煤矿井下电磁波随钻测量系统关键技术研究

发布时间：2019-05-11 20:58

【摘要】：通过井下钻孔抽采瓦斯、加固底板、探测地质构造是当前国内煤矿保障安全生产的常用有效方法。煤矿井下近水平随钻测量定向钻进技术是实现长钻孔定向钻进、精确控制钻孔轨迹、保证钻孔轨迹在目的层中有效延伸的基础,采用该技术可以完成多分支孔施工,增加煤层瓦斯的有效抽采距离,实现超前区域瓦斯抽采和底板注浆加固,准确探明煤层地质构造。煤矿井下近水平随钻测量定向钻进技术已成为国内外瓦斯高效抽采的主要技术方案,并应用于地质构造探测和探放水等领域。随钻测量(Measurement While Drilling, MWD)是实现定向钻进的基础和关键。煤矿井下随钻测量系统目前主要采用有线方式进行信号传输,但是存在通缆钻杆加工技术要求严格、使用成本高等缺点,无线随钻测量成为解决上述问题的有效途径。目前在技术和应用上相对成熟的无线随钻测量数据传输方式包括泥浆脉冲和电磁波,相比泥浆脉冲传输方式,电磁波传输方式在数据传输速率、钻井液方面具备明显优势,研制适用于煤矿井下的电磁波随钻测量系统(Electromagnetic MWD, EM-MWD)将奠定近水平随钻测量定向钻进技术规模化商用的基础。本文围绕煤矿井下近水平定向钻进中的随钻测量技术难题,对随钻测量电磁波传输方式的关键技术进行了系统深入研究,主要包括电磁传输信道衰减特性、数字调制方案、信道编码方法和微弱信号处理技术,研制了煤矿井下电磁波随钻测量系统样机,开展了地面传输实验和井下传输试验。主要工作包括以下几个方面：1.运用等效传输线法建立了煤矿井下随钻测量电磁传输信道模型,揭示了电磁信号在煤矿井下随钻测量电磁信道传输时衰减特性。通过计算孔口接收电极间信号电压,分析了煤岩层导电性、电磁通信信号工作频率、钻杆电阻率、钻杆长度对接收信号电压幅值的影响。确定了适宜开展煤矿井下EM-MWD的条件：(1)电磁通信信号频率不高于30Hz;(2)电磁通信信号传输距离不长于2000m;(3)煤岩层电阻率不低于2.5Ω·m。2.研究了煤矿井下EM-MWD数字调制方法。根据信号在煤矿井下随钻测量电磁信道传输时衰减特性,分析了煤矿井下EM-MWD通信信道特性,在煤矿井下EM-MWD通信系统建模时将信道近似为加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise,AWGN)信道；通过理论计算全面比较了二进制线路码、最小频移键控(Minimum Shift Keying, MSK)和相移键控(Phase Shift Keying, PSK)调制信号在煤矿井下EM-MWD通信信道内的带宽效率、误码率、功率效率,提出偏移四相相移键控(offset-QPSK, OQPSK)、MSK或IJF-OQPSK调制比二进制相移键控(Binary Phase Shift Keying, BPSK)或正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keyin, QPSK)调制更适合煤矿井下EM-MWD通信信道。3.提出了适合煤矿井下EM-MWD通信信道的最佳线性分组码。根据煤矿井下近水平定向钻进对随钻测量数据传输要求,将发送数据分为10bit短数据和94bit长数据,选择实现代价小且短数据差错性能好的线性分组码开展研究；通过理论计算和Matlab/Simulink仿真,系统分析和比较了不同长度汉明码、BCH码和RS码在硬判决译码、软判决译码时的比特差错性能和码字差错性能。基于煤矿井下EM-MWD通信信道,10bit短数据和94bit长数据的最佳线性分组码分别为BCH码(31,16)和BCH码(127,99)。4.分析了煤矿井下近水平定向钻进井场噪声特征,提出多级滤波器法抑制自然电位和强工频干扰信号,从接收信号提取微弱电磁通信信号。确定了开关电容滤波器不适合接收通道前级滤波；给出了高阶有源低通滤波器设计方法；设计了自动增益控制算法；基于Altera FPGA芯片,给出了三种方法设计数字滤波器。5.给出了煤矿井下电磁波随钻测量样机详细设计。提出了通过在发射端串联滑动电阻器改变发射电流的方法,运用该方法在不改变背景噪声的条件下调整接收电极两端通信信号幅值,便于测试孔口仪器处理微弱电磁通信信号的能力。完成了地面传输实验和初步的井下传输试验,获得了试验结果。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD712.6

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本文编号：2474848