nèi)脈沖信號發(fā)生機構(gòu)根據(jù)信號傳輸協(xié)議控制泥漿泵壓力變化，將孔內(nèi)測量數(shù)據(jù)傳輸至孔口?？卓趬毫鞲衅靼惭b在泥漿泵出水口，將泥漿壓力脈沖信號轉(zhuǎn)換為電信號后，交由孔口防爆計算機進行解調(diào)顯示。

礦用泥漿脈沖隨鉆測量系統(tǒng)采用壓力正脈沖進行信號傳輸，其信號傳輸通道為孔內(nèi)儀器上部鉆桿柱的中部空間，其信號傳輸方向與沖洗液流動方向相反?？變?nèi)儀器工作時，脈沖發(fā)生器在一定時間內(nèi)堵截鉆桿過流通道，隨著通道中水流阻力的增大，在沖洗液中形成壓力正脈沖。在鉆桿柱被堵截的瞬間形成壓力脈沖的前沿，而在閥門打開的瞬間形成壓力脈沖的后沿。脈沖的長度等于脈沖發(fā)生器堵截鉆桿柱中心孔的時間。

3 泥漿脈沖信號傳輸特性

3.1 信號傳輸速度

孔內(nèi)脈沖信號發(fā)生機構(gòu)產(chǎn)生泥漿脈沖信號后，將沿鉆桿中心孔向孔口傳播，與沖洗液的流動方向相反，泥漿脈沖信號的傳輸速度為

vc=vg-v

(1)

式中，vc為泥漿脈沖信號的傳輸速度，m/s;vg為壓力脈沖波的傳播速度，m/s;v為沖洗液流動速度，m/s。

沖洗液在鉆桿柱中的流動速度與泥漿泵流量和鉆桿柱中心通道面積相關，即:

(2)

式中，Q為沖洗液流量，m3/s;S為鉆桿柱中心通道面積，m2;d為鉆桿柱內(nèi)徑，m。

基于水擊理論，壓力脈沖波的傳播速度等于鉆桿柱內(nèi)水擊波的傳播速度，即:

(3)

式中，ρ為沖洗液的密度，kg/m3;Eg為鉆桿柱可壓縮性導出的沖洗液體積彈性模量，N/m2，其計算公式為

(4)

式中，E0為沖洗液的體積彈性模量，N/m2;E為鉆桿柱材料的彈性模量，N/m2;δ為鉆桿柱壁厚，m。

將式(4)代入式(3)，可得

(5)

將式(2),(5)代入式(1)，可得:

(6)

煤礦井下一般采用清水作為鉆進沖洗液，E0=2.18×106kN/m2，ρ=1 000 kg/m3;泥漿泵流量一般為200～300 L/min，鉆桿直徑為73 mm和89 mm兩種規(guī)格，E=2.06×108kN/m2。在正常工作情況下，沖洗液流動速度小于1 m/s，遠小于壓力脈沖波傳播速度，因此可忽略。則脈沖信號傳輸速度主要與鉆桿的內(nèi)徑和壁厚相關，煤礦井下常用鉆桿的泥漿脈沖信號傳輸速度見表1。

表1 泥漿脈沖信號的傳輸速度

Table 1 Transmission speed of mud pulse signal

外徑D/mm內(nèi)徑d/mm壁厚δ/mm比值(d/δ)傳輸速度/(m·s-1)7363512.601386.467361610.171402.48735978.431414.27735787.131423.32735596.111430.477353105.301436.277351114.641441.077349124.081445.118979515.801366.208977612.831384.958975710.711398.83897389.131409.51897197.891418.008969106.901424.898967116.091430.618965125.421435.43

3.2 信號傳輸強度

脈沖發(fā)生器產(chǎn)生泥漿脈沖信號的強度，即泥漿脈沖信號幅值，主要由流道控制閥與孔板之間的間隙決定，其結(jié)構(gòu)具有噴嘴的特點。將其等效為一個圓錐收縮型單噴嘴，則可采用單噴嘴的節(jié)流壓降公式計算泥漿脈沖信號幅值:

(7)

式中，p0為脈沖發(fā)生器處產(chǎn)出的壓力脈沖幅值，MPa;Cd為噴嘴的無因次流量系數(shù)，可取為0.95;A為孔板和流道控制閥之間的面積，m2，可由式(8)計算:

A=π(R2-r2)

(8)

