一种煤矿井下声波传输装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种声波传输装置和方法，属于矿用钻探仪器领域，具体涉及一种煤矿井下声波传输装置和方法。本发明专利技术将随钻测量数据通过编码转换成固定频率的机械敲击，经敲击产生的声波信号将沿着钻杆向孔口传播，通过在孔口钻杆尾端安装的传感器接收声波信号并上传计算机进行解码，即可得到随钻测量数据。本发明专利技术可应用于常规钻进的随钻轨迹测量，简单实用，方便可靠。

Underground acoustic wave transmission device and method for coal mine

The invention relates to an acoustic wave transmission device and a method, belonging to the field of a mine drilling instrument, in particular to a coal mine downhole acoustic wave transmission device and method. The MWD data by encoding into fixed frequency mechanical percussion, acoustic signal by knocking generated along the pipe orifice to spread through sensors installed in the hole drill end receiving acoustic signals and decoding computer to upload, can get the MWD data. The invention can be applied to track measurement while drilling in conventional drilling, which is simple, practical, convenient and reliable.

【技术实现步骤摘要】
一种煤矿井下声波传输装置和方法
本专利技术涉及一种声波传输装置和方法，属于矿用钻探仪器领域，具体涉及一种煤矿井下声波传输装置和方法。
技术介绍
目前，煤矿井下钻探领域孔底数据的传输方式主要是有线传输，稳定性高，传输速率快，应用范围广，但必须使用专用钻杆，使用成本高；因此，近几年煤矿井下开始引入在石油钻探领域已经比较成熟的泥浆脉冲和电磁波无线传输方式，但由于工况条件等方面的区别，目前此类产品还处于推广阶段。石油上研究声波传输数据的技术难点主要在两点：传输距离和信号解调。石油上孔底信号传到孔口的距离最少都是上千米，所以，需要尽量加长棒体长度和驱动电压，另外，由于钻杆都是螺纹连接，所以在连接位置发生的声波反射和折射比较常见，导致信号频率越高，信号解调越困难，技术成本高。根据煤矿和石油上工况条件的不同，现有的磁致伸缩原理的声波发声器无法用于煤矿井下。首先，现有的磁致伸缩原理的声波发声器无法满足小直径需求。石油钻井中采用稀土或压电陶瓷做成的声波发生器，都是磁致伸缩材料组成的实心棒体外绕线圈而成的一体结构，其中，棒体长度及线圈匝数决定发声功率即强度，棒体越长，线圈越多，信号强度越大；棒体越短，线圈越少，信号强度越小，当然信号强度还与加载到棒体上的驱动电压强度成正比；棒体直径决定发声频率，直径越大，频率越低；直径越小，频率越高。现有技术中的磁致伸缩原理声波发生器，棒体加线圈的直径达到80mm以上，频率最低500HZ左右，如果想将频率降到30HZ，它的直径很难满足煤矿井下工况要求，因为煤矿井下常见的钻杆直接是63-73mm左右，一般孔中仪器直径不大于50mm。如果做成直径小的，满足尺寸要求的情况下，信号频率将很高，且信号强度较小，提高了孔口信号解调的难度，实现的可能性较小。其次，难以满足功耗要求。，在现有声波传输通信中，由于采用磁致伸缩原理的声波发生器发出的信号频率比较高，不能准确控制声波发生器仅敲击一次作为信号1，所以都是采取载波或者变频的方式传播信号，这种情况下必须不停的有载波信号发出，即声波发生器在不停的执行动作，电池能量消耗比较大。并且磁致伸缩原理的声波信号发声器驱动电压要求需要上百伏，由孔底电池供电的情况下，需要升压等处理，功耗较大，电池做的很大，不适用于煤矿井下频繁钻进，测量次数密集的情况。最后，煤矿井下钻孔施工常用钻杆必须有压力水流过，冲洗钻头降温(钻孔中有瓦斯，用水冲洗可降低钻进时钻头温度，防止点燃瓦斯)和排渣(孔口泥浆泵输出的压力水通过钻杆和钻头后，将携带孔底煤渣沿着钻杆与钻孔之间的环空排出)，由于还要预留流水通道的需要，现有的声波发生器难以应用于煤矿井下。基于以上问题，煤矿井下难以应用现有的磁致伸缩声波发生器，现有技术中还不存在采用声波传输的方式在煤矿井下进行数据传输。
技术实现思路
本专利技术主要是解决现有技术所存在的上述的技术问题，提供了一种煤矿井下声波传输装置和方法。该装置及方法结构简单，方便实用，对钻杆等钻具要求较少，性价比高，适合煤矿井下常规钻进的随钻轨迹测量。本专利技术的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种煤矿井下声波传输装置，包括数据敲击发送模块，所述数据敲击发送模块包括：用于容置声波发生器的容置外壳；所述容置外壳内壁与声波发生器之间设置有流水通道；所述容置外壳内部一侧设置有一中心突台，所述中心突台的一端外缘与容置外壳内壁相接，另一端与声波发生器刚性相接，所述中心突台上设置有与流水通道相连的过流孔。优化的，上述的一种煤矿井下声波传输装置，所述容置外壳包括相互配合的敲击公接手与敲击母接手；所述中心突台一端外缘与敲击母接手的内壁相接，另一端与声波发生器的防爆外壳刚性相接。优化的，上述的一种煤矿井下声波传输装置，所述中心突台包括一锥形结构，所述锥形结构的锥底与容置外壳的内壁相连，其另一端通过一柱体与声波发生器连接；所述柱体与容置外壳的内壁之间构成流水通道，所述锥形结构上设置有与流水通道相通的过流孔。优化的，上述的一种煤矿井下声波传输装置，所述容置外壳的内壁上设置有用于支撑所述声波发生器的扶正突台。优化的，上述的一种煤矿井下声波传输装置，所述扶正突台均匀分布在敲击公接手内壁，间隔角度120°。优化的，上述的一种煤矿井下声波传输装置，所述声波发生器包括：受电磁铁芯驱动的敲击球头，所述电磁铁芯的尾部连接复位弹簧；所述中心突台与敲击球头所在的一端刚性相接。一种煤矿井下声波传输方法，声波的产生基于权利要求1所述的煤矿井下声波传输装置。优化的，上述的一种煤矿井下声波传输方法，在孔底采用数据敲击发送模块将传感器组采集到的工程参数以敲击钻杆产生声波方式发送；在孔口钻杆尾端采用孔口传感器采集孔底发出的声波信号，传送给带有上位计算机解码并显示，所述敲击频率根据钻具及工况等情况不同设定在2-30Hz。优化的，上述的一种煤矿井下声波传输装置，将接收到的工程参数进行二进制压缩编码，压缩数据长度并减少数据位1的数量，得到二进制码；按照二进制码的排列顺序由电磁线圈驱动铁芯纵向敲击仪器防爆外壳产生声波，其中，数据位1表示敲击，数据位0表示不敲。因此，本专利技术具有如下优点：(1)结构简单，方便实用，对钻杆等钻具要求较少，性价比高，适合煤矿井下常规钻进的随钻轨迹测量；(2)声波发生器仅在信号1时动作，有效提高钻孔内电池利用效率；(3)特殊的突台设计，能够有效的延长声波信号传输距离，减小信号衰减。附图说明图1矿用声波随钻测量系统原理图；图2声波发生器结构图；图3数据敲击发送模块的原理框图。具体实施方式下面通过实施例，并结合附图，对本专利技术的技术方案作进一步具体的说明。图中，1-数据敲击发送模块，2-传感器组，3-孔口传感器，4-数据解码模块，5-计算机，6-敲击母接手，7-隔爆外壳，8-敲击球头，9-电磁铁芯，10-复位弹簧，11-敲击公接手，12-流量开关，13-驱动电路，14-电磁铁敲击单元，15-信号接收单元，16-主控模块，17-中心突台，18-过流孔,19-扶正突台，20-退刀槽。实施例：参见图1，矿用声波随钻测量系统由数据敲击发送模块1、传感器组2、孔口传感器3、数据解码模块4和计算机5组成，全部采用防爆设计，可在煤矿井下爆炸性气体环境中使用。随钻测量数据上传时，传感器组2将采集到的工程参数倾角、方位角和工具面向角发送给数据敲击发送模块1，数据敲击发送模块1将工程参数压缩编码成二进制码，通过线圈驱动铁芯敲击仪器防爆外壳产生的声波信号将二进制码发送出去，声波信号随钻杆体传至孔口由孔口传感器3接收并转换为电信号再传输到计算机5中的数据解码模块4，数据解码模块4再对信号进行滤波、放大和解码等处理后上传计算机5存储和显示。参见图2，将声波发生器整体固定安装在敲击母接手6、敲击公接手11内部置中，防爆外壳7外径小于敲击母接手6和敲击公接手11的内径，他们之间的间隙可作为流水通道；敲击母接手6的中心突台17留有过流孔18可作为流水通道；敲击公接手11中有扶正突台19支撑声波发生器居中，扶正突台19均匀分布在敲击公接手11内壁，间隔角度120°，不妨碍压力水流通。其中，中心突台17包括一锥形结构，锥形结构17的锥底与敲击母接手6的内壁相连，其另一端通过一柱体与突台底面相连，柱体与敲击母接手6的内壁之间构成流水通道，过流孔本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种煤矿井下声波传输装置，包括数据敲击发送模块，其特征在于，所述数据敲击发送模块包括：用于容置声波发生器的容置外壳；所述容置外壳内壁与声波发生器之间设置有流水通道；所述容置外壳内部一侧设置有一中心突台(17)，所述中心突台(17)的一端外缘与容置外壳内壁相接，另一端与声波发生器刚性相接，所述中心突台(17)上设置有与流水通道相连的过流孔(18)。

