煤矿井下随钻测量数据声波传输系统.pdf

第4 5 卷第7 期煤炭学报 V 0 1 ．4 5N o ．7 2 0 2 0 年7 月J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y J u l y 2 0 2 0 移动阅读 高瑶，李泉新，陈龙，等．煤矿井下随钻测量数据声波传输系统[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 0 ，4 5 7 2 5 0 7 2 5 1 2 ．d o i 1 0 ． 1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j c e s ．D Z 2 0 ．0 6 6 1 G A OJ u n ，L IQ u a n x i n ，C H E Nb n g ，e ta 1 ．A c o u s t i ct r a n s m i s s i o ns y s t e mo fm e a s u r e m e n td a t aw h i l ed r i l l i n gi nu n d e r - g r o u n dc o a lm i n e [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 2 0 ，4 5 7 2 5 0 7 2 5 1 2 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j C C S ．D Z 2 0 ．0 6 6 1 煤矿井下随钻测量数据声波传输系统 高琚，李泉新，陈龙，张冀冠，李姗 中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安7 1 0 0 5 4 摘要煤矿井下坑道钻探是防治瓦斯和水突出最直接、最有效的技术手段，常规回转钻进工艺因 为工艺简单、成孔速度快和设备要求低等优点成为煤矿坑道钻探的主流施工方式，但其钻进过程中 不能进行钻孔轨迹随钻测量，给煤矿安全开采留下了安全隐患。针对常规回转钻进过程中无法随 钻测量钻孔轨迹的关键问题，进行随钻测量数据声波传输的研究，弥补现有随钻测量数据传输方式 应用于常规回转钻进的不适应性。首先，通过建立钻杆柱中声波传输数学模型、借助仿真分析软件 和搭建声波传输特性试验平台，得到声波在不同钻杆柱结构中传播时幅值衰减和波形变化规律，为 数据传输速率的确定提供理论依据；其次，通过建立稀土超磁致伸缩换能器输出特性数学模型和优 化激励线圈和预压力系统参数，研制钻孔内声波信号发送装置，为声波传输系统提供大功率高精度 信号源；然后，针对接收信号的波形识别问题，通过对识别的信号提取多维特征向量，构建支持向量 机分类器，提出S V M 多维特征向量提取的波形识别方法，解决煤矿复杂工况条件下声波信号的智 能识别问题；最后，通过搭建的随钻测量数据传输平台验证系统在传输距离2 8 9 ．5m 和传输速率 1 0b i t ／s 条件下的运行效果，证明各模块理论模型、设计方法和整体系统的科学性和有效性。 关键词随钻测量数据；声波传输特性；常规回转钻进；磁致伸缩换能器；波形识别 中图分类号P 6 3 4文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 0 0 7 - 2 5 0 7 - 0 6 A c o u s t i ct r a n s m i s s i o ns y s t e mo fm e a s u r e m e n td a t aw h i l ed r i l l i n gi n u n d e r g r o u n dc o a lm i n e G A OJ u n ，L IQ u a n x i n ，C H E NL o n g ，Z H A N GJ i g u a n ，L IS h a n X i ’a nR e s e a r c hI n s t i t u t eo fC h i n aC o a lT e c h n o l o g y E n g i n e e r i n gG r o u pC o r p ．，X i ’a n 71 0 0 5 4 ，C h i n a A b s t r a c t T h eu n d e r g r o u n dr o a d w a yd r i l l i n gi st h em o s td i r e c ta n de f f e c t i v et e c h n i c a lm e a n st op r e v e n tg a sa n dw a t e r o u t b u r s t ．