式中，R為孔板出口端的半徑，m;r為流道控制閥的半徑，m。

由式(7)和(8)可知，脈沖發(fā)生器處壓力脈沖幅值的計算方法為

(9)

3.3 信號衰減規(guī)律

泥漿脈沖信號在鉆桿柱內(nèi)的傳輸時變過程，可以用流體運動近似方程(10)[22]來表示

(10)

式中，p為泥漿脈沖信號的壓力脈沖幅值，MPa;x為鉆桿柱上任意一點到孔口的距離，m;t為泥漿脈沖信號的傳輸時間，s;a為鉆桿柱單位長度上的水力損失系數(shù)，s-1。

其中，

(11)

式中，λ為水力阻力系數(shù)，無量綱。

λ的數(shù)值與沖洗液在鉆桿柱中的流動狀態(tài)有關，沖洗液在鉆桿柱內(nèi)的流動狀態(tài)可根據(jù)雷諾數(shù)Re確定，其計算公式如下:

(12)

式中，μ為沖洗液運動黏度，m2/s;b為水力半徑，m。

臨界雷諾常數(shù)Rec=2 300，若Re

(13)

(14)

將式(2)，(3)代入式(10)，可得

(15)

設

開展示范區(qū)及周邊的農(nóng)作物病蟲監(jiān)測與統(tǒng)一防治、土壤環(huán)境監(jiān)測工作，制定合理使用農(nóng)藥、化肥制度，加強技術指導和培訓。

(16)

將式(16),(11)代入式(15)，則可得泥漿脈沖信號在鉆桿柱中的傳輸方程組:

(17)

當泥漿脈沖信號采用正弦波形式傳輸時，式(17)可改寫為

(18)

ω=2πf

(19)

式中，f為泥漿脈沖信號發(fā)射頻率，Hz。

當載荷均衡時，鉆桿柱上任意一點的泥漿脈沖信號強度p(x)為

p(x)=p0e-γx

(20)

式中，γ為泥漿脈沖信號的傳播系數(shù)。

(21)

式中，α為衰減系數(shù)，m-1;β為相位系數(shù)，m-1。

(22)

根據(jù)式(16),(21)可知，泥漿脈沖信號衰減速度與沖洗液性能、沖洗液流量、鉆桿柱內(nèi)徑、信號發(fā)射頻率和信號傳輸速度相關。由于煤礦井下主要采用清水鉆進，則沖洗液相關性能參數(shù)如下:E0=2.18×106kN/m2，μ=0.897×l0-6m2/s，ρ=1 000 kg/m3。根據(jù)表1計算結(jié)果可知，信號傳輸速度波動較小，可取信號傳輸速度為vg=1 400 m/s。鉆桿采用鋼材，其彈性模量E=2.06×108kN/m2。

圖5 衰減系數(shù)與信號發(fā)射頻率的關系

假設信號發(fā)射頻率f=1 Hz，鉆桿內(nèi)徑d=59 mm，則信號傳輸衰減系數(shù)α與沖洗液流量Q的關系如圖6所示。由圖6可知，隨著沖洗液流量增大，泥漿泵壓力升高，沖洗液流動速度加快，信號傳輸衰減系數(shù)線性增大。

圖6 衰減系數(shù)與沖洗液流量的關系

假設信號發(fā)射頻率f=1 Hz，沖洗液流量Q=300 L/min，則信號傳輸衰減系數(shù)α與鉆桿內(nèi)徑d的關系如圖7所示。由圖7可知，隨著鉆桿內(nèi)徑d增大，鉆桿內(nèi)水力通道面積增大，沖洗液流動速度減慢，信號傳輸衰減系數(shù)逐漸減小。

圖7 衰減系數(shù)與鉆桿內(nèi)徑的關系

目前煤礦井下定向鉆進時，沖洗液流量一般為300 L/min，泥漿脈沖信號發(fā)射頻率1 Hz，選取φ73 mm常規(guī)鉆桿、φ73 mm寬翼片螺旋鉆桿、φ89 mm常規(guī)鉆桿、φ89 mm寬翼片螺旋鉆桿等4種常規(guī)鉆桿進行分析，其相關參數(shù)見表2。假設脈沖信號幅值設計為1 MPa，則不同鉆桿的孔口壓力脈沖信號幅值隨孔深變化曲線如圖8所示，由圖8可知，隨著孔深增加，壓力脈沖信號幅值近似線性衰減，信號衰減幅度φ89 mm常規(guī)鉆桿<φ89 mm寬翼片螺旋鉆桿<φ73 mm常規(guī)鉆桿<φ73 mm寬翼片螺旋鉆桿。

