煤礦井下EM-MWD儀器研制

康厚清

（1.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037）

煤礦井下定向鉆進是解決煤礦采空區(qū)瓦斯抽采問題[1]、煤礦采空區(qū)探放水問題[2]和煤礦斷層探測問題[3]的重要技術手段。隨鉆測量傳輸是實現(xiàn)定向鉆進的基礎和關鍵，而煤礦井下隨鉆測量傳輸方式主要是通纜鉆桿有線傳輸[4]。但通纜鉆桿加工成本高，而且鉆桿強度受到限制，影響鉆進成本和安全性[4-5]。而電磁無線隨鉆測量(EM-MWD)傳輸利用普通鉆桿與地層作為傳輸信道[6]，無需專用通纜鉆桿，并且在地面石油鉆井應用較為成熟，其傳輸距離可達3 500 m[7]，因此在煤礦井下隨鉆測量具有良好的應用前景。

1 EM-MWD工作機理

石油EM-MWD主要采用垂直電激勵方式[8]，地面EM-MWD工作機理如圖1，絕緣天線將鉆桿分成電氣隔離的上下2部分，形成非對稱電偶極子。發(fā)射機將隨鉆測量信號進行編碼和功率放大后加載在絕緣天線兩端形成沿鉆桿引導的超低頻周期激勵電流，該激勵電流在鉆機附近形成準靜電場，從而在鉆機附近形成電位梯度。接收機采樣鉆桿與接收天線之間電壓差后處理、解調出隨鉆測量信號。

煤礦井下EM-MWD工作機理與地面EMMWD相似，煤礦井下EM-MWD工作機理如圖2，主要特點在于：①發(fā)射機本安設計，限制發(fā)射功率；②發(fā)射機外徑小，限制電池容量與工作時間；③絕緣天線外徑小，近水平鉆進情況多，絕緣天線機械強度與耐磨性要求高；④接收天線布置位置受限，降低接收信號強度。

圖1 地面EM-MWD工作機理

圖2 煤礦井下EM-MWD工作機理

2 關鍵技術

研制的ZKG300煤礦井下EM-MWD儀器由發(fā)射機、無磁鉆桿、絕緣天線、孔口接收機、接收天線與防爆電腦組成。發(fā)射機安裝在無磁鉆桿內(nèi)，隨鉆測量鉆頭姿態(tài)信號，經(jīng)編碼及功率放大后加載在絕緣天線兩端進行電磁無線傳輸。所有孔內(nèi)部件連接后整體總長2.358 m。孔口接收機通過接收天線采樣微弱EM-MWD信號后進行放大、濾波后傳輸給防爆電腦進行解碼存儲，最終生成三維鉆孔軌跡圖形。針對煤礦井下EM-MWD特點，儀器研制關鍵部分是電池工作時間長的發(fā)射機、耐磨性高的絕緣天線及高靈敏度接收機。

1）發(fā)射頻率。針對EM-MWD發(fā)射頻率及最大可傳輸距離問題，廣大學者對傳輸信道進行了大量的分析。文獻[4,8-12]分析了傳輸信道、地形分層特性，經(jīng)過理論分析計算與驗證、試驗測試與現(xiàn)場驗證，EM-MWD工作頻率范圍主要在5～20 Hz，傳輸距離可達3 000～5 000 m。文獻[4]指出適宜開展煤礦井下EM-MWD的條件是電磁發(fā)射信號頻率不高于30 Hz且近水平電磁信號傳輸距離不長于2 000 m。根據(jù)文獻[4]對不同頻率的衰減計算結果分析，發(fā)射頻率在10 Hz以下使用范圍最寬，與地面石油EM-MWD特性一致。根據(jù)地面模擬多種高、中、低地層阻抗傳輸試驗結果，綜合地面及井下EM-MWD傳輸理論分析，本儀器發(fā)射頻率采用6.25 Hz和12.5 Hz。

2）編碼方式。傳統(tǒng)隨鉆測量信號編碼方式采用二進制相移鍵控(BPSK）方式，連續(xù)發(fā)射，大量消耗電池電量。而差分脈沖位置調制（DPPM）編碼占空比很小[13]，僅在脈沖信號發(fā)生期發(fā)射EM-MWD載波，在沒有脈沖信號期間停止發(fā)射，可極大延長電池有效工作時間。

3）發(fā)射機省電設計。發(fā)射機外徑25 mm，采用8節(jié)AA型Ni-MH電池供電。發(fā)射機整體電路框圖如圖3。低功耗MCU對整個發(fā)射機電路進行管理，采集和計算微功耗MEMS傳感器數(shù)據(jù)、信號編碼、發(fā)射板電源管理及發(fā)射驅動電路管理，使發(fā)射機在不同工況下進入省電模式與休眠模式。當鉆機鉆進時發(fā)射機進入省電模式，僅MCU與MEMS傳感器供電進行隨鉆監(jiān)測與測量；當鉆機長時間不工作時整個發(fā)射機進入休眠模式，MCU進入極低功耗運行狀態(tài)檢測μA級MEMS震動傳感器，最大限度的延長電池工作時間。發(fā)射機工作流程如圖4。