T h ec o n v e n t i o n a lr o t a r yd r i l l i n gt e c h n o l o g yh a sb e c o m et h em a i n s t r e a mm e t h o do ft h er o a d w a yd r i l l i n gb e - c a u s eo fi t s a d v a n t a g e so fs i m p l et e c h n o l o g y ，f a s th o l ef o r m i n gs p e e da n dl o we q u i p m e n tr e q u i r e m e n t s ．H o w e v e r ，t h e d r i l l i n gt r a j e c t o r ym e a s u r e m e n tw h i l ed r i l l i n gc a n n o tb ec a r r i e do u ti nt h ep r o c e s so fd r i l l i n g ，w h i c hl e a v e sah i d d e n r i s kt ot h es a f e t yo fc o a lm i n i n g ．I nv i e wo ft h ek e yp r o b l e mt h a tc o n v e n t i o n a lr o t a r yd r i l l i n gi su n a b l et om e a s u r et h e d r i l l i n gt r a j e c t o r yw h i l ed r i l l i n g ，t h er e s e a r c ho nt h ea c o u s t i ct r a n s m i s s i o no fm e a s u r e m e n td a t aw h i l ed r i l l i n gi sc a r r i e d o u tt oo v e r c o m et h ei n a d a p t a b i l i t yo ft h ee x i s t i n gm e a s u r e m e n td a t at r a n s m i s s i o nm o d ew h i l ed r i l l i n ga p p l i e dt oc o n v e n - t i o n a lr o t a r yd r i l l i n g ．F i r s to fa l l ，b ye s t a b l i s h i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fa c o u s t i cw a v et r a n s m i s s i o ni nt h ed r i l l s t r i n g ，u s i n gt h es i m u l a t i o na n a l y s i ss o f t w a r ea n ds e t t i n gu pt h ea c o u s t i cw a v et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c st e s tp l a t f o r m ，t h ea m p l i t u d ea t t e n u a t i o na n dw a v es h a p ec h a n g er u l e so fa c o u s t i cw a v ep r o p a g a t i o ni nd i f f e r e n td r i l ls t r i n gs t r u c t u r e sa r eo b t a i n e d ，w h i c hp r o v i d e st h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ed e t e r m i n a t i o no fd a t at r a n s m i s s i o nr a t e ．S e c o n d l y ， t h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n to ft h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so ft h er a r e - - e a r t hg i a n tm a g n e t o s t r i c - 收稿日期2 0 2 0 0 4 2 3修回日期2 0 2 0 - 0 5 - 2 5责任编辑郭晓炜 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 7 7 4 3 2 0 ；“十三五”国家科技重大专项资助项目 2 0 1 6 Z X 0 5 0 4 5 0 0 3 0 0 1 作者简介高琚 1 9 8 4 一 ，男，陕西西安人，副研究员，博士。