0 引言
钻孔轨迹随钻实时测控是煤矿井下坑道近水平定向钻进的关键技术之一。随钻测量装置作为钻孔轨迹随钻测控工具，是煤矿井下定向钻进装备的核心设备[1-2]。
随钻测量装置按信息传输介质可分为有线式和无线式两类[3]。目前国内外煤矿井下坑道定向钻进大多采用有线随钻测量装置，如澳大利亚VLD公司的DGS定向钻进监测系统、中煤科工集团西安研究院有限公司的YHD系列有线随钻测量装置。有线随钻测量装置采用中心通缆式钻杆作为信号传输通道，存在以下问题：① 钻杆结构复杂，生产和使用成本高；② 因钻杆内环空间中布设通信组件，钻杆需设计为大通孔结构，导致钻杆整体机械性能受到限制，故障或损坏较多；③ 适用于煤层内滑动定向钻进，限制了煤层瓦斯抽采定向孔的孔深提高，无法满足水害防治定向孔、顶板高位瓦斯抽采定向孔等岩层孔高效钻进需要；④ 对钻杆的绝缘性和连接性能要求较高，抗干扰能力差，当绝缘不好或连接电阻较大时，随钻测量信号传输衰减大，通信故障频繁[4-9]。
无线随钻测量装置主要应用于地面油气钻探领域，其中泥浆脉冲随钻测量装置已完全实现国产化，工作稳定可靠，传输距离远，对钻杆要求低[9-10]。由于煤矿井下空间狭小，具有特殊防爆要求，且施工工艺、钻探参数与地面钻井差别较大，所以不能直接将地面泥浆脉冲随钻测量装置应用于煤矿井下坑道钻探施工中[11-13]。
笔者所在团队结合煤矿井下定向钻进特点和要求，研制开发了一种矿用泥浆脉冲无线随钻测量装置。本文对该装置的结构组成、工作原理、技术特点和现场应用情况进行分析。
1 装置结构组成
矿用泥浆脉冲无线随钻测量装置由防爆计算机、防爆键盘、防爆数据存储器、防爆测量探管、防爆压力变送器等组成，如图1所示。
图1 矿用泥浆脉冲无线随钻测量装置结构组成
Fig.1 Structural composition of mine-used mud pulse wireless measurement while drilling device
1.1 防爆计算机及配套设备
防爆计算机采用防爆键盘进行人机交互，采用防爆数据存储器进行数据导入导出操作，采用压力变送器信号采集板进行信号采集和解调，除具备常规计算机功能外[14]，还具有以下3个功能：① 设定及检查防爆测量探管；② 为防爆压力变送器供电并接收电信号；③ 对压力信号进行检波、解码，将清水压力脉冲还原为测量数据。
压力变送器信号采集板主要由电源及采集电路、滤波电路、通信电路及CPU控制电路组成。其中电源及采集电路分别给电路板和防爆压力变送器供电。滤波电路采用两级低通滤波器消除杂波，提高信号的强度和规律性。通信电路负责将TTL串口电平信号转换成标准RS232电平信号，完成压力变送器信号采集板与防爆计算机串口之间的信号传输。CPU控制电路自带A/D输入端口，能够连续采集经滤波电路处理后的泥浆脉冲信号，并通过通信电路发送给防爆计算机。防爆计算机依据约定的通信协议对信号进行解调，并通过屏幕显示钻孔轨迹测量结果和工具面向角动态调整结果。
1.2 防爆测量探管
防爆测量探管由测量短节、充电电池筒、驱动短节和脉冲发生器组成。
(1) 测量短节。测量短节主要完成钻孔轨迹的测量和编码，由测量模块、泵状态判断模块和主控模块组成。测量模块主要用于钻孔轨迹参数测量[15]；泵状态判断模块采用流量开关判断孔口泥浆泵工作状态，并以此为依据控制测量短节采集和发送数据，实现间歇工作，降低功耗；主控模块根据泥浆泵工作状态，将测量模块传来的测量数据进行编码后发送至驱动短节。
(2) 充电电池筒。充电电池筒位于测量短节和驱动短节中间，负责给测量短节和驱动短节供电，是影响孔内仪器工作时间的重要设备。由于测量短节和驱动短节工作电气参数差别较大，所以充电电池筒包括2组由镍氢充电电池串联构成的电池组，分别为测量短节和驱动短节供电。为确保工作安全，充电电池筒内设置了充电电路和保护电路。
(3) 驱动短节。驱动短节根据测量短节的信号编码控制脉冲发生器产生压力脉冲，从而实现泥浆脉冲信号传输[16]。
电磁阀是驱动短节的关键部件，用于先导控制脉冲发生器内流道控制阀的开启和关闭。电磁阀结构如图2所示。电磁线圈缠绕在线圈骨架上，其内通过电流时铁芯被磁化，从而吸合上静磁体，并带动活动短柱和伸缩杆移动，堵塞驱动短节中心的泄流流道。无电流时磁性消失，在复位弹簧作用下，流道恢复。