【技术特征摘要】
1.一种煤矿井下声波传输装置，包括数据敲击发送模块，其特征在于，所述数据敲击发送模块包括：用于容置声波发生器的容置外壳；所述容置外壳内壁与声波发生器之间设置有流水通道；所述容置外壳内部一侧设置有一中心突台(17)，所述中心突台(17)的一端外缘与容置外壳内壁相接，另一端与声波发生器刚性相接，所述中心突台(17)上设置有与流水通道相连的过流孔(18)。2.根据权利要求1所述的一种煤矿井下声波传输装置，其特征在于，所述容置外壳包括相互配合的敲击公接手(11)与敲击母接手(6)；所述中心突台(17)一端外缘与敲击母接手(6)的内壁相接，另一端与声波发生器的防爆外壳(7)刚性相接。3.根据权利要求1所述的一种煤矿井下声波传输装置，其特征在于，所述中心突台(17)包括一锥形结构，所述锥形结构(17)的锥底与容置外壳的内壁相连，其另一端通过一柱体与声波发生器连接；所述柱体与容置外壳的内壁之间构成流水通道，所述锥形结构上设置有与流水通道相通的过流孔(18)。4.根据权利要求1所述的一种煤矿井下声波传输装置，其特征在于，所述容置外壳的内壁上设置有用于支撑所述声波发生器的扶正突台(19)。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：高珺，石智军，田宏亮，李泉新，凡东，许超，王龙鹏，毕志琴，方俊，
申请(专利权)人：中煤科工集团西安研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61