E - m a i l 2 8 1 5 2 7 1 2 6 q q ．c o m 万方数据 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 t i v et r a n s d u c e ra n dt h eo p t i m i z a t i o no ft h ep a r a m e t e r so ft h ee x c i t a t i o nc o i la n dt h ep r ep r e s s u r es y s t e m ，t h ea c o u s t i c s i g n a lt r a n s m i t t i n gd e v i c ei nt h eb o r e h o l ei sd e v e l o p e dt op r o v i d eah i g h - p o w e ra n dh i g h - p r e c i s i o ns i g n a ls o u r c ef o rt h e a c o u s t i ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ．T h e n ，a i m i n ga tt h ep r o b l e mo fw a v e f o r mr e c o g n i t i o no ft h er e c e i v e ds i g n a l ，b ye x t r a c t i n g m u l t i - d i m e n s i o n a lf e a t u r ev e c t o rf r o mt h ei d e n t i f i e ds i g n a l ，aS V Mc l a s s i f i e ri sc o n s t r u c t e d ，a n daw a v e f o r mr e c o g n i t i o n m e t h o do fm u l t i d i m e n s i o n a lf e a t u r ev e c t o re x t r a c t i o ni s p r o p o s e dt o s o l v et h ep r o b l e mo fi n t e l l i g e n tr e c o g n i t i o no f a c o u s t i cs i g n a lu n d e rt h ec o m p l e xw o r k i n gc o n d i t i o n so fc o a lm i n e ．F i n a l l y ，t h eo p e r a t i o ne f f e c to ft h es y s t e mu n d e rt h e c o n d i t i o no f2 8 9 ．5mt r a n s m i s s i o nd i s t a n c ea n d1 0b i t ／st r a n s m i s s i o nr a t ei sv e r i f i e db yt h eM W Dd a t at r a n s m i s s i o n p l a t f o r mb u i l t ，w h i c hp r o v e st h es c i e n t i f i c i t ya n de f f e c t i v e n e s so ft h et h e o r e t i c a lm o d e l ，d e s i g nm e t h o da n do v e r a l ls y s ． t e no fe a c hm o d u l e ． K e yw o r d s M W Dd a t a ；a c o u s t i ct r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c s ；k e y w o r d sc o n v e n t i o n a lr o t a r yd r i l l i n g ；m a g n e t o s t r i c t i v e t r a n s d u c e r ；w a v e f 0 1 3 T Ir e c o g n i t i o n 煤矿坑道钻探在瓦斯抽采和水害防治等领域发 挥着巨大作用，是防治煤矿事故、确保安全高效开采 最直接、最有效的技术手段，每年煤矿井下都要进行 大量钻孔施工J 。常规回转钻进工艺因为工艺简 单、成孔速度快和设备要求低等优点成为煤矿坑道钻 探中应用最广泛、施工量最大的一种施工工艺‘2 ‘3J ， 但其钻进过程中不能测量钻进轨迹，无法确定钻头位 置，甚至在煤层瓦斯抽采时，开孔仅几米后钻孔轨迹 就偏离设计目标进入顶底板，达不到预想的瓦斯抽采 效果，给煤矿开采遗留了安全隐患H 。7o 。