圖3 發(fā)射機電路框圖

圖4 發(fā)射機工作流程圖

4）絕緣天線。絕緣天線是煤礦井下EM-MWD儀器的關鍵部件，分為上、下2節(jié)，中間采用螺紋絕緣連接，中間部分內(nèi)、外部加工、噴涂高強度絕緣材料。它不僅要求具有普通鉆桿的強度，同時還要求絕緣、耐磨。經(jīng)與多家企業(yè)多次合作開發(fā)并經(jīng)過多次現(xiàn)場試驗及改進，采用特殊材料、特殊工藝、精心制作，并在絕緣外層涂覆多層金剛砂提高耐磨性，最終研制出高強度、高耐磨性的φ73 mm小尺寸絕緣天線，螺紋絕緣層厚度僅為0.1 mm，內(nèi)絕緣層厚度1 mm，外絕緣層厚度3 mm，絕緣電阻2 MΩ，抗扭強度4 kN·m。

5）信號接收。煤礦井下EM-MWD發(fā)射機需本安防爆，發(fā)射功率小于5 W，發(fā)射信號通過普通鉆桿與高電阻率的煤巖層傳輸后，在鉆機附近形成的電位梯度小，同時接收天線布置空間受限，接收信號微弱；井下工作環(huán)境電氣噪聲與干擾較大，信擾比低。根據(jù)圖2煤礦井下EM-MWD工作機理，接收信號經(jīng)過放大與低通濾波后采用RLS自適應濾波算法實現(xiàn)數(shù)字濾波，濾除工頻干擾與鉆機工作的非穩(wěn)態(tài)干擾，實現(xiàn)了信擾比在-100 dB下信號提取。提取后的信號根據(jù)進行解碼存儲后發(fā)送給軌跡軟件生成實時三維軌跡。接收信號處理框圖如圖5。

圖5 接收信號處理框圖

3 現(xiàn)場試驗

ZKG300 EM-MWD儀器首先進行電磁無線隨鉆傳輸基本功能試驗。在黑龍江某礦有1個已知檢驗鉆孔貫穿2條巷道，通過井下地質測量已經(jīng)確定鉆通孔兩端空間位置進而知道鉆孔直線軌跡。選用發(fā)射頻率6.25 Hz，采用φ63 mm普通鉆桿推進，鉆孔長75 m。整個試驗過程接收機解碼信號清晰，信噪比質量很好，EM-MWD隨鉆測量軌跡與實際鉆孔直線軌跡一致性很好。隨后在該礦進行新開孔EMMWD隨鉆測量實驗，選用發(fā)射頻率6.25 Hz，開孔傾角5°，方位角263°，用φ63 mm普通鉆桿在巖層巷道中鉆進。在鉆進至98 m位置時，信號突然減弱，繼續(xù)鉆進，信號減弱至不能正確解碼。退鉆后發(fā)現(xiàn)，絕緣天線外絕緣層磨損，絕緣電阻降低，導致發(fā)射信號衰減過大。經(jīng)與合作廠家多次研究試驗后采用涂覆多層金剛砂工藝提高絕緣天線耐磨性。改進后的絕緣天線繼續(xù)在該礦和國內(nèi)其他4個礦區(qū)分別進行了近水平和大傾角的全方位EM-MWD隨鉆測量試驗，巖層鉆進試驗了420 m隨鉆測量，煤層鉆進試驗了310 m隨鉆測量。在黑龍江某次試驗晚班鉆進71 m時鉆機部件發(fā)生故障，鉆機停止工作，需等待早班工作人員攜帶更換部件下井維修，儀器進入休眠狀態(tài)；鉆機正常工作后儀器退出休眠狀態(tài)開始正常工作并直至鉆完孔210 m。

4 結語

研制的ZKG300煤礦井下EM-MWD儀器采用普通鉆桿與煤巖層作為傳輸介質，無需專用通纜鉆桿進行隨鉆測量傳輸。儀器適合井下常用φ63 mm與φ73 mm鉆桿，φ73 mm小直徑絕緣天線機械強度與耐磨性達到隨鉆測量實用要求。

需進一步研究煤礦井下EM-MWD傳輸信道特性，開發(fā)相應EM-MWD技術，在本安發(fā)射功率限制條件下提高傳輸距離。還需進一步優(yōu)化發(fā)射機電池及結構設計，提高儀器工作時間至7～10 d。