煤矿井下电磁无线随钻测量信号滤波研究

针对采用自适应滤波最小均方算法和递推最小二乘算法提取煤矿井下电磁无线随钻测量(EMMWD)信号存在收敛速度慢与运算时间长等问题,提出了一种稳定快速横向递归最小二乘(SFT-RLS)算法,用于自适应滤除井下非稳态电气干扰与工频及其2倍频、3倍频干扰,实时提取微弱EM-MWD信号。该算法基于RLS算法,利用4个并行滤波器结构可降低运算时间,并利用加权最小二乘误差进行反馈以提高稳定性。仿真试验结果表明,SFT-RLS算法可实现对采样率为1kHz的EM-MWD信号进行自适应滤波和自适应陷波,平均每次迭代运行时间小于156.98μs,实现了快速稳定收敛运算与实时自适应滤波;SFTRLS算法自适应滤波可抑制信号与干扰比为-115dB的非稳态电气干扰;SFT-RLS算法自适应陷波可实时滤除工频及其2倍频、3倍频干扰,有效提取频率为6.25Hz的时间脉冲位置调制的EM-MWD信号波形,为正确解码EM-MWD信号提供了可靠数据。

基于无线电磁传输的防冲钻孔机器人钻进轨迹随钻测量方法

防冲钻孔机器人是高地应力矿井实现无人化卸压的必要装备,研发可靠的钻进轨迹随钻测量系统是保障钻孔卸压效果的重要措施。为此,在分析钻进轨迹算随钻测量基本原理的基础上,研制了基于无线电磁传输技术的钻进轨迹随钻测量钻杆;分析了不同电磁信号调制方式的频谱效益和抗噪声性能,设计了钻杆姿态信号的频移键控(FSK)调制和解调流程,进而开发了先放大后滤波的微弱信号调理系统,设计了相应的功能电路,并基于Multisim软件对其进行了测试,各电路模块满足设计要求。对比分析了5种轨迹解算算法的精度和执行效率,选择了均角全距法进行钻进轨迹解算,研究了基于小波滤波的惯性测量单元测量数据振动误差处理方法,验证了小波滤波算法对于提高姿态角解算精度的有效性。提出了基于拉线位移传感器与机器人动作标志位的钻进深度测量方法,并开展了地面试验与井下试验。试验结果表明:所设计的微弱信号调理系统可以实现煤矿井下微弱信号的接收与处理,基于拉线位移传感器与机器人动作标志位的钻进深度测量方法可以提高钻进轨迹的拟合精度。

煤矿井下电磁波无线随钻测量系统的设计与实现

为保证煤矿安全高效开采,我国每年累计施工数亿米长度的治理瓦斯钻孔工程。为提高钻孔施工效率及质量,保障煤矿安全高效开采,设计了一种煤矿井下电磁波无线随钻测量系统。该系统可随钻测量钻井姿态等参数,通过钻柱与接地线之间形成电势回路,将测得信号通过地层传输到钻机后被接收,实时显示钻孔内近钻头处的钻探参数,可应用于定向钻井施工。经现场工业性试验验证,该仪器使用电磁波传输信号时,信号最大传输距离为500 m,传输速率可达50 bit/s。

煤矿井下电磁波无线随钻轨迹测量系统设计与应用

井下钻探是煤矿日常生产中获取地质资料及消除安全隐患的技术手段。而现阶段煤矿生产中施工的钻孔多不进行钻孔轨迹测量,造成地质资料误判、安全措施客观上不到位的情况时有发生。为根本解决这一问题,根据钻孔轨迹测量原理研发出基于航姿参考系统的电磁波无线随钻轨迹测量系统。该系统具有成本低、方便应用的特点,且能满足无线随钻测量的要求。井下实验证明,该系统可以高效地完成随钻钻孔轨迹测量,提高钻进效率。

煤矿井下电磁波无线随钻测井软件设计与实现

为了实现控制煤矿井下电磁波无线随钻测井仪器,设计并实现了一套煤矿井下电磁波无线随钻测井软件。该软件包括控制软件和随钻监测软件两部分,具有系统自检、数据采集、钻进轨迹偏差计算、电磁波电阻率计算、钻头与顶底板关系判断等数据处理功能。采用MVC对软件的系统构架进行设计。描述了各模块的设计流程,并用C#语言完成软件的开发。实际应用表明该软件现场操作方便可实现随钻测井的实时监测管理。该软件的成功开发,提升了中国煤矿井下随钻测井的能力与技术水平。