目前测量常 规钻孑L 轨迹的仪器有手持式轨迹测量仪和存储式轨 迹测量仪旧。1 ⋯，只能在钻孑L 施工完成后获取钻孔轨 迹，无法解决常规回转钻进过程中的无效钻进问题。 现有矿用随钻测量系统虽然能解决钻进过程中钻孔 轨迹的实时测量问题，但受数据传输方式⋯1 有线、 泥浆脉冲和电磁波 的影响，应用于常规回转钻进的 契合度不高，大面积推广应用难度大。 基于以上情况，开发适用于常规回转钻进，不依 赖特殊钻杆、冲洗介质和地层条件的随钻测量数据传 输系统，才能解决随钻测量系统应用于常规回转钻进 的适应性问题，彻底改变煤矿坑道钻探大面积“盲 打”的现状，为煤矿安全高效开采和数字化矿山建设 提供技术保障。 1 随钻测量数据声波传输系统 随钻测量数据声波传输系统最初的研究起源于 石油勘探行业1 。1 6o ，主要是鉴于钻杆壁中的声波传 输不易受地层和钻井液特性影响，适用性强，传输系 统复杂度低的优点与潜力，国外油服公司率先投入了 大量的人力物力进行研究7 ‘加j ，因为系统传输距离 等问题，一直没有得到推广应用。相较于石油勘探行 业对传输距离的高要求，煤矿坑道常规回转钻进对随 钻测量数据的传输距离要求比较低 一般不大于 3 0 0m ，如图1 所示。 石油} 井轨迹煤矿钻孔轨迹 图1不同工况条件下钻探轨迹示意 F i g ．1 S c h e m a t i cd i a g r a mo fd r i l l i n gt r a c ku n d e rd i f f e r e n t w o r k i n gc o n d i t i o n s 随钻测量数据声波传输系统利用声波在钻杆柱 中的传播特性，从孔底将数据传输到孔I I 显示，如图 2 所示，孔内仪器将测量数据编码，并按照编码格式 敲击发送声波信号，声波信号耦合到钻杆壁并沿钻杆 壁向孔口传输，振动传感器吸附在钻杆端头将声波信 号转换为电信号，接收解码模块接收振动传感器发出 的电信号并解码，数据显示模块接收解码信号进行显 示。其数据传输方式依靠钻杆壁为传输介质，通用性 更强，适用于常规孔和浅孔的定向钻进施工，具备信 号传输速度快、不受地层条件影响和结构简单等特 点，在煤矿钻探领域具有很好的应用前景。 2 钻杆柱中声波传输特性研究 2 ．1 数学模型 利用钻杆柱中声波传输随钻测量数据，必须先研 究钻杆柱中声波传输特性，为了便于进行理论推导， 先将钻杆柱等效为由管体及接头组成的理想周期性 万方数据 第7 期 高J i } } 等煤矿井下随钻测量数据声波传输系统 钻杆柱隆纥笾泼艺纥纥纥纥纥纥纥㈣ 图2随钻测量数据声波传输原理 F i g ．21 l i n c i p l eo t 、a c o u s l i c 。w a v el I a u s m i s s i o no fM W Dd a t a 信道结构，如图3 所示，图中，f ．，n 。分别为单节管体 长度 m 和横截面积 m ；f ，仃分别为单个接头长 度 I T I 和横截面积 1 3 “ 1 。 图3理想钻杆柱信道结构模型 F i g ．3 C h a n n e ls t r u c t u l ‘Pm o d e lo fi d e a lf ∽l Is t r i n g 声波在钻杆柱中的传输过程存在窄通带以及通 阻带交替的色散特性，就钻杆柱结构而言，理想色散 方程为 ㈣七f 1 0 s 堕c o s 丝 M s i n 堕s i l l 唑⋯1 CfCC 式中，k 为波数；f 为单根钻杆的长度，z f ． f ，m ；c 为波 速，n r ／s ；0 9 为角频率；M 为反射系数，M a I ／a 2 n ／a 】。 声波在钻杆中的传播过程可理解为质点受外力 作用下在对应平衡位置的往复振动，考虑到固体内部 的弹性力影响，通常质点做阻尼振动。根据能量守恒 原理，质点声波能量会逐渐衰弱。钻杆的受迫振动是 阻尼振动，其微分方程为 I ’￡，1，． M 。． 普 尺。警 K 。f 0 2 dtIt 其中，M 。为钻杆质量，k g ；f 为信号 质点 振动位 移，m ；t 为时间；R 。为阻力系数；K 。为弹性系数。求 解式 2 ，可得阻尼振动的位移与时间的函数为 f t f 【】e 一“C O S o t 一妒 3 式中，f 妒为由初始条件而定的实常数；6 为衰减系 数，6 尺。／2 M 。；0 9 。，为阻尼振动的固有圆频率。 对式 3 特性进行分析可知，该振动表现为指数 形式衰减曲线，它的内部包络为一条幅值逐渐减小的 余弦曲线。 2 ．2 有限元软件分析 钻杆柱声波传输问题属于典型的结构动力学问 题，不仅需要对少量钻杆连接的钻杆柱进行细节模型 分析，还需考察大量钻杆连接的钻杆柱对钻杆声波传 播和衰减特性的影响。采用有限元法能够从实际工 况中根据分析目的的不同建立合适规模的仿真分析 模型，快速实现多种方案、多个钻杆连接数量的对比 分析，极大的缩短研究周期和降低试验成本。 根据钻杆柱的实际结构特征，钻杆公、母两端与 敲击端、接收端是通过螺纹进行连接的，结构较为复 杂，该区域对声波的传播特性影响较大，故在进行网 格剖分时需要对这些区域进行网格加密处理，钻杆中 问段为典型的柱壳结构，形状相对简单和规整，网格 密度可以适当放宽。