1-下静磁体；2-动磁体；3-电磁铁壳体；4-线圈骨架；5-脉冲幅值调整杆；6-上静磁体；7-活动短柱；8-伸缩杆；9-复位弹簧
图2 电磁阀结构
Fig.2 Structure of solenoid valve
电磁阀工作时需要消耗大量电能，因此驱动短节设置了储能电路、充电电路和控制电路。储能电路用于存储电磁阀工作需要的电能；充电电路用于对储能电路进行恒流充电；控制电路用于控制充电过程，并控制储能电路给电磁线圈放电。
(4) 脉冲发生器。脉冲发生器类似于在钻具内部安装的可控制闸门，如图3所示。发射泥浆脉冲信号时，驱动短节伸缩杆伸入脉冲发生器下支撑盘内，在压力作用下，带动脉冲发生器阀头动态移动，将钻具内部水流通道减小一定面积，使钻具内流动阻力加大，泥浆泵泵压升高。信号发射完成后，驱动短节停止工作，脉冲发生器使钻具内部通道恢复到原来的面积，泵压恢复正常。
1-滤网体；2-孔板座；3-阀座；4-阀头；5-阀杆；6-中心支撑座；7-导流筒；8-下支撑盘
图3 脉冲发生器结构
Fig.3 Structure of pulser
1.3 防爆压力变送器
防爆压力变送器用于将传递至孔口的泥浆压力脉冲信号转换为电信号并发送至防爆计算机。采用扩散硅压力敏感元件将泥浆压力脉冲信号转换为与其成正比的毫伏电压输出信号，然后经集成放大电路处理转换成标准4～20 mA信号输出。防爆压力变送器具有精度高、稳定性好、响应速度快等优点。
2 装置工作原理
矿用泥浆脉冲无线随钻测量装置采用间歇模式工作，其工作原理如图4所示。将防爆测量探管装入无磁外管中下入定向钻孔内，测量短节检测到泥浆泵停泵信号后，采集钻孔轨迹参数(倾角和方位角)、定向钻具状态参数(工具面向角)等静态数据并进行编码。检测到泥浆泵开泵信号后，驱动短节先发送静态数据，然后开始计时并测量和发送动态数据(螺杆马达工具面向角)，开泵状态下动态数据发送一定时间后停止发送，直到下次开泵为止。驱动短节发送数据时，按照预先设置的编码规则有序地控制脉冲发生器调整水力通道的流道面积。流道面积的改变会产生流阻变化，导致泥浆泵出口压力发生变化。安装在泥浆泵出口的防爆压力变送器采集压力变化信号并将其发送到防爆计算机。防爆计算机按照预先设置的编码规则，将压力变化曲线转换成钻孔轨迹数据，并以数据表格和轨迹曲线的方式显示，为钻孔轨迹调整提供依据。完成数据传输后，孔内防爆测量探管停止工作，脉冲发生器内部流道恢复，泥浆泵压力变为正常值，开始定向钻进。
图4 矿用泥浆脉冲无线随钻测量装置工作原理
Fig.4 Work principle of mine-used mud pulse wireless measurement while drilling device
3 装置性能参数和技术特点
矿用泥浆脉冲无线随钻测量装置实物如图5所示，其主要性能参数见表1。
图5 矿用泥浆脉冲无线随钻测量装置实物
Fig.5 Physical figure of mine-used mud pulse wireless measurement while drilling device
表1 矿用泥浆脉冲无线随钻测量装置主要性能参数
Table 1 Main performance parameters of mine-used mud pulse wireless measurement while drilling device
该装置具有以下技术特点：
(1) 采用泥浆脉冲无线信号传输方式，以钻杆柱内钻进冲洗液为信号载体，以钻杆柱内水力通道为信号传输通道，信号强度大、衰减小、传输距离远。
(2) 摆脱了对中心通缆式钻杆的依赖，可与各种类型常规钻杆配套使用，降低了对钻杆结构和密封方面的要求，提高了定向钻进用钻杆强度和孔内钻具安全性。
(3) 适应于复合定向钻进、滑动定向钻进、常规回转钻进等工艺方法，提高了定向钻进适用地层范围，且可实现常规钻孔轨迹随钻测控。
(4) 脉冲发生器为一体式结构，最小外径为76 mm，在小排量(不小于90 L/min)、低泵压(不大于12 MPa)下能产生稳定的脉冲信号，适应煤矿井下定向钻孔冲洗液条件。
(5) 孔内仪器基于流量变化，以间歇、低功耗模式工作，大幅减少无效用电，延长了孔内连续工作时间。
(6) 采用特殊的防爆结构设计，能够满足煤矿井下爆炸气体环境的使用要求。
4 装置使用与操作
4.1 装置设置与检查