矿用泥浆脉冲无线随钻测量信号发生装置设计

针对煤矿井下定向钻进小泵量、低压力工况,研制了一种矿用泥浆脉冲无线随钻测量装置,分析了该装置的技术要求、结构组成、使用条件;重点阐述了该装置信号发生装置(矿用泥浆脉冲无线随钻测量信号发生装置)的设计方案,介绍了信号发生装置中防爆驱动短节及其电磁阀、脉冲发生器的结构设计,以及脉冲发生器中流道控制阀及其阀头参数设计。现场试验结果表明,信号发生装置能够稳定、可靠地产生泥浆压力脉冲信号,最大信号传输深度达2 570m,泥浆压力脉冲衰减速率为5.8%/hm,衰减速率低,具备向更深钻孔应用的能力。

无线随钻测量仪信号传输方式

无线随钻测量是获取井下地层信息的重要技术手段,被广泛应用于水平井、定向井、大位移井等特殊工艺钻井作业中。将井下测量数据实时、高效地传输到地面是随钻测量系统的关键技术之一。本文对泥浆脉冲、电磁波、声波和光纤等四种当前随钻测井系统主要的信号传输方式进行了简要介绍,并对不同的信号传输方式的优缺点以及应用现状进行了简要论述。

矿用泥浆脉冲无线随钻测量装置及其应用

针对采用中心通缆式钻杆作为信号传输通道的有线随钻测量装置存在的钻杆结构复杂、机械性能受限、抗干扰能力差等问题,研制了一种矿用泥浆脉冲无线随钻测量装置。该装置由防爆计算机、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,采用间歇模式工作:防爆测量探管中的测量短节检测到泥浆泵停泵信号后,采集钻孔轨迹参数、定向钻具状态参数等静态数据并进行编码;当检测到泥浆泵开泵信号后,防爆测量探管中的驱动短节依次发送静态数据、测量并发送动态数据,同时控制脉冲发生器调整水力通道的流道面积;防爆压力变送器采集泥浆泵压力信号并将其发送至防爆计算机;数据传输完成后,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。试验结果表明,该装置工作稳定,测量数据准确,传输可靠,提高了定向钻进效率和安全性,满足煤矿井下各类煤层孔和岩层孔定向钻进需要,且可实现常规钻孔轨迹随钻测量。

煤矿井下甚高频电磁干扰分布的分析

本文对煤矿井下甚高频电磁干扰的形成机理进行了分析 。

煤矿井下无线Mesh通信系统设计

针对目前无线通信技术在煤矿井下特殊空间及多变工作环境下无法同时满足高吞吐速率、远距离传输、组网灵活、安装部署简单等需求,设计了一种煤矿井下无线Mesh通信系统。给出了单一巷道的无线Mesh网络节点分布,介绍了系统软硬件设计方法。网络节点由基带板和射频前端构成。基带板主要实现数字波形生成、支持嵌入式系统管理信息交互、接收信号自动增益控制功能;射频前端主要实现将射频发送信号强度放大到目标功率。测试结果表明:①当射频前端发射增益>17 dB时,调整AD9361软件无线电模块的平均输出功率可使系统平均输出功率为37 dBm;②射频前端发射的邻信道功率比<-43 dBc;③射频前端接收链路插入损耗<1.8 dB,收发切换时间<1μs;④系统平均吞吐速率≥45 Mbit/s,满足煤矿井下监控视频传输不卡顿的需求;⑤通话质量等级≥3,说明在大部分工作时段内通话比较清晰。

矿用电磁波随钻测量系统孔口接收机的设计与应用

我国煤炭勘探开发的需求量日益增加,在煤矿井下钻探施工时,使用随钻测量技术可实时获取钻孔内信息,准确地判断勘探区块的工况,施工效率高。使用电磁波将钻孔内近钻头处的测量数据传输至孔口,是煤矿井下勘探信息获取的重要手段之一。针对煤矿井下电磁波随钻测量系统的使用要求,基于小信号检测技术设计完成了该孔口接收机,通过在煤矿井下现场的工业性试验,测得该接收机可以在深500 m以内的钻孔中接收近钻头处传输的微弱信号,满足煤矿使用要求。

“电磁波随钻测量”现场试验成功

4月2日，记者从大庆钻探工程公司获悉，由这个公司钻井工程技术研究院自主研发的“电磁波测量无线传输系统”，在大庆油田英392井现场试验获得成功。“电磁波随钻测量”英文简称“EM—MWD”。这个系统不需要通过循环钻井液就可从井底向地面传送井斜、方位、电阻率和伽马等重要数据，加之具有信号传输速率高、测量时间短、服务成本低等特点，不仅适用于在常规钻井液中进行随钻测量，而且适用于在泡沫、雾化、空气和充气等循环介质中使用。这个系统是“气体水平井钻井”实时监测井眼轨迹的极其有效的途径之一。