将地面简化为刚性面，定义为解 析刚体，仅考虑其对钻杆的支撑作用，得到的钻杆柱 有限元模型如图4 所示。 图4 钻杆柱有限兀模型 F i g ．4 F i n i t ee l e m e n tI l l 1 e lo fd l ’i l l s t r i n g 为研究钻杆柱自身参数和敲击动作变化对声波 在钻杆柱中传输特性的影响，以钻杆柱有限元模型为 基础，分别改变钻杆壁厚和直径、敲击位置和面积、单 根钻杆长度和钻杆柱长度等参数仿真分析对声波传 输特性的影响，例如，改变钻杆壁厚参数分析声波传 输效果，如图5 所示。 图5改变钻杆壁厚参数的仿真模型 F i g ．5 S i m u l a t i o nm o d e lo fc h a n g i n gt h ep a r a m e t e l ’So fd r i l l p i p ew a l lt J f i c k n e s s 通过仿真软件计算得到改变钻杆壁厚的声波接 收信号如图6 所示，计算结果表明，随着钻杆厚度的 增加，钻杆材料阻尼增大，接收信号的最大幅值和时 均幅值均逐渐减小，信号衰减变大。 最后，通过改变钻杆柱长度得到的仿真结果如 图7 所示，可以看出随着连接钻杆柱长度的增加，整 体钻柱的质量增大，钻杆与地面在连接头位置的接触 点数增多，钻杆侧向刚度相对变小，故整体频率值降 低，自振周期变长，最大振动幅值逐渐减小。 图7 的仿真计算结果同时表明，2 0 0 根钻杆以内 连接而成的钻杆柱中，单次声波振动信号都 在0 ．0 2 5S 内结束余震，即声波信号振动频率低于 万方数据 煤炭学报2 0 2 0 年第4 5 卷 0 ．0 5 图6不同壁厚钻杆的接收信号数据波形 F i g ．6 S i m u l a t i o nm o d e lo fc h a n g i n gt h ep a r a m e t e r so f d r i l lp i p ew a l lt h i c k n e s s 1 根钻杆2 根钻杆3 根钻杆 2 0 根钻杆4 0 根钻杆6 0 根钻杆 8 0 根钻杆10 0 根钻杆2 0 0 根钻杆 - ‘- _ _ _ 自_ - _ _ - - j _ - _ _ - m J i J O ．0 2 O ．0 3 0 ．0 4 0 ．0 5 时间／s 图7不l 司长度钻杆柱的接收信号数据波形 F i g ．7 S i m u l a t i o nm o d e lo fc h a n g i n gt h ep a r a m e t e r so f d r i l lp i p ew a l lt h i c k n e s s 4 0H z 时不存在码问干扰。从数据传输可靠性的角 度考虑，理论上钻杆柱中声波传输速率不超 过4 0b i t ／s 为宜，但受各种现实条件影响，实际接收 效果难以达到仿真计算的理想程度。 2 ．3 试验平台测试 为研究声波在钻杆柱中的传输特性，搭建试验测 试平台，如图8 所示，平台由3 部分组成声波信号发 射设备、螺纹连接的钻杆柱和声波信号接收设备。 图8 声波传输特性试验平台组成 F i g ．8C o m p o s i t i o no fa c o u s t i ct r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c s t e s tp l a t f o r m 声波信号发生设备由信号发生器、驱动电源和换 能器组成，声波信号接收设备由声波传感器和示波器 组成。通过搭建实验平台得到不同钻杆柱长度对固定 强度发射信号的幅值响应，根据响应数据绘制的波形 曲线如图9 所示，接收信号幅值随钻杆柱长度增加呈 指数衰减规律，符合数学理论和软件仿真分析结果。 3 声波信号发送装置 针对钻孔内声波发送问题，提出一种以稀土超磁 致伸缩换能器和高压脉冲驱动系统构建的声波信号激 励方法。稀土超磁致伸缩换能器结构如图1 0 所示，蝶 1 ．5 蚓1 ．0 1 哑 Ⅱ驴 蜚0 ．5 鲻 O5 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 0 钻杆柱长度／m 图9 接收信号强度一钻杆柱长度变化曲线 F i g ．9 R e c e i v i n gs i g n a ls t r e n 封h 1 I ’i l ls t r i n gl e n g t hc h a n g eC n l W e 簧给超磁致伸缩合金施加一定预压应力，使其处于轴 向预压应力作用下，因其处于预压应力状态下能够产 生更大形变；激励线圈在施加脉冲激励电流信号时，可 以瞬间产生交变磁场；超磁致伸缩材料作为换能器驱 动元件，其处在瞬问变化磁场环境中，能够产生伸缩振 动；敲击块代表超磁致伸缩材料伸缩瞬间推动敲击块 振动，向设备外壳辐射声波，是最终输出元件。 