4 信號傳輸影響因素

泥漿脈沖信號孔內(nèi)傳輸和孔口接收時會受到多種因素干擾，造成信號解調(diào)困難。分析泥漿脈沖信號各影響因素的干擾特性，并進行針對性處理，可提高信號的解調(diào)成功率。

表2 煤礦井下常用鉆桿的泥漿脈沖傳輸參數(shù)

Table 2 Pulse transmission parameters of common drilling rod in coal mine

外徑D/mm內(nèi)徑d/mm壁厚/mm傳輸速度/(m·s-1)衰減系數(shù)/10-3m-1737591414.270.1257312491445.110.203897751398.830.0658911671430.620.087

4.1 信號的反射與透射

泥漿壓力脈沖信號傳輸過程中會在水力通道面積發(fā)生變化的位置產(chǎn)生壓力脈沖波的反射和透射，如鉆桿接頭、膠管接頭、螺桿馬達和鉆頭等位置?？紤]壓力脈沖信號的反射和透射現(xiàn)象具有局部特點，與鉆桿柱的長度相比，其軸向尺寸較小，同時，孔口空氣包和高壓膠管可吸收來自脈沖發(fā)生器的直射波和反射波，因此一般可忽略泥漿脈沖信號反射與透射對信號傳輸?shù)挠绊憽?/p>

4.2 孔口泥漿泵噪聲干擾

泥漿脈沖信號傳輸?shù)淖畲蟾蓴_來自于孔口泥漿泵。泥漿泵的泵壓波動系數(shù)和泵量不均勻系數(shù)計算方法為

(23)

(24)

式中，ε為泵壓波動系數(shù);ξ為泵量不均勻系數(shù);Pmax為泥漿泵出口最大泵壓，MPa;Pmin為泥漿泵出口最小泵壓，MPa;Qmax為泥漿泵出口最大泵量，L/min;Qmin為泥漿泵出口最小泵量，L/min;Qcp為泥漿泵出口的平均泵量，L/min。

假設:

(25)

將式(23)，(25)代入式(24)可得:

(26)

假設:

(27)

式中，Pcp為泥漿泵出口的平均泵壓，MPa;Pr為泥漿泵出口的額定泵壓，MPa。

則:

(28)

式中，ΔPh為泥漿泵出口的泵壓變化幅值，MPa。

目前煤礦井下多采用往復式泥漿泵，其泵壓波動系數(shù)較大，將嚴重影響泥漿脈沖的信號傳輸效果。針對該問題，可在泥漿泵出口設置空壓包，以平衡泥漿泵泵壓波動。經(jīng)空壓包穩(wěn)壓后的泵壓不均勻性可由式(29)確定:

(29)

式中，ξp為經(jīng)空壓包穩(wěn)壓后的泵壓不均勻系數(shù)。

則經(jīng)空壓包穩(wěn)壓后的泥漿泵泵壓變化幅值為

(30)

式中，ΔPk為經(jīng)空壓包穩(wěn)壓后的泥漿泵泵壓變化幅值，MPa。

泥漿脈沖信號發(fā)射頻率與泥漿泵泵壓波動頻率存在一定的疊加區(qū)域，且孔口泥漿脈沖信號接收用壓力變送器安裝在空壓包之后，與干擾源泥漿泵的距離較近，因此為確?？煽啃盘柦邮?，應使傳輸?shù)娇卓诘哪酀{脈沖信號幅值大于泥漿泵的經(jīng)空壓包穩(wěn)壓后的泥漿泵泵壓變化幅值，即

(31)

相對于泥漿泵的正常泵壓波動而言，泥漿泵零部件損壞的異常泵壓波動影響更大，如活塞密封漏水、閥座損壞等，將嚴重影響孔口泥漿脈沖信號接收，可選用液驅(qū)泥漿泵來減少泥漿泵的正常泵壓波動;注意泥漿泵的維護保養(yǎng)，減少異常泵壓波動。

4.3 孔內(nèi)鉆頭旋轉(zhuǎn)和沖洗液流道阻塞

煤礦井下信號傳輸時，一般不進行鉆進施工，但此時孔底螺桿馬達仍將帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)。鉆頭的回轉(zhuǎn)角速率為

