一种基于电磁探测的钻进过程中煤岩性状识别系统及方法

本发明属于智能化识别，具体涉及一种基于电磁探测的钻进过程中煤岩性状识别系统及方法。

背景技术：

1、近年来随着煤矿开采深度的增加，出现冲击地压灾害的矿井数量明显增多，给矿井安全生产带来很大的威胁，而钻孔卸压是防治冲击地压的重要技术手段。目前卸压作业仍采用人工操作钻机进行钻孔施工的方式，常常遇到钻进效率低、钻孔深度浅、孔内事故频发等问题，且对钻进过程的煤岩性状难以有效进行识别，从而无法及时调整转速和推进压力等工作参数，这会导致钻孔施工时间的增长，甚至还会导致钻具发生损伤的情况发生。在自动化钻孔施工过程中，随钻煤岩性状的识别效果决定了井下钻孔作业的控制性能，是提高钻孔卸压效率、保障智能化钻孔作业的前提。

2、由于井下卸压巷道的煤岩性状复杂多变，且钻机设备结构较为复杂、传感信号噪声多，随着钻孔深度的增加，采集的振动信号、钻进扭矩、压力等传感信号无法全面表征当前的煤岩钻进状态，导致上述传统识别手段无法满足实际识别需求。而电磁波具有穿透性强、传播稳定、灵敏度高等特点，因此电磁探测技术已在地质勘探、医学成像等领域得到广泛应用。另外，由于不同煤岩性状的电磁参数不同，使得不同煤岩对电磁信号的吸收损耗、反射程度也大不相同，因此可以通过不同煤岩的电磁信号差异特性来实现随钻煤岩性状的精确识别，但是，现有技术中，缺少将电磁探测技术有效应用于钻孔卸压过程中煤岩性状识别的技术手段。为此，迫切需要提供一种基于电磁探测的技术手段来解决钻孔卸压过程中的煤岩性状识别问题，进而能为实现智能化钻孔卸压作业提供可靠的技术支撑。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于电磁探测的钻进过程中煤岩性状识别系统及方法，该系统制造成本低，实时通讯性能可靠，其可以在钻孔作业过程中实时地对煤岩性状进行精准的识别，有利于在钻孔卸压过程中及时调整转速和推进压力等工作参数，能为实现智能化钻孔卸压作业提供可靠的技术支撑；该方法实施步骤简单，智能化程度高，实时性能好，其能在钻进过程中在线式的对周围的煤岩性状进行精准的识别，能有效解决钻孔卸压过程中的煤岩性状识别问题，适合大范围推广应用。

2、为了实现上述目的，本发明提供一种基于电磁探测的钻进过程中煤岩性状识别系统，包括钻进平台、钻杆、微带天线一、微带天线二、电旋转接头、同轴电缆和矢量网络分析仪；

3、所述钻杆的杆身上沿长度方向相平行地开设有两个条形槽，两个条形槽的首端起始于靠近钻杆首端的位置，止于靠近钻杆末端的位置；钻杆装配于钻进平台上，其首端与钻进平台中液压马达的输出轴连接；

4、所述微带天线一和微带天线二的中心频率均为5.6ghz，且分别安装在两个条形槽的末端，用于将接收到的出射电信号转化为出射电磁波，并将出射电磁波向外界进行发射，同时，用于接收反射电磁波，并用于将反射电磁波转化为回传电信号；

5、所述电旋转接头的转子端固定套装在钻杆首端的外部，电旋转接头的定子端与钻进平台固定连接；

6、两根同轴电缆分别嵌设在两个条形槽中，且两根同轴电缆的末端分别与微带天线一和微带天线二连接，两根同轴电缆的首端分别与电旋转接头转子端上的两个接线端连接；

7、所述矢量网络分析仪的端口一和端口二分别与电旋转接头定子端上的两个接线端连接，用于通过端口一和端口二及两根同轴电缆分别向微带天线一和微带天线二发射出射电信号一和电信号二，同时，用于通过端口一和端口二及两根同轴电缆分别接收微带天线一和微带天线二发出的回传电信号。

8、作为一种优选，所述微带天线一和微带天线二的型号相同，其辐射贴片宽度为16.9mm，长度为13.3mm，其基板宽度为35mm，长度为30mm，其介质板厚度为1mm，介电常数为3.3。