锁紧螺栓吸收块激励线圈超磁致伸缩合金敲击块碟簧 图1 0 稀土超磁致伸缩换能器结构示意 F i g ．10 S t r u c t u r ed i a g r a mo fr a r ee a r t hg i a n tm a g n e t o s t r i c t i v e t r a n s d u c e r 影响换能器动态输出特性的因素很多，主要包括 磁致伸缩棒料尺寸参数、纵向预压应力和励磁线圈提 供的交变磁场强度和磁场瞬间增强速度，通过数学计 算和测试实验可优化设计参数，提高动态输出效果。 为换能器提供激励磁场的高压脉冲驱动系统如 图1 1 所示，由2 部分组成直流高压源和控制发射电 路。其中，直流高压源包括驱动电路和反激式变换 器；控制发射电路包括隔离触发和双管正激电路。 噬刿斗匦皇卜龇 双 管 正 。，。 三nn ni 网控制发射电路 激 图11高压脉冲驱动系统原理框图 F i g ．11P r i n c i p l eb l o c kd i a g r a mo fh i g hv o l t a g ep u l s e d r i v es y s t e m 高压脉冲驱动系统由电池组供电，供电电压为 1 2V 。电池电压经过调制后送人反激式变换器的变 压器，升压整流后得到高压直流脉冲输出，激励换能 器振动输出。为测试声波信号发送装置的输出效果， 搭建了声波输出测试平台，试验方案如图1 2 所示，换 能器通过弹簧紧压在高速冲击力传感器上，换能器的 r●●●r●●L●●●L●●．．r、r●●●r●●L●●●■●●●■二_一 O 8 6 4 2 O 2 4 6 8 0 ●0 0 0 0 加c 加加。 一已．guI一趟删最 ∽瞄％蛇。旺％雌㈨ 一巳．g眦＼巡删景 万方数据 第7 期高瑶等煤矿井下随钻测量数据声波传输系统 声波发送动作被精确采集，并形成振动波形在计算机 上显示。经过系统调试和优化，研制的声波信号发送 装置，在调节预压力至7 8 6N 时，产生最大振动冲击 力可达12 7 2N 。 ∑卤 { 丑 l 弹簧 怏能器 l 扶正器 | 冲击力 传感器 图1 2 声波发送装置测试平台组成与装配结构示意 F i g ．12 S c h e m a t i cd i a g r a mo fc o m p o s i t i o na n da s s e m b l y s t r u c t u r eo ft e s tp l a t f o r mf o ra c o u s t i ct r a n s m i t t e I ’ 4 信号接收处理 由于信号在钻杆柱介质传输过程中受信道响应和 周围噪声的影响不再规整，接收到的数字波形需要进 行波形识别，为保证识别的准确性，对识别的信号提取 多维特征向量，构建S V M 分类器，使用模拟退火算法 对支持向量机的惩罚函数c 、径向基核函数参数g 进 行优化，利用M e t r o p o l i s 算法控制模拟退火温度的下降 过程，得到给定搜索空问内的惩罚函数c 、径向基核函 数参数g 最优值，然后将待识别的波形作为输入信号 进行识别验证，其具体识别流程如图1 3 所示。 图1 3支持向量机的波形识别流程 F i g ．13 W a v e f o r mr e c o g n i t i o nf l o wo fs u p p o r tv e c t o rm a c h i n e 以单次接收的不同钻杆长度的波形为例，对接收 为1 的波形，加窗得到7 组波形归一化的特征向量。 为了对不同状态的接收波形进行准确识别，分别从最 大值、最小值、平均值、整流平均值、方差、标准差、峭 度、均方值等8 个特征维度来表征接收波形的时域特 征，时域特征既包含了有量纲特征值，也包含了无量纲 特征值。通过数据计算发现，对于同一组波形的不同 时域特征值，存在明显的区别；对于不同组的同一特征 值，差异很小，说明接收的同一状态的波形比较稳定。 通过对比支持向量机和阈值自动判断的波形识别方 法，准确率分别为1 0 0 ％和不足5 0 ％，表明支持向量机 的波形识别方法有效提高了声波信号的识别效果。 5 系统测试 为验证声波传输系统性能，搭建了声波传输试验 平台，试验设备连接方案如图1 4 所示，左侧为信号发 射端，为便于观测传输效果，测斜传感器的测量数据 一边向临时计算机传输一边向主控模块传输，传输到 临时计算机上的测量数据可直接数字显示与接收端 接收数据进行对比得出误码率，传输到主控模块的测 量数据经过编码以开关量形式输出，控制驱动电源按 照编码要求向换能器供电，换能器每一次上电瞬间敲 击钻杆柱形成声波信号 根据对比实际接收效果，信 号发送速率在5 ～2 0b i t ／s 为宜 沿钻杆柱方向发射 出去；右侧为信号接收端，声波传感器接收钻杆柱上 的声波信号，再传输给接收解码模块进行滤波、放大、 比较、识别和解码，最后传输到计算机上进行数据保 存显示等处理。 声波 换能器 驱动1 ．1 主控 电源H 模块 图1 4 试验连接 F i g ．