矿用电磁随钻测量装置及应用

针对有线随钻测量装置的中心通缆钻杆制造成本高、通缆接头易损坏等问题,研制了一种矿用电磁波随钻测量装置。该装置由专用工控机、测量探管、电磁传输探管等部件组成,以钻杆和地层为传输信道,并采用智能电源管理单元延长仪器工作时间。煤矿井下试验结果表明:电磁随钻测量系统工作稳定、测量数据准确、电磁传输可靠,且无需使用中心通缆钻杆,既提高了井下定向钻进的可靠性又显著降低了钻进成本,满足煤矿井下各类定向钻孔的随钻测量要求。     

煤矿井下电磁随钻测量水平钻进信号强度预测

针对电磁随钻测量在煤矿井下水平钻进中信号衰减严重、适用深度受限的问题,采用电磁波在层状介质中的传播理论和基于二级离散复镜像法的插值算法求得层状有耗介质中的电场分量,结合分段脉冲基函数和点匹配的矩量法计算钻杆上电流和煤层中电场分布,进而计算孔口的信号强度。基于此,利用本模型分析了由基本顶、直接顶、煤层、直接底和基本底构成的5层信道信号强度的影响因素。仿真结果表明,信号强度随煤层和围岩电阻率先逐渐增大,后达到饱和,而煤层对信号强度的影响最显著|设置电极位于钻杆同侧、增大下部钻杆长度、减小钻杆接头之间的接触阻抗和减小信号频率可以提高信号强度。     

中心通缆钻杆及其在煤矿井下定向钻进中的应用

针对煤矿井下定向钻技术对钻杆的随钻测量通讯和强度要求,钻杆采用中心通缆方式,可实时传输钻孔随钻测量信号。采用高强度管材、特种螺纹丝扣结构、摩擦焊技术,可提高钻杆抗拉、压、弯、扭强度。并根据现场使用中存在的问题给出了解决方法。大佛寺煤矿随钻测量应用实例说明中心通缆钻杆满足最大孔深1200 m的随钻测量通讯和钻杆强度要求,朱仙庄梳状孔应用实例说明中心通缆钻杆满足最小弯曲半径54 m定向孔施工,哈沙图煤矿定向钻孔应用实例说明中心通缆钻杆满足急倾斜58°煤层定向孔施工。     

φ175 mm电磁随钻测量系统的研制及试验研究

在深孔、定向孔钻进过程中,对钻孔轨迹的控制十分重要。电磁随钻测量系统能够监测钻孔状态参数并通过无线电磁波实时传输至地面,具有信号传输速率高、不受钻井液影响等优势。详细阐述了一种自主研发的电磁随钻测量系统及试验情况,试验最大孔深为609 m,此时地面接收信号高达200 mV。试验研究表明：该系统性能可靠,完全能够满足随钻测量近钻头处钻孔状态及环空压力、温度等参数的需求。     

煤矿井下随钻测量信号泥浆脉冲传输特性研究与试验

基于定向钻孔的地质保障技术可实现矿井致灾隐患的超前探查与治理,但受现有有线随钻测量定向钻进装备制约,存在信号传输干扰因素多、对定向钻具要求高、地层适应性差等不足,亟待开发矿用泥浆脉冲无线随钻测量系统。结合煤矿井下近水平定向钻孔施工特点,小泵量、低泵压和小直径条件下工作需要,建立了泥浆脉冲信号发生机构和水力通道模型,分析了泥浆脉冲信号传输速度、传输强度、衰减规律和传输影响因素等特性,给出了信号反射与透射、泥浆泵噪声干扰、孔内钻头旋转干扰和冲洗液流道阻塞等影响因素的针对性处理方法。分析结果表明,煤矿井下近水平定向钻进宜采用正脉冲方式进行信号传输;以清水作为冲洗液时信号传输速度为1 366.20~1 445.11 m/s;信号脉冲幅值可通过改变流道控制阀与孔板之间的间隙进行调整;信号传输衰减系数随冲洗液流量增大而线性增大,随钻杆柱内径增大而逐渐减小,当信号发射频率f＞0.2 Hz后,衰减系数维持在0.126×10-3 m-1左右;采用煤矿井下常用钻杆,孔深1 500 m时孔口接收信号强度为孔内信号发射强度的73.74%~90.71%。现场试验表明,开发的矿用泥浆脉冲随钻测量系统信号传输误码率为3.2%,脉冲信号实际幅值一般小于理论计算幅值,但误差小于10%,最大实钻传输距离达到1 566 m,且具有更深的信号传输能力。     

YSDC矿用电磁波随钻测量系统及在煤矿井下空气钻进中的应用

针对采用通缆钻杆进行数据传输的有缆随钻测量系统和采用钻井液进行数据传输的泥浆脉冲无线随钻测量系统在软煤钻进时易造成塌孔及埋钻等事故的问题,提出采用电磁波随钻测量技术进行软煤空气钻进的解决方案,开发了YSDC矿用电磁波随钻测量系统,并在淮南某矿进行了软煤空气钻进应用。实钻应用结果表明:YSDC矿用电磁波随钻测量系统在整个钻进过程中传输稳定、数据可靠;为软煤钻进提供了新的技术与装备支撑,具有不受通栏钻杆与钻井液束缚的特点,可显著提高顺煤层钻孔深度和钻进效率。     