9、进一步，为了确保能更高效更精准地获得识别结果，所述矢量网络分析仪的型号为e5071c，其频率测试范围为0.6ghz～8.5ghz。

10、本发明中，在钻杆的杆身上开设两个条形槽，可以便于将两根同轴电缆分别固定嵌设于两个条形槽中，这样，在钻进作业过程中，可以避免煤岩损伤同轴电缆，确保了实时钻进过程中监测信号的可靠传递。在两个条形槽的末端分别安装微带天线一和微带天线二，并使其与两根同轴电缆的末端连接，可以便于在分析设备端经同轴电缆传递出电信号后，通过微带天线转换为电磁波信号，进而发射到外界的空气中，同时，可以在微带天线接收到来自煤岩的反射电磁波信号后，将其转换为回传电信号，并通过同轴电缆输送至分析设备端。由于不同煤岩性状在5.6ghz的频段范围的差异较为明显，因此，选用中心频率为5.6ghz的微带天线来进行出射电磁波的发射和反射电磁波的接收，可以有利于快速精准地获取到识别结果，并有助于降低运算量，降低了对分析设备运算能力的需求，间接降低了识别成本。在钻杆的首端设置电旋转接头，并使其转子端的两个接线端与两根同轴电缆连接，同时，使其定子端上的两个接线端分别与矢量网络分析仪的端口一和端口二连接，可以在钻杆转动过程中确保矢量网络分析仪与微带天线之间能够实时可靠地进行通讯，确保了微波信号能够可靠地传递至微带天线，同时，确保了微带天线所接收的反射波能及时可靠地传回矢量网络分析仪。由于微波信号的接收与发射是以纳秒进行计算的，而钻杆的转速一般在150r/min左右，因此，随钻煤岩电磁信号在每次发射与接收的过程中，钻杆与煤岩之间的相对运动可以忽略不计。另外，钻进过程中的煤岩性状识别主要依靠煤岩电磁反射波来完成，钻杆作为有耗介质对电磁波的传播具有很大的阻碍作用，因此将两个微带天线对称安装在钻杆表面，再通过同轴电缆与矢量网络分析仪连接，能在最大限度上获取实时钻进情况下周围煤岩性状的全部信息，且能有效避免传播过程中有耗介质对电磁波的削弱情况，有利于获得更精准的识别结果。

11、该系统制造成本低，实时通讯性能可靠，其可以在钻孔作业过程中实时地对煤岩性状进行精准的识别，有利于在钻孔卸压过程中及时调整转速和推进压力等工作参数，能为实现智能化钻孔卸压作业提供可靠的技术支撑。

12、本发明还提供了一种基于电磁探测的钻进过程中煤岩性状识别方法，采用一种基于电磁探测的钻进过程中煤炭状态识别系统，其特征在于，包括以下方法，

13、步骤一：获得实验室条件下的损耗参数；

14、在实验室条件下确定出不同煤岩性状在5.6ghz下的回波损耗s11和插入损耗s21；

15、步骤二：获得实际工况下的损耗参数，并确定出当前煤岩的种类；

16、s21：控制钻进平台上的液压马达启动工作，利用液压马达驱动钻杆进行钻进作业；

17、s22：控制矢量网络分析仪启动工作，使矢量网络分析仪的端口一和端口二通过两根同轴电缆分别向微带天线一和微带天线二发射出射电信号一和出射电信号二，利用微带天线一和微带天线二将所接收到的出射电信号一和出射电信号二转换为出射电磁波一和出射电磁波二，并向外界进行发射；

18、其中，所述微带天线一和微带天线二的中心频率均为5.6ghz；

19、s23：利用煤岩体表面反射在空气中传播的电磁波一和电磁波二形成反射电磁波一和反射电磁波二，同时，通过微带天线一接收反射电磁波一和反射电磁波二，并将反射电磁波一和反射电磁波二转换为回转电信号一a和回转电信号二a，再通过同轴电磁传输至矢量网络分析仪的端口一，通过微带天线二接收反射电磁波一和反射电磁波二，并将反射电磁波一和反射电磁波二转换为回转电信号一b和回转电信号二b，再通过同轴电磁传输至矢量网络分析仪的端口一；

20、s24：利用矢量网络分析仪对信号进行分析处理，获得实际工况下的损耗参数；通过回转电信号一a的能量与出射电信号一的能量的比值获得回波损耗s11，通过回转电信号二a的能量与出射电信号一的能量的比值获得插入损耗s12，通过回转电信号二b的能量与出射电信号二的能量的比值获得回波损耗s22，通过回转电信号一b的能量与出射电信号一的能量的比值获得插入损耗s21；

