煤矿井下EM-MWD仪器研制

康厚清

（1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037）

煤矿井下定向钻进是解决煤矿采空区瓦斯抽采问题[1]、煤矿采空区探放水问题[2]和煤矿断层探测问题[3]的重要技术手段。随钻测量传输是实现定向钻进的基础和关键，而煤矿井下随钻测量传输方式主要是通缆钻杆有线传输[4]。但通缆钻杆加工成本高，而且钻杆强度受到限制，影响钻进成本和安全性[4-5]。而电磁无线随钻测量(EM-MWD)传输利用普通钻杆与地层作为传输信道[6]，无需专用通缆钻杆，并且在地面石油钻井应用较为成熟，其传输距离可达3 500 m[7]，因此在煤矿井下随钻测量具有良好的应用前景。

1 EM-MWD工作机理

石油EM-MWD主要采用垂直电激励方式[8]，地面EM-MWD工作机理如图1，绝缘天线将钻杆分成电气隔离的上下2部分，形成非对称电偶极子。发射机将随钻测量信号进行编码和功率放大后加载在绝缘天线两端形成沿钻杆引导的超低频周期激励电流，该激励电流在钻机附近形成准静电场，从而在钻机附近形成电位梯度。接收机采样钻杆与接收天线之间电压差后处理、解调出随钻测量信号。

煤矿井下EM-MWD工作机理与地面EMMWD相似，煤矿井下EM-MWD工作机理如图2，主要特点在于：①发射机本安设计，限制发射功率；②发射机外径小，限制电池容量与工作时间；③绝缘天线外径小，近水平钻进情况多，绝缘天线机械强度与耐磨性要求高；④接收天线布置位置受限，降低接收信号强度。

图1 地面EM-MWD工作机理

图2 煤矿井下EM-MWD工作机理

2 关键技术

研制的ZKG300煤矿井下EM-MWD仪器由发射机、无磁钻杆、绝缘天线、孔口接收机、接收天线与防爆电脑组成。发射机安装在无磁钻杆内，随钻测量钻头姿态信号，经编码及功率放大后加载在绝缘天线两端进行电磁无线传输。所有孔内部件连接后整体总长2.358 m。孔口接收机通过接收天线采样微弱EM-MWD信号后进行放大、滤波后传输给防爆电脑进行解码存储，最终生成三维钻孔轨迹图形。针对煤矿井下EM-MWD特点，仪器研制关键部分是电池工作时间长的发射机、耐磨性高的绝缘天线及高灵敏度接收机。

1）发射频率。针对EM-MWD发射频率及最大可传输距离问题，广大学者对传输信道进行了大量的分析。文献[4,8-12]分析了传输信道、地形分层特性，经过理论分析计算与验证、试验测试与现场验证，EM-MWD工作频率范围主要在5～20 Hz，传输距离可达3 000～5 000 m。文献[4]指出适宜开展煤矿井下EM-MWD的条件是电磁发射信号频率不高于30 Hz且近水平电磁信号传输距离不长于2 000 m。根据文献[4]对不同频率的衰减计算结果分析，发射频率在10 Hz以下使用范围最宽，与地面石油EM-MWD特性一致。根据地面模拟多种高、中、低地层阻抗传输试验结果，综合地面及井下EM-MWD传输理论分析，本仪器发射频率采用6.25 Hz和12.5 Hz。

2）编码方式。传统随钻测量信号编码方式采用二进制相移键控(BPSK）方式，连续发射，大量消耗电池电量。而差分脉冲位置调制（DPPM）编码占空比很小[13]，仅在脉冲信号发生期发射EM-MWD载波，在没有脉冲信号期间停止发射，可极大延长电池有效工作时间。