(32)

式中，θ為鉆頭的回轉(zhuǎn)角速率，rad/s;n為螺桿馬達轉(zhuǎn)速，r/min。

根據(jù)螺桿馬達工作特性可知，在不計各種損失的情況下，其轉(zhuǎn)速計算公式為

(33)

式中，q為螺桿馬達每轉(zhuǎn)排量，是一個結(jié)構(gòu)參數(shù)，僅與線型和幾何尺寸有關，m3/r。

螺桿馬達的轉(zhuǎn)速與螺桿馬達的自身特性有關，煤礦井下用螺桿馬達額定轉(zhuǎn)速一般為200 r/min以上，其對信號傳輸?shù)母蓴_頻率與泥漿脈沖信號傳輸頻率相差較大。且由于該干擾位于孔底，隨著向孔口的傳播和衰減，可忽略干擾信號。

如果信號傳輸時，存在繼續(xù)進行定向鉆進的情況，由于碎巖動力需要和PDC鉆頭碎巖的黏滯效應，將會產(chǎn)生鉆頭轉(zhuǎn)速快速降低甚至停轉(zhuǎn)，泥漿泵壓力升高或波動等情況，導致有用信號被噪聲信號淹沒，造成孔口信號無法解調(diào)。此外，鉆頭水眼堵塞和環(huán)空不暢等情況也會引起泵壓升高，造成孔口信號解調(diào)難度增加。因此建議進行信號傳輸時，應將鉆頭提離孔底一定距離，確保鉆孔環(huán)空間隙沖洗液流動順暢，以減少對信號傳輸?shù)母蓴_。

5 現(xiàn)場試驗

基于以上分析，研制了YHD3-1500型礦用泥漿脈沖隨鉆測量系統(tǒng)，其額定傳輸距離為1 500 m，脈沖信號幅值設計為2 MPa，信號傳輸頻率設計為1 Hz。

系統(tǒng)在晉城寺河礦東五盤區(qū)進行了測量與傳輸準確性試驗和傳輸深度與衰減試驗，試驗鉆孔類型均為本煤層瓦斯抽采定向鉆孔。試驗裝備主要有ZDY12000LD定向鉆機、BLY390/12泥漿泵車、φ73 mm常規(guī)外平鉆桿和YHD3-1500礦用泥漿脈沖隨鉆測量系統(tǒng)。

試驗目標地層為3號煤，平均厚度6.50 m。基本頂為中粒砂巖，平均厚度7.82 m。直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度2.79 m。偽頂為炭質(zhì)泥巖，呈灰黑色，遇水易膨脹，平均厚度為0.21 m。

5.1 測量與傳輸準確性試驗

系統(tǒng)測量與傳輸準確性試驗在東五盤區(qū)53015巷20號橫川鉆場進行，先采用礦用有線隨鉆測量系統(tǒng)配合中心通纜式鉆桿進行鉆孔施工，實鉆鉆孔深度達到1 209 m，共施工分支孔5個。

鉆孔成孔后，下入礦用泥漿脈沖隨鉆測量系統(tǒng)對鉆孔軌跡復測至1 002 m。鉆孔軌跡復測時，共進行346次測量，其中解調(diào)錯誤11次，信號傳輸誤碼率為3.2%。鉆孔軌跡復測與實鉆數(shù)據(jù)對比見表3，剖面軌跡對比如圖9所示，測量數(shù)據(jù)吻合，偏差較小，證明了系統(tǒng)測量精度高，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，可滿足定向鉆孔軌跡測控需要。

表3 測量與傳輸準確性試驗鉆孔軌跡參數(shù)對比

Table 3 Parameter comparison of drilling trajectory in measurement and transmission accuracy test

孔深上下位移左右位移水平位移實鉆軌跡/m1002-28.15118.37976.26復測軌跡/m1002-28.71119.38976.24偏差/m—0.56-1.010.02偏差率/%—0.056-0.1010.002

圖9 測量與傳輸準確性試驗鉆孔軌跡剖面圖對比

5.2 傳輸深度與衰減試驗

系統(tǒng)傳輸深度與衰減試驗選擇在東五盤區(qū)西回風巷掘進工作面鉆場進行，直接采用礦用泥漿脈沖隨鉆測量系統(tǒng)進行定向鉆進施工，完成1個孔深1 566 m的定向鉆孔，總進尺2 808 m，分支孔19個，鉆孔實鉆軌跡剖面圖如圖10所示，鉆進過程中系統(tǒng)運行無故障，工作穩(wěn)定可靠。