21、s25：将实际工况下的回波损耗s11、插入损耗s21与实验室条件下的回波损耗s11、插入损耗s21进行对比，确定出当前煤岩的种类。

22、作为一种优选，在步骤一中回波损耗s11和插入损耗s21的计算过程如下：

23、s01：建立固体材料微波特性的二端口网络测量模型；

24、待测介质具有两端面，分别为平面一和平面二，电磁波由空气中以一定角度向待测介质平面一的a点入射，一部分电磁波在a点被反射，另一部分电磁波由a点进入待测介质并向前传播到达平面二的b点，在b点处的一部分电磁波透过平面二继续向前传播，在b点处的另一部分电磁波被反射并到达平面一的c点处，在c点处的一部分电磁波透过平面一继续回传，在c点处的另一部分电磁波被反射到达平面二的d点处，在d点处的一部分电磁波透过平面二继续向前传播；

25、s02：根据散射参数的定义，分别得到公式(1)和公式(2)；

26、vr＝s11vi    (1)；

27、vt＝s21vi    (2)；

28、式中，s11为回波损耗参数；s21为插入损耗参数；vi为微带天线发射的电磁信号经过传播到达待测介质表面时的入射电压；vr为总的反射电压；vt为总的透射电压；

29、s03：分别通过公式(3)和公式(4)获得总的反射电压vr和总的透射电压vt的表达式；

30、

31、

32、式中，γ表示电磁波在待测介质平面一处的反射系数，t表示电磁波在待测介质上的透射系数；

33、s04：令vi＝1，依据二端口网络测量模型分别得到公式(5)和公式(6)；

34、

35、

36、s05：根据等效二端口理论得到公式(7)和公式(8)；

37、

38、t＝e-γd              (8)；

39、式中，ηr为待测介质的归一化特性阻抗，单位为ω，γ为电磁波在该待测介质中的传播常数；

40、s06：对公式(7)和公式(8)进行变形，分别得到公式(9)和公式(10)；

41、

42、

43、式中，d为待测介质厚度；

44、s07：通过公式(11)和公式(12)分别得到ηr和γ与电磁参数之间的关系；

45、

46、

47、式中，εp为复介电常数，μp为复磁导率，对于煤岩非磁化物质，μp取值为1；

48、s08：联合以上各式，得到待测介质的相对复介电常数εp的计算公式(13)；

49、

50、式中，γ0表示电磁波在自由空间的传播常数，γ0＝j2π/λ0；

51、s09：通过公式(13)得到公式(14)；

52、εp＝ε′-jε″             (14)；

53、式中，ε′为εp的一阶导数，ε″为εp的二阶导数；

54、s10：通过公式(15)待测介质对电磁场损耗量；

55、

56、式中，εr为待测介质的相对介电常数，εr＝ε/ε0，其中，ε为介质的介电常数实部，ε0为真空中的介电常数，取值为8.85×10-12f/m；ω为电磁波的角频率；

57、s11：将公式(15)代入公式(14)计算得到εp，继续反推得到ηr和γ以及γ和t，进一步代入公式(5)和公式(6)，求得s11和s21。

58、本发明中，先在实验室条件下利用反射波信号强度确定出不同煤岩性状在在5.6ghz下的回波损耗s11和插入损耗s21，可以为后续识别过程中的对比分析提供可靠的技术保障。在钻进作业过程中，使矢量网络分析仪发出的微波信号通过嵌设于钻杆条形槽中的同轴电缆发送至钻杆末端的微带天线，再通过微带天线转换为电磁波后向周围的空气进行发射，同时，利用微带天线接收煤岩所反射的电磁波，并将其转换为回传电信号后通过同轴电缆传递至矢量网络分析仪中，可以避免直接采用钻杆作为电磁波传输介质而对电磁波的能量和振幅产生削弱的情况发生，有利于实时获得钻进情况下周围煤岩性状的全部信息，进而能有助于获得更精准的识别结果。在获得实际工况下不同煤岩的回波损耗和插入损耗后，通过对比的方式与实验室中所获得的回波损耗和插入损耗进行比对，可以快速地获得识别结果。

59、该方法实施步骤简单，智能化程度高，实时性能好，其能在钻进过程中在线式的对周围的煤岩性状进行精准的识别，能有效解决钻孔卸压过程中的煤岩性状识别问题，适合大范围推广应用。