3）发射机省电设计。发射机外径25 mm，采用8节AA型Ni-MH电池供电。发射机整体电路框图如图3。低功耗MCU对整个发射机电路进行管理，采集和计算微功耗MEMS传感器数据、信号编码、发射板电源管理及发射驱动电路管理，使发射机在不同工况下进入省电模式与休眠模式。当钻机钻进时发射机进入省电模式，仅MCU与MEMS传感器供电进行随钻监测与测量；当钻机长时间不工作时整个发射机进入休眠模式，MCU进入极低功耗运行状态检测μA级MEMS震动传感器，最大限度的延长电池工作时间。发射机工作流程如图4。

图3 发射机电路框图

图4 发射机工作流程图

4）绝缘天线。绝缘天线是煤矿井下EM-MWD仪器的关键部件，分为上、下2节，中间采用螺纹绝缘连接，中间部分内、外部加工、喷涂高强度绝缘材料。它不仅要求具有普通钻杆的强度，同时还要求绝缘、耐磨。经与多家企业多次合作开发并经过多次现场试验及改进，采用特殊材料、特殊工艺、精心制作，并在绝缘外层涂覆多层金刚砂提高耐磨性，最终研制出高强度、高耐磨性的φ73 mm小尺寸绝缘天线，螺纹绝缘层厚度仅为0.1 mm，内绝缘层厚度1 mm，外绝缘层厚度3 mm，绝缘电阻2 MΩ，抗扭强度4 kN·m。

5）信号接收。煤矿井下EM-MWD发射机需本安防爆，发射功率小于5 W，发射信号通过普通钻杆与高电阻率的煤岩层传输后，在钻机附近形成的电位梯度小，同时接收天线布置空间受限，接收信号微弱；井下工作环境电气噪声与干扰较大，信扰比低。根据图2煤矿井下EM-MWD工作机理，接收信号经过放大与低通滤波后采用RLS自适应滤波算法实现数字滤波，滤除工频干扰与钻机工作的非稳态干扰，实现了信扰比在-100 dB下信号提取。提取后的信号根据进行解码存储后发送给轨迹软件生成实时三维轨迹。接收信号处理框图如图5。

图5 接收信号处理框图

3 现场试验

ZKG300 EM-MWD仪器首先进行电磁无线随钻传输基本功能试验。在黑龙江某矿有1个已知检验钻孔贯穿2条巷道，通过井下地质测量已经确定钻通孔两端空间位置进而知道钻孔直线轨迹。选用发射频率6.25 Hz，采用φ63 mm普通钻杆推进，钻孔长75 m。整个试验过程接收机解码信号清晰，信噪比质量很好，EM-MWD随钻测量轨迹与实际钻孔直线轨迹一致性很好。随后在该矿进行新开孔EMMWD随钻测量实验，选用发射频率6.25 Hz，开孔倾角5°，方位角263°，用φ63 mm普通钻杆在岩层巷道中钻进。在钻进至98 m位置时，信号突然减弱，继续钻进，信号减弱至不能正确解码。退钻后发现，绝缘天线外绝缘层磨损，绝缘电阻降低，导致发射信号衰减过大。经与合作厂家多次研究试验后采用涂覆多层金刚砂工艺提高绝缘天线耐磨性。改进后的绝缘天线继续在该矿和国内其他4个矿区分别进行了近水平和大倾角的全方位EM-MWD随钻测量试验，岩层钻进试验了420 m随钻测量，煤层钻进试验了310 m随钻测量。在黑龙江某次试验晚班钻进71 m时钻机部件发生故障，钻机停止工作，需等待早班工作人员携带更换部件下井维修，仪器进入休眠状态；钻机正常工作后仪器退出休眠状态开始正常工作并直至钻完孔210 m。

4 结语

研制的ZKG300煤矿井下EM-MWD仪器采用普通钻杆与煤岩层作为传输介质，无需专用通缆钻杆进行随钻测量传输。仪器适合井下常用φ63 mm与φ73 mm钻杆，φ73 mm小直径绝缘天线机械强度与耐磨性达到随钻测量实用要求。

需进一步研究煤矿井下EM-MWD传输信道特性，开发相应EM-MWD技术，在本安发射功率限制条件下提高传输距离。还需进一步优化发射机电池及结构设计，提高仪器工作时间至7～10 d。