矿用钻杆中声波通信技术研究

针对现有几种煤矿井下随钻测量数据传输方式在实际应用中的局限性,提出利用钻杆中传播的声波,实现数据传输,以弥补现有随钻数据传输方式的不足。通过对钻杆柱中声波传播特性的数学分析及试验测试,验证了钻杆柱中声波信号的衰减及适应频率;基于换能器的研究设计了满足煤矿井下工况条件的声波信号源;通过随钻测量数据传输试验,验证了声波在钻杆柱中传输数据的通信效果,证明矿用钻杆中通过声波传输随钻测量数据的可行性。     

煤矿井下2570m顺煤层超深定向孔高效成孔关键技术

针对现有定向钻进技术装备不能满足超长工作面瓦斯大区域治理对井下顺煤层定向钻孔深度要求的问题,提出利用泥浆脉冲无线随钻测量系统替代有线随钻测量系统进行钻进参数测量,避免了有线随钻测量系统信号传输受通缆钻杆影响的问题;基于近水平钻孔回转钻进的"岩屑楔"理论,通过优化螺杆钻具结构及调整钻进工艺参数实现复合钻进状态下钻孔增、降、稳倾角调节,进一步提高了复合钻进进尺比例,使钻进系统压力明显降低。结合保德煤矿生产需要施工完成主孔深度2 570 m、孔径120mm的顺煤层超长定向钻孔,钻孔平均日进尺达到200 m以上,通过对该超深孔施工关键装备适应性分析可知:钻进装备稳定可靠,无线随钻测量系统信号在超深钻孔中传输稳定,复合钻进倾角控制效果良好,系统压力参数下降明显,说明该套技术装备能满足煤矿井下2 500 m顺煤层超深定向钻孔的施工要求。研究成果可为顺煤层超深定向钻孔施工和超长工作面瓦斯超前治理提供重要借鉴。     

基于电磁波传输随钻测量参数的技术

针对现有煤矿对所施工的钻孔空间轨迹控制的要求越来越高,钻孔施工过程中,由于地球引力、岩层因素以及工艺技术等方面的影响,实际钻孔轨迹都存在于设计轨迹偏离的现象,提出一种基于电磁波传输随钻测量参数的方案,以钻杆为传输介质将随钻测量参数以电磁波的形式发送给主机。给出了随钻测量系统的整体设计方案、信号传输处理方式、信号发送和接收关键硬件电路设计、软件总体处理流程。通过样机的试用情况来看,样机能够准确地将钻头处的参数传递到主机,并能够实时地显示钻孔轨迹参数,即时了解钻孔施工情况,指导工作人员及时调整钻具组合方式和钻孔工艺参数,使钻孔尽可能的按照预定方向延伸,节约了大量的人力和物力,取得了良好的经济效益。     

随钻伽马测井系统在顺煤层钻进中的应用

介绍了基于无线电磁波传输的随钻伽马测井系统在顺煤层瓦斯预抽采钻孔受控钻进施工中的应用,主要介绍了系统组成、工作原理及其应用开展情况。在山西伯方煤矿对电磁波随钻伽马测井系统进行了煤矿井下随钻应用,结果表明:仪器能够满足随钻测量的实际生产需求,指导钻具沿煤层钻进,有效提高钻进效率,降低施工成本。     

煤矿井下基于射线跟踪法的信道建模研究

煤矿井下环境复杂,影响电磁波传播的因素较多,本文采用射线跟踪法对煤矿井下的信道模型进行研究。首先,假设井下传输环境为空直巷道,分析电磁波波模理论并运用镜像法建立矿井无线信道模型;其次,将场景因素造成的损耗用公式表达,另外的不可量化因素造成的损耗,用仿真场强值与实测场强值之间的差值来表示。通过空直巷道射线跟踪法结合各种因素造成的损耗来完成在煤矿井下的信道建模,并用最小二乘法对仿真曲线进行拟合,得到井下信道模型的数学表达式。实验仿真及实测结果表明,本文的理论研究与分析具有可靠性,所建立模型能够与实测数据较好的匹配,为煤矿井下无线通信奠定基础。     