煤矿井下基于RSSI的加权质心定位算法

针对基于无线传感器网络的矿井灾害无线监测信息系统,提出了一种基于接收信号强度(RSSI)的加权质心定位算法。算法首先动态获取路径衰落指数,然后通过加权质心算法计算出自身位置。动态获取路径衰落指数实时计算了定位区域下的路径损耗指数,能够准确反映巷道不同区域对信号衰落的影响,增强了测距算法对环境的适应能力。加权质心算法通过加权系数体现各参考节点对质心坐标决定权的大小,提高了定位精度。实验测试表明,算法提高了定位精度,计算量小,定位流程简单,适合用于煤矿井下环境。

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。

一种自适应煤矿井下环境的加权质心节点定位算法

为提高煤矿井下无线传感器网络节点定位精度,提出了一种自适应煤矿井下工况环境的加权质心节点定位算法;在信标节点双链式部署结构的基础上,首先利用未知节点周围RSSI信号强度最大的信标节点之间的位置信息和信标节点的平均RSSI值自适应地估计环境参数,再应用无线信号强度衰减模型计算未知节点到信标节点的距离,最后采用加权质心定位算法的平均值确定最终的节点位置坐标;仿真实验结果表明,所提出方法的平均定位误差为0.94m,有效降低了环境因素及RSSI的随机性对定位精度的影响,可用于煤矿井下无线传感器网络节点实时定位系统中。

煤矿井下EM-MWD仪器研制

研制了煤矿井下电磁无线随钻测量(EM-MWD)仪器。针对煤矿井下EM-MWD特点,发射频率采用可设置的6.25 Hz与12.5 Hz,编码方式采用省电的差分脉冲位置调制(DPPM),发射机设计省电模式与休眠模式提高电池工作时间,φ73 mm绝缘天线外层涂覆多层金刚砂提高耐磨性,接收机采用RLS自适应滤波提高抗干扰性能。试验结果表明仪器在煤矿井下随钻测量传输距离大于310 m,发射机省电模式与休眠模式工作有效,绝缘天线机械强度与耐磨性达到煤矿井下随钻测量要求。

一种基于RSSI的煤矿井下WSN节点快速定位算法

为提高煤矿井下传感器网络节点定位的实时性,提出了一种基于接收信号强度(RSSI)的快速定位算法.该算法在井下巷道锚节点双链式部署结构的基础上,运用高斯密度函数对节点接收到的锚节点信号强度最大的RSSI信号进行滤波处理,再应用指数因子和滤波后RSSI值直接计算确定未知节点的坐标.指数因子采用一种改进的量子粒子群优化算法及定位均方根误差最小的准则进行优化.所提出的算法具有定位速度快、计算量小的优点,仿真实验结果验证了算法的可行性与有效性,适用于煤矿井下无线传感器网络实时定位系统中.

蓝牙技术在煤矿井下移动通信中的应用

无线通信技术在矿井中的应用是近年来兴起的新课题,蓝牙技术是其中之一。对此介绍了蓝牙技术特点、目前矿井无线通信的主要手段及煤矿井下无线移动通信存在的难题,针对蓝牙技术在矿井通信中所面临的技术难题进行探讨,分析其可行性,提出了一种在煤矿井下应用的以基站联合为前提的移动基站模型,最后对蓝牙技术应用于矿井之中的前景进行探讨。

煤矿井下1800m水平定向钻进技术与装备

针对现有煤矿井下定向钻进技术与装备存在的技术问题,提出采用ZDY12000LD大功率定向钻机、泥浆脉冲无线随钻测量系统、配套钻具及复合定向钻进工艺进行煤矿井下定向钻进。结合现场试验,完成了主孔深度1 881 m的定向长钻孔,验证了ZDY12000LD钻机功率大、钻进及事故处理能力强的特点。同时,无线随钻测量系统测量精度高;配套复合定向钻进技术形成的钻孔孔壁光滑,沉渣少,钻孔曲率小,钻进效率高。说明上述钻进技术与装备可满足水平定向长深钻孔等的施工要求。

煤矿井下巡检机器人的研究

目前,我国的煤矿机器人仍然存在着诸多的问题,还有着相当多的技术没有突破,井下由于工作环境复杂,电磁环境复杂,无线信号传输受到极大的干扰,对机器人通信受到了极大的挑战。主要介绍了煤矿井下的巡检机器人的行走方式的种类,介绍了煤矿重点研发目录中的巡检机器人的种类以及主要完成的功能,最后对煤矿井下巡检机器人所存在共性问题进行说明。