装置使用前，应检查孔口防爆计算机、无磁钻具、孔内仪器外观、防爆测量探管精度、充电电池筒电量、脉冲发生器、泥浆泵等，确保装置能安全正常工作。
防爆测量探管传输数据分为静态数据和动态数据两类，使用前应根据需要设置探管运行参数，使孔内仪器和孔口仪器运行参数保持一致，确保正确解调出随钻测量数据。完成设置后应进行模拟测试，检测探管是否按设置参数进行数据发送。重复测量3次，确定探管工作正常，模拟测试合格，回收仪器并放置好。
4.2 装置组装连接
(1) 孔口设备连接。将防爆计算机固定在操作人员易观察到的地方，并将防爆计算机电源线接入井下防爆电柜中。
将防爆压力变送器三通接手与泥浆泵出水口牢固连接，并使压力变送器安装口朝上方，然后将压力变送器安装在三通接手上。合理布设压力变送器信号电缆，并将其从防爆计算机的信号连接口引入防爆计算机。
(2) 防爆测量探管组装。将测量短节、充电电池筒、驱动短节采用连接器依次连接，组成孔内仪器串。将流量开关定位接手与无磁仪器外管连接，然后将连接好的探管装入无磁外管，使测量短节定位凸键嵌入流量开关定位接手的键槽中，最后将脉冲发生器安装到无磁外管上，组成孔内仪器总成。
4.3 装置使用
将孔内仪器总成的流量开关定位接手端与下无磁、螺杆马达、钻头等钻具依次连接，完成工具面修正。然后在脉冲发生器端与钻进用钻杆连接，将仪器下入孔底。
定向钻进时，孔内仪器根据泥浆泵工作状态，发送静态数据和工具面调整动态数据，指导定向钻孔轨迹调整，完成定向钻进施工。
5 现场试验
矿用泥浆脉冲无线随钻测量装置在华兴能源有限责任公司唐家会煤矿61101工作面进行了现场试验，成功完成3个顶板水疏放定向孔，保障了工作面巷道掘进及回采安全。
5.1 工作面概况
61101工作面为唐家会煤矿首采工作面，主采煤层6煤，采厚约18 m；煤层顶板岩性依次为粗粒砂岩、细粒砂岩、粉砂岩、砂质泥岩和泥岩；底板岩性依次为砂质泥岩、粉砂岩、泥岩、炭质泥岩、粗粒砂岩、中粒砂岩、细粒砂岩。
矿井井筒建设和水文物探探查显示6煤顶板含砂岩裂隙-孔隙水，且含水性强。当6煤综采时，形成的垮落带及裂隙带会使6煤顶板的裂隙-孔隙水导入6煤，存在重大水害隐患。为了保证后期煤层安全回采，决定在工作面提前施工顶板水疏放定向孔对含水体进行超前治理，避免水害事故发生。
5.2 试验装备与钻孔设计
试验装备主要有ZDY6000LD型履带式全液压坑道定向钻机、3NB-320型往复式泥浆泵和φ73 mm常规外平钻杆。
考虑工作面整体疏放水的需要，布置了1个钻场和3个定向钻孔。
5.3 钻孔施工
现场试验时共完成3个钻孔，孔深分别为447，658，535 m，总进尺为164 m，实钻轨迹平面如图6所示，3号钻孔实钻轨迹剖面如图7所示。施工过程中泥浆泵泵量为165 L/min，泵压最大值为6 MPa，分别采用滑动定向钻进技术和复合定向钻进技术，施工过程中仪器工作稳定，测量数据准确，测量精度在允许范围之内。
图6 试验钻孔实钻轨迹平面
Fig.6 Drilling trajectory plan of experimental drilling holes
图7 3号试验钻孔实钻轨迹剖面
Fig.7 Drilling trajectory profile of No.3 experimental drilling hole
定向钻孔施工时，最大出水量达15 m3/h，持续疏放至孔内无水后，进行煤层回采。
6 结论
(1) 矿用泥浆脉冲无线随钻测量装置满足煤矿井下各类煤层孔和岩层孔定向钻进施工需要，革新了煤矿井下随钻测量装置的信号传输方式，提高了信号传输强度和传输距离，增强了定向钻进钻杆强度，降低了定向钻进装备成本，且可与复合定向钻进技术结合，提高了定向钻孔深度、钻进效率和钻进安全性，是对现有煤矿井下定向钻进技术与装备的重要改进和发展。
(2) 泥浆脉冲传输方式对钻进用泥浆性能要求较高，虽然煤矿井下定向钻进时一般采用清水，且不循环利用，但搬运钻杆过程中或利用钻杆注浆后可能在钻杆内留有固体颗粒，从而导致脉冲发生器堵塞，出现通信故障。应注意保持钻杆清洁，或在脉冲发生器后设置过滤器，确保孔内仪器工作正常。
(3) 泥浆泵是泥浆脉冲信号的重要噪声源，应尽量选用液压驱动泥浆泵，且在使用时应注意保养检修，确保工作平稳。
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