异步测时矿井人员精确定位方法

现有矿井人员定位方法定位误差大,难以满足煤矿事故救援、运输和机电事故防治等需求。为提高矿井人员定位精度,提出了异步测时矿井人员精确定位方法:在井下巷道中间隔一定距离安装定位分站,保证相邻分站可相互无线通信,定位卡可与两个邻近分站同时进行通信。任一定位发起分站向通信范围内的定位卡和相邻分站发送测距信号,相邻分站收到测距信号后也向定位卡发送测距信号,定位卡分别向定位发起分站和相邻分站回复应答信号。定位发起分站收到定位卡回复的应答信号后,计算收发测距信号时间。相邻分站收到定位卡回复的应答信号后,计算收发测距信号时间,并将其发送给定位发起分站。定位发起分站根据本分站和相邻分站收发测距信号时间、本分站与相邻分站间距和信号传输速度,计算出定位卡距本分站和相邻分站距离。异步测时法测距仅与分站收发测距信号时间有关,与信号强度无关,定位精度不受信号发送功率、接收灵敏度和信号传输衰减影响。异步测时法与定位卡时钟无关,大大降低了定位卡复杂度和成本,同时也不需要定位分站之间同步,降低了定位分站复杂度和成本。仿真实验表明,在时钟频率偏移相同等实验条件下,TWR和SDS-TWR等其他矿井人员精确定位方法的定位误差是异步测时法定位误差2倍以上。     

噪声背景下矿井无线通信的弱信号检测技术

文章介绍了我国煤矿井下无线通信现状，分析了技术上存在的难题——巷道条件对无线传输的影响、弱信号接收困难和井下环境噪声的干扰，对解决途径进行了探讨。同时指出．陆地移动通信技术解决方案完全可以解决煤矿井下无线通信难题。     

基于物联网技术的煤矿管道漏水定位设计与实现

在煤矿建设和生产中,各种来源的水不断涌入矿井,矿水积聚在巷道中,不但影响生产,而且还威胁着井下员工的健康和安全。排水管道的任务就是将这些矿水及时排送至地面,保证井下员工的安全和机械、电气设备的正常运转。因此,管道的“跑冒滴漏”现象将对煤矿安全产生威胁。目前,对井下管道的监测手段主要是靠定期巡检,没有通信网络和自动化设备来实现实时监测。     

基于距离约束的井下目标定位方法

煤矿井下巷道为狭长的条状结构,信号衰减较大,地面已有的目标定位方法和技术难以直接应用于井下,现有的矿井目标定位主要采取基于时间和信号强度的测距方法,而这些方法并没有考虑到井下巷道的条状结构特点,定位误差较大,依据矿井巷道的条状结构特点,提出一种基于距离约束的井下目标定位方法。在巷道内每4个锚节点构成1个矩形区域,将固定的两锚节点之间的距离作为约束条件,结合垂直向量乘积为零的原理,矩形对角线的长度已知,通过基于RSSI的测距原理获得移动节点到矩形区域两对角线上锚节点的距离之比公式,进而通过合理的近似运算和向量乘法定理得到向量方程组,通过求解向量方程组可以得到移动节点的坐标,仿真实验表明该方法可以有效地降低定位误差。     

厚煤层巷道矿压显现规律研究

针对厚煤层开采时矿压对巷道的影响的问题，从理论和实践上阐述位于厚煤层内的区段集中巷、采区上（下）山及大巷整个服务期间采动影响过程中的矿压显现规律和围岩变形，以及厚煤层巷道的维护技术。利用FLAC^3D数值模拟软件，分别分析了采动条件下厚煤层区段集中平巷顶板压力规律以及采动条件下厚煤层区段集中平巷顶板位移规律。提出要掌握巷道的围岩性质及其对巷道维护的影响，合理确定护巷煤柱宽度，在邻近煤层开采中，采用上部煤层在厚煤层上方跨采，或者厚煤层巷道开掘之前上部煤层预先开采等卸压措施。从而避免了厚煤层开采过程中矿压对巷道的影响，保证了煤矿的安全高效回采。     

一种煤矿无极绳绞车无线移动视频系统

基于无线移动通信技术,现代摄像及图像信号信息技术、计算机微处理器技术和光纤通信技术等现代高新技术,研制出一种应用于煤矿多变坡斜巷无极绳绞车的无线移动视频系统,可以使得井上绞车房司机对井下斜巷轨道矿车及周边环境进行实时监视,从而对煤矿安全生产起着巨大作用。     

井下地质构造对巷道支护的影响分析

煤矿井下巷道被开掘后,生产应力会重新分布,若未能及时地对顶板采取妥善的支护措施,则井下的巷道围岩极易发生位移、变形。为了更好地推进煤矿企业的井下巷道作业工程,需在掘进过程中强化顶板的支护控制与管理。阐述巷道支护的材料及主要类型后,分析了常见的地质构造类型,结合实际案例探讨了井下地质构造对巷道支护的影响及注意事项。相关施工人员必须要充分地认识到矿区掘进技术及其地质构造对巷道支护产生的影响,在遇到褶皱、断层、复合顶板的状况时,进行科学合理的设计。     

大采深煤矿地下巷道的工程特征

在系统总结采矿工程与其他岩土工程相互关系的基础上,从煤矿地下巷道的空间几何特征、围岩介质特征、采动影响特征和技术经济特征等4个层面,全面分析了大采深煤矿地下巷道的工程特性。重点论述了大采深地下巷道周围应力重新分布规律的特点和受回采工作采动影响的回采巷道的围岩变形发展变化过程,阐明了学科交叉与技术交流的重要性。