圖10 傳輸深度與衰減試驗鉆孔實鉆軌跡剖面

鉆孔施工過程中，脈沖信號實際幅值與理論計算幅值對比如圖11所示，由圖11可知，脈沖信號實際幅值的衰減趨勢與理論計算一致，兩者誤差隨孔深增加而逐漸增大，但一般小于10%。脈沖信號實際幅值衰減速度大于理論計算幅值，且部分測點的脈沖信號幅值存在突變異常情況，分析主要原因如下:① 理論計算時將鉆桿簡化為內(nèi)外平的圓管，但試驗采用的鉆桿為摩擦焊接式結(jié)構(gòu)，鉆桿接頭處內(nèi)徑小于管體處內(nèi)徑，增加了脈沖信號損失;② 鉆桿連接處存在密封漏水情況，增加了脈沖信號損失;③ 試驗用泥漿泵車的輸出流量可無級調(diào)節(jié)，測量時沖洗液流量控制精度不足;④ 鉆桿與孔壁間的環(huán)狀間隙的通暢情況對信號傳輸存在不利影響，如孔內(nèi)鉆渣積聚、局部發(fā)生孔壁坍塌等，將增加泥漿泵泵壓和脈沖信號衰減。但總的來說，模型理論分析結(jié)果與實鉆情況較吻合，驗證了模型理論分析的準確性，同時證明開發(fā)的系統(tǒng)具備更深的信號傳輸能力。

圖11 脈沖信號實際幅值與理論計算幅值對比

6 結(jié) 論

(1)結(jié)合煤礦井下近水平定向鉆孔施工特點，小泵量、低泵壓和小直徑條件下工作需要，選擇正脈沖信號傳輸方式，采用比例先導控制技術，開發(fā)了礦用泥漿脈沖信號發(fā)生裝置，形成了礦用泥漿脈沖隨鉆測量系統(tǒng)，現(xiàn)場試驗實鉆最大傳輸距離達到1 566 m，信號傳輸準確可靠，滿足1 500 m以上近水平定向鉆孔施工需要。

(2)建立了泥漿脈沖信號發(fā)生機構(gòu)和水力通道模型，分析了泥漿脈沖信號傳輸速度、信號傳輸強度和信號衰減規(guī)律。分析結(jié)果表明，信號傳輸速度主要與鉆桿的內(nèi)徑和壁厚相關，以清水作為沖洗液，信號傳輸速度在1 366.20～1 445.11 m/s。信號脈沖幅值主要由流道控制閥與孔板之間的間隙決定，可改變間隙大小來調(diào)整信號脈沖幅值。信號傳輸衰減系數(shù)與沖洗液流量、鉆桿柱內(nèi)徑和信號發(fā)射頻率密切相關，隨沖洗液流量增大而線性增加，隨鉆桿柱內(nèi)徑增大而逐漸減小，當信號發(fā)射頻率f>0.2 Hz后，衰減系數(shù)維持在0.126×10-3m-1左右;采用煤礦井下常用鉆桿，孔深1 500 m時的孔口接收的信號強度為孔內(nèi)信號發(fā)射強度的73.74%～90.71%，為礦用泥漿脈沖隨鉆測量系統(tǒng)的開發(fā)和使用提供了理論基礎。

(3)泥漿脈沖信號傳輸?shù)闹饕蓴_因素為信號的反射與透射、泥漿泵噪聲干擾、孔內(nèi)鉆頭旋轉(zhuǎn)干擾和沖洗液流道阻塞等，其中信號的反射與透射可忽略;泥漿泵噪聲干擾影響最大，應確保傳輸?shù)娇卓诘哪酀{脈沖信號幅值大于泥漿泵經(jīng)空壓包穩(wěn)壓后的泥漿泵泵壓變化幅值，優(yōu)先選用液驅(qū)泥漿泵，并注意維護保養(yǎng);孔內(nèi)鉆頭旋轉(zhuǎn)對信號傳輸?shù)挠绊懣珊雎?，但不宜在信號傳輸時進行鉆進施工;沖洗液流道阻塞對信號傳輸影響較大，測量時鉆頭應提離孔底，并保持孔內(nèi)通暢。