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摘要：針對(duì)現(xiàn)有幾種煤礦井下隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸方式在實(shí)際應(yīng)用中的局限性，提出利用鉆桿中傳播的聲波，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，以彌補(bǔ)現(xiàn)有隨鉆數(shù)據(jù)傳輸方式的不足。通過對(duì)鉆桿柱中聲波傳播特性的數(shù)學(xué)分析及試驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了鉆桿柱中聲波信號(hào)的衰減及適應(yīng)頻率；基于換能器的研究設(shè)計(jì)了滿足煤礦井下工況條件的聲波信號(hào)源；通過隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸試驗(yàn)，驗(yàn)證了聲波在鉆桿柱中傳輸數(shù)據(jù)的通信效果，證明礦用鉆桿中通過聲波傳輸隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)的可行性。

關(guān)鍵詞：礦用鉆桿；隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)；聲波通信；信號(hào)源；換能器

隨鉆測(cè)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(cè)量系統(tǒng)作為煤礦井下隨鉆測(cè)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(cè)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(shí)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(cè)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(chǎng)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(shì)，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(dòng)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(hào)易受地層及周邊設(shè)備電磁干擾，對(duì)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(hào)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(cè)量數(shù)據(jù)編碼，并按照編碼格式敲擊發(fā)送聲波信號(hào)，聲波信號(hào)耦合到鉆桿壁并沿鉆桿壁向孔口傳輸，振動(dòng)傳感器吸附在鉆桿端頭將聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，接收解碼模塊接收振動(dòng)傳感器發(fā)出的電信號(hào)并解碼，數(shù)據(jù)顯示模塊接收解碼信號(hào)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(hào)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。

2鉆桿柱中聲波傳播特性

利用鉆桿中聲波傳輸隨鉆測(cè)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。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(hào)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(shí)不容易發(fā)生散射，但會(huì)在每個(gè)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(hào)強(qiáng)度將逐漸衰減，造成信號(hào)衰減的主要原因?yàn)槁暡l率、鉆桿接箍和周圍介質(zhì)的阻尼[4]。聲波信號(hào)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(hào)在井內(nèi)沿鉆桿傳輸時(shí)，部分聲能量轉(zhuǎn)換為分子熱運(yùn)動(dòng)所需的能量，導(dǎo)致信號(hào)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(duì)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(hào)的頻率f對(duì)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(shí)如果傳輸信號(hào)的頻率f的提高那么衰減系數(shù)也會(huì)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(hào)的損失。通過連接單根長度1.5m、直徑63.5mm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(cè)量聲波信號(hào)強(qiáng)度，獲得鉆桿中聲波信號(hào)幅值變化數(shù)據(jù)，鉆桿柱中聲波信號(hào)衰減示意圖如圖3。通過實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)曲線擬合出的趨勢(shì)公式與衰減規(guī)律公式相互驗(yàn)證，證明了相互的正確性。不同鉆桿柱長度接收信號(hào)原始波形如圖4，在測(cè)試接收振動(dòng)信號(hào)時(shí)，發(fā)現(xiàn)在聲源振動(dòng)穩(wěn)定情況下，接收端每次接收到信號(hào)脈沖寬度不大于40ms。為避免造成脈沖間信號(hào)的相互干擾，信號(hào)最大傳輸頻率不大于25Hz為宜。

3聲波信號(hào)源

利用鉆桿中的聲波傳輸數(shù)據(jù)，需要一個(gè)可靠的信號(hào)發(fā)聲裝置，即聲波信號(hào)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(jì)了煤礦井下工況條件的聲波信號(hào)源[7-12]，聲波信號(hào)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(lì)線圈作用是施加激勵(lì)電流信號(hào)，以至產(chǎn)生交變磁場(chǎng)；超磁致伸縮材料作為換能器驅(qū)動(dòng)元件，其處在變化磁場(chǎng)環(huán)境中，能夠產(chǎn)生伸縮振動(dòng)；敲擊塊代表超磁致伸縮材料伸縮振動(dòng)推動(dòng)敲擊塊振動(dòng)，向設(shè)備外殼輻射聲波，是最終輸出元件。信號(hào)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(dòng)電路的共同作用。滿足要求的驅(qū)動(dòng)電路要具備2個(gè)性能：①發(fā)射的功率要大，這樣可以增強(qiáng)聲波信號(hào)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(huì)拉低信號(hào)傳輸速率,這2種情況都會(huì)降低數(shù)據(jù)傳輸性能。

4數(shù)據(jù)傳輸試驗(yàn)

為了精確測(cè)試隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)聲波傳輸效果，搭建了試驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)連接圖如圖6，圖中鉆桿柱由30根準(zhǔn)63.5mm×1.5m常規(guī)外平鉆桿連接組成。其中發(fā)送計(jì)算機(jī)隨機(jī)發(fā)送1組隨鉆測(cè)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(hào)源按照編碼方式敲擊，敲擊產(chǎn)生的聲波信號(hào)沿鉆桿柱縱向傳播；另一端，振動(dòng)傳感器將接收到鉆桿中的聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，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(jì)算機(jī)顯示，通過對(duì)比2臺(tái)計(jì)算機(jī)中發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)，可判定隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)的傳輸效果。按照?qǐng)D6連接試驗(yàn)設(shè)備并設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)，在發(fā)送端計(jì)算機(jī)上隨機(jī)發(fā)送隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)上百次，在接收端計(jì)算機(jī)上比較傳輸效果，統(tǒng)計(jì)接收誤碼率在0~1%之間。

5結(jié)語

基于以上理論及試驗(yàn)驗(yàn)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(hào)源敲擊功率基本能夠克服信號(hào)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(yàn)中還有很多試驗(yàn)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(yàn)條件進(jìn)行驗(yàn)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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作者：高珺 馬宏偉 石智軍 單位：西安科技大學(xué)