礦用鉆桿中聲波通信技術研究

高 珺，馬宏偉，石智軍

（1．西安科技大學 機械工程學院，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）

隨鉆測量定向鉆進由于具有軌跡可控、孔底回轉、鉆孔深度大等優點，在國內外煤礦井下瓦斯抽采、防治水、地質構造或異常體勘探中得到越來越多的應用。礦用隨鉆測量系統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據傳輸技術是礦用隨鉆測量系統的應用基礎和關鍵技術，直接關系著施工人員能否及時準確地獲得孔底鉆具姿態參數并實施定向鉆進[1]。

目前滿足煤礦井下防爆要求的隨鉆測量系統有3 種數據傳輸方式：有線、泥漿脈沖和電磁波[2]。有線數據傳輸系統作為市場上主流產品具有穩定性高，定向鉆進效率高的優勢，缺點是必須使用通纜鉆桿進行鉆進，造成鉆進成本高，且不利于進行復合鉆進提高鉆進效率；泥漿脈沖數據傳輸系統具有傳輸距離遠、速率低，可復合鉆進提高長深孔鉆進效率的特點，但由于活動機構的存在，長期使用中需注意維護儀器；電磁波數據傳輸系統具有傳輸速率快，可復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備電磁干擾，對系統穩定性造成一定影響。綜上所述，現有數據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，比如常規回轉鉆孔。

1 礦用鉆桿中聲波傳輸技術

礦用鉆桿中聲波通信技術是利用聲波在鉆桿柱中的傳播特性，從孔底將信號傳輸到孔口顯示的新技術，鉆桿中聲波通信原理圖如圖1，孔內儀器通過將測量數據編碼，并按照編碼格式敲擊發送聲波信號，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換為電信號，接收解碼模塊接收振動傳感器發出的電信號并解碼，數據顯示模塊接收解碼信號進行顯示。其數據傳輸方式依靠鉆桿壁為傳輸介質，通用性更強，適用于常規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構簡單等特點，在煤礦鉆探領域具有很好的應用前景。

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據，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構的鉆桿柱，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，傳輸時不容易發生散射，但會在每個接手處產生反射。由于橫波比縱波更容易在接箍處產生反射，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的阻尼[4]。聲波信號在鉆桿中傳輸的衰減包括鉆桿內部的吸收式衰減和接箍處的反射式衰減，聲波信號在井內沿鉆桿傳輸時，部分聲能量轉換為分子熱運動所需的能量，導致信號強度減弱，這就是聲波傳輸過程中產生吸收式衰減的主要原因[5]。吸收式衰減規律為：

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

在各種因素中，鉆桿周圍介質粘滯阻尼系數ρ和載波信號的頻率f 對聲波衰減系數δ 的影響是最大的，隨著黏滯系數ρ 的增大衰減系數δ 增大，同時如果傳輸信號的頻率f 的提高那么衰減系數也會變大[6]。鉆桿周圍介質的黏滯阻尼系數越大，衰減系數就越大，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據，鉆桿柱中聲波信號衰減示意圖如圖3。通過實際測量數據曲線擬合出的趨勢公式與衰減規律公式相互驗證，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，發現在聲源振動穩定情況下，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據，需要一個可靠的信號發聲裝置，即聲波信號源。結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，設計了煤礦井下工況條件的聲波信號源[7-12]，聲波信號源結構示意圖如圖5。

蝶簧給超磁致伸縮合金施加一定預應力，使其處于壓應力下，因其處于壓應力狀態下，能夠產生更大形變；激勵線圈作用是施加激勵電流信號，以至產生交變磁場；超磁致伸縮材料作為換能器驅動元件，其處在變化磁場環境中，能夠產生伸縮振動；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聲結構的機械參數和驅動電路的共同作用。滿足要求的驅動電路要具備2 個性能：①發射的功率要大，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 種情況都會降低數據傳輸性能。

4 數據傳輸試驗

為了精確測試隨鉆測量數據聲波傳輸效果，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 常規外平鉆桿連接組成。其中發送計算機隨機發送1 組隨鉆測量數據（傾角、方位角、工具面角），經編碼轉換后發送到信號源按照編碼方式敲擊，敲擊產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換為電壓信號，發送給采集電路濾波放大后解調，解調結果再上傳接收計算機顯示，通過對比2 臺計算機中發送和接收的數據，可判定隨鉆測量數據的傳輸效果。

圖6 試驗連接圖

按照圖6 連接試驗設備并設置各項參數，在發送端計算機上隨機發送隨鉆測量數據上百次，在接收端計算機上比較傳輸效果，統計接收誤碼率在0~1%之間。

5 結 語

基于以上理論及試驗驗證，礦用鉆桿中通過聲波進行數據傳輸是完全可行的，調整聲波信號源敲擊功率基本能夠克服信號衰減問題，能夠滿足常規回轉鉆進傳輸距離和結構安裝方面的問題。但數據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：鉆桿柱內外含水、鉆桿柱連接緊密程度不一和鉆桿柱長度增加等。