【摘要】：通過(guò)井下鉆孔抽采瓦斯、加固底板、探測(cè)地質(zhì)構(gòu)造是當(dāng)前國(guó)內(nèi)煤礦保障安全生產(chǎn)的常用有效方法。煤礦井下近水平隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)鉆孔定向鉆進(jìn)、精確控制鉆孔軌跡、保證鉆孔軌跡在目的層中有效延伸的基礎(chǔ),采用該技術(shù)可以完成多分支孔施工,增加煤層瓦斯的有效抽采距離,實(shí)現(xiàn)超前區(qū)域瓦斯抽采和底板注漿加固,準(zhǔn)確探明煤層地質(zhì)構(gòu)造。煤礦井下近水平隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)外瓦斯高效抽采的主要技術(shù)方案,并應(yīng)用于地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)和探放水等領(lǐng)域。隨鉆測(cè)量(Measurement While Drilling, MWD)是實(shí)現(xiàn)定向鉆進(jìn)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。煤礦井下隨鉆測(cè)量系統(tǒng)目前主要采用有線方式進(jìn)行信號(hào)傳輸,但是存在通纜鉆桿加工技術(shù)要求嚴(yán)格、使用成本高等缺點(diǎn),無(wú)線隨鉆測(cè)量成為解決上述問(wèn)題的有效途徑。目前在技術(shù)和應(yīng)用上相對(duì)成熟的無(wú)線隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸方式包括泥漿脈沖和電磁波,相比泥漿脈沖傳輸方式,電磁波傳輸方式在數(shù)據(jù)傳輸速率、鉆井液方面具備明顯優(yōu)勢(shì),研制適用于煤礦井下的電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)(Electromagnetic MWD, EM-MWD)將奠定近水平隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)規(guī)�；逃玫幕A(chǔ)。本文圍繞煤礦井下近水平定向鉆進(jìn)中的隨鉆測(cè)量技術(shù)難題,對(duì)隨鉆測(cè)量電磁波傳輸方式的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)深入研究,主要包括電磁傳輸信道衰減特性、數(shù)字調(diào)制方案、信道編碼方法和微弱信號(hào)處理技術(shù),研制了煤礦井下電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)樣機(jī),開(kāi)展了地面?zhèn)鬏攲?shí)驗(yàn)和井下傳輸試驗(yàn)。主要工作包括以下幾個(gè)方面：1.運(yùn)用等效傳輸線法建立了煤礦井下隨鉆測(cè)量電磁傳輸信道模型,揭示了電磁信號(hào)在煤礦井下隨鉆測(cè)量電磁信道傳輸時(shí)衰減特性。通過(guò)計(jì)算孔口接收電極間信號(hào)電壓,分析了煤巖層導(dǎo)電性、電磁通信信號(hào)工作頻率、鉆桿電阻率、鉆桿長(zhǎng)度對(duì)接收信號(hào)電壓幅值的影響。確定了適宜開(kāi)展煤礦井下EM-MWD的條件：(1)電磁通信信號(hào)頻率不高于30Hz;(2)電磁通信信號(hào)傳輸距離不長(zhǎng)于2000m;(3)煤巖層電阻率不低于2.5Ω·m。2.研究了煤礦井下EM-MWD數(shù)字調(diào)制方法。根據(jù)信號(hào)在煤礦井下隨鉆測(cè)量電磁信道傳輸時(shí)衰減特性,分析了煤礦井下EM-MWD通信信道特性,在煤礦井下EM-MWD通信系統(tǒng)建模時(shí)將信道近似為加性高斯白噪聲(Additive White Gaussian Noise,AWGN)信道；通過(guò)理論計(jì)算全面比較了二進(jìn)制線路碼、最小頻移鍵控(Minimum Shift Keying, MSK)和相移鍵控(Phase Shift Keying, PSK)調(diào)制信號(hào)在煤礦井下EM-MWD通信信道內(nèi)的帶寬效率、誤碼率、功率效率,提出偏移四相相移鍵控(offset-QPSK, OQPSK)、MSK或IJF-OQPSK調(diào)制比二進(jìn)制相移鍵控(Binary Phase Shift Keying, BPSK)或正交相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keyin, QPSK)調(diào)制更適合煤礦井下EM-MWD通信信道。3.提出了適合煤礦井下EM-MWD通信信道的最佳線性分組碼。根據(jù)煤礦井下近水平定向鉆進(jìn)對(duì)隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸要求,將發(fā)送數(shù)據(jù)分為10bit短數(shù)據(jù)和94bit長(zhǎng)數(shù)據(jù),選擇實(shí)現(xiàn)代價(jià)小且短數(shù)據(jù)差錯(cuò)性能好的線性分組碼開(kāi)展研究；通過(guò)理論計(jì)算和Matlab/Simulink仿真,系統(tǒng)分析和比較了不同長(zhǎng)度漢明碼、BCH碼和RS碼在硬判決譯碼、軟判決譯碼時(shí)的比特差錯(cuò)性能和碼字差錯(cuò)性能�；诿旱V井下EM-MWD通信信道,10bit短數(shù)據(jù)和94bit長(zhǎng)數(shù)據(jù)的最佳線性分組碼分別為BCH碼(31,16)和BCH碼(127,99)。4.分析了煤礦井下近水平定向鉆進(jìn)井場(chǎng)噪聲特征,提出多級(jí)濾波器法抑制自然電位和強(qiáng)工頻干擾信號(hào),從接收信號(hào)提取微弱電磁通信信號(hào)。確定了開(kāi)關(guān)電容濾波器不適合接收通道前級(jí)濾波；給出了高階有源低通濾波器設(shè)計(jì)方法；設(shè)計(jì)了自動(dòng)增益控制算法；基于Altera FPGA芯片,給出了三種方法設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器。5.給出了煤礦井下電磁波隨鉆測(cè)量樣機(jī)詳細(xì)設(shè)計(jì)。提出了通過(guò)在發(fā)射端串聯(lián)滑動(dòng)電阻器改變發(fā)射電流的方法,運(yùn)用該方法在不改變背景噪聲的條件下調(diào)整接收電極兩端通信信號(hào)幅值,便于測(cè)試孔口儀器處理微弱電磁通信信號(hào)的能力。完成了地面?zhèn)鬏攲?shí)驗(yàn)和初步的井下傳輸試驗(yàn),獲得了試驗(yàn)結(jié)果。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TD712.6

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