14 T e s tc o n n e c t i o nd i a g r a m 连接钻杆柱长度2 8 9 ．5m 后，按照试验连接图连 接设备，传输速率 1 0b i t ／s 保持不变，在发送端随机 摆放测斜传感器姿态，分别发送随钻测量数据百余 次，在接收端计算机上接收数据并对比，经验证系统 误码率o ％，表1 为部分传输试验记录数据。 表1部分传输试验记录数据 T a b l e1P a r t i a lt r a n s m i s s i o no ft e s tr e c o r dd a t a 万方数据 2 5 1 2 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 6 结论 1 钻杆柱中传播的声波信号稳定，3 0 0i n 以内 信号衰减幅度有限，单脉冲余震波形收敛速度快，在 码间信号互不干扰的低频波段，可进行基带通信。 2 通过对稀土超磁致伸缩换能器和高压脉冲 驱动系统的参数优化形成的声波信号发送装置可实 现有限空间 钻杆内 中的大功率声波信号发送。 3 采用基于支持向量机的波形识别方法，可有 效提高波形识别准确率，在传输速率1 0b i t ／s 、传输距 离2 8 9 ．5i n 的情况下，可实现钻杆柱中随钻测量数据 声波传输，且误码率为0 。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] 石智军，胡少韵，姚宁平，等．煤矿井下瓦斯抽采 放 钻孔施工 新技术[ M ] ，北京煤炭工业出版社，2 0 0 8 5 - 6 ． 石智军，许超，李泉新．煤矿井下近水平随钻测量定向钻孔轨迹 设计与计算方法[ J ] ．煤田地质与勘探，2 0 1 5 ，4 3 4 1 1 2 1 1 6 ． S H IZ h i j u n ，X UC h a o ，L IQ u a n x i n ．T r a j e c t o r yd e s i g na n dc a l c u l a t i o n o f n e a r l y h o r i z o n t a lM W Dd i r e c t i o n a lb o r e h o l ei n u n d e r g r o u n d c o a lm i n e [ J ] ．C o a lG e o l o g y ＆E x p l o r a t i o n ，2 0 1 5 ，4 3 4 11 2 1 1 6 ． 李泉新，石智军，许超，等．23 1 1m 顺煤层超长定向钻孔高效钻 进技术[ J ] ．煤炭科学技术，2 0 1 8 ，4 6 4 2 7 - 3 2 ． L IQ u a n x i n ，S H IZ h i j u n ，X UC h a o ，e ta 1 ．E f f i c i e n td r i l l i n gt e c h n o l o g y o f231 1mu l t r a l o n gd i r e c t i o n a ld r i l l i n ga l o n gc o a ls e a m [ J ] ． C o a lS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，2 0 1 8 ，4 6 4 2 7 3 2 ． 李泉新．煤矿井下复合定向钻进及配套泥浆脉冲无线随钻测量 技术研究[ D ] ．北京煤炭科学研究总院，2 0 1 8 ． L IQ u a n x i n ．R e s e a r c ho nt h et e c h n o l o g yo fc o m p o u n dd i r e c t i o n a ld r i l l i n ga n dm u dp u l s ew i r e l e s sM W Di nc o a lm i n e [ D ] ．B e i j i n g C h i n aC o a lR e s e a r c hI n s t i t u t e ，2 0 1 8 ． 方俊，谷拴成，石智军，等．煤矿井下随钻测量信号泥浆脉冲传 输特性研究与试验[ J ] ．煤炭学报，2 0 1 9 ，4 4 1 1 3 6 0 4 3 6 1 3 ． F A N GJ u n ，G US h u a n e h e n g ，S H IZ h i j u n ，e ta 1 ．T r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fm u dp u l s em e a s u r e m e n ts i g n a lw h i l ed r i l l i n gi nc o a lm i n e [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 1 9 ，4 4 1 1 3 6 0 4 3 6 1 3 ． 吴银成，张小波．基于电磁波传输随钻测量参数的技术[ J ] ．煤 矿安全，2