矿用钻孔轨迹无线监测系统及其监测方法发明专利

专利名称：矿用钻孔轨迹无线监测系统及其监测方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202111009808.2

专利申请（专利权）人：中煤科工集团重庆研究院有限公司
权利人地址：重庆市九龙坡区科城路6号

专利发明（设计）人：胡运兵,胡万利,何昭友,康厚清,李云波,张军,杨鹏飞,谢成梁,阎家光,覃海明,胡文平,孙喆,雷凯丽

专利摘要：本发明涉及地质勘探技术领域，具体涉及一种矿用钻孔轨迹无线监测系统及其监测方法，其中系统包括：采集模块，用于实时采集钻孔的轨迹数据；编码模块，用于通过电磁波无线传输轨迹数据；解码模块，用于采取阻抗匹配算法提取编码调制处理后的轨迹数据，并对编码调制处理后的轨迹数据解码；停止模块，用于实时根据解码后的轨迹数据自适应判断是否需要停止轨迹数据的采集和传输，如果需要停止轨迹数据的采集和传输，发送停止采集钻孔的轨迹数据的指令到采集模块，并发送停止通过电磁波无线传输编码调制处理后的轨迹数据的指令到编码模块。本发明既提高了传输距离又延长了工作时间，即使采用普通钻杆也能够在回转钻进中的过程中实时传输轨迹数据。

主权利要求：
1.矿用钻孔轨迹无线监测系统，其特征在于，包括：
采集模块，用于实时采集钻孔的轨迹数据；
编码模块，用于实时对轨迹数据进行编码调制处理，并通过电磁波无线传输编码调制处理后的轨迹数据；
解码模块，用于实时接收编码调制处理后的轨迹数据，采取阻抗匹配算法提取编码调制处理后的轨迹数据，并对编码调制处理后的轨迹数据放大和滤波之后解码，得到解码后的轨迹数据；
停止模块，用于实时根据解码后的轨迹数据自适应判断是否需要停止轨迹数据的采集和传输，如果需要停止轨迹数据的采集和传输，发送停止采集钻孔的轨迹数据的指令到采集模块，并发送停止通过电磁波无线传输编码调制处理后的轨迹数据的指令到编码模块；
采集模块包括三轴加速度传感器，三轴加速度传感器用于实时采集钻孔的倾角数据；
停止模块用于实时根据倾角数据自适应判断是否需要停止轨迹数据的采集和传输。
2.如权利要求1所述的矿用钻孔轨迹无线监测系统，其特征在于，解码模块用于采取基于分级控制的增益放大算法对编码调制处理后的轨迹数据进行放大处理。
3.如权利要求2所述的矿用钻孔轨迹无线监测系统，其特征在于，解码模块根据电磁波信号的频率特性和噪声特性确定通频带，并根据通频带对编码调制处理后的轨迹数据进行滤波处理。
4.如权利要求3所述的矿用钻孔轨迹无线监测系统，其特征在于，采集模块包括高精度磁传感器，高精度磁传感器用于实时采集钻孔内大地磁场三分量值；解码模块用于实时接收大地磁场三分量值，并将大地磁场三分量值解码为方向角数据；停止模块用于实时根据方向角数据自适应判断是否需要停止轨迹数据的采集和传输。
5.如权利要求4所述的矿用钻孔轨迹无线监测系统，其特征在于，解码模块还用于储存和显示解码后的轨迹数据。
6.矿用钻孔轨迹无线监测方法，其特征在于，包括：
S1、采集模块实时采集钻孔的轨迹数据；
S2、编码模块实时对轨迹数据进行编码调制处理，并通过电磁波无线传输编码调制处理后的轨迹数据；
S3、解码模块实时接收编码调制处理后的轨迹数据，采取阻抗匹配算法提取编码调制处理后的轨迹数据，并对编码调制处理后的轨迹数据放大和滤波之后解码，得到解码后的轨迹数据；
S4、停止模块实时根据解码后的轨迹数据自适应判断是否需要停止轨迹数据的采集和传输，如果需要停止轨迹数据的采集和传输，发送停止采集钻孔的轨迹数据的指令到采集模块，并发送停止通过电磁波无线传输编码调制处理后的轨迹数据的指令到编码模块；
S1中，采集模块包括三轴加速度传感器，三轴加速度传感器实时采集钻孔的倾角数据；
S4中，停止模块实时根据倾角数据自适应判断是否需要停止轨迹数据的采集和传输。
7.如权利要求6所述的矿用钻孔轨迹无线监测方法，其特征在于，S3中，解码模块采取基于分级控制的增益放大算法对编码调制处理后的轨迹数据进行放大处理。
8.如权利要求7所述的矿用钻孔轨迹无线监测方法，其特征在于，S3中，解码模块根据电磁波信号的频率特性和噪声特性确定通频带，并根据通频带对编码调制处理后的轨迹数据进行滤波处理。 说明书 : 矿用钻孔轨迹无线监测系统及其监测方法技术领域[0001] 本发明涉及地质勘探技术领域，具体涉及一种矿用钻孔轨迹无线监测系统及其监测方法。背景技术[0002] 钻孔施工是煤矿井下地质勘探的基础性工作，由于钻孔施工会受到地质构造、钻机性能、煤岩赋存、人工测量偏差等因素的影响，导致钻孔施工的实际轨迹与理想状态的直线轨迹存在较大偏差。因此，为了有效避免盲区，减少误判、消除安全隐患、更好地保障矿井安全生产，需要掌握施工的钻孔轨迹。[0003] 目前煤矿井下钻孔主要采用回转钻进工艺，基于该工艺的钻孔轨迹测量仪器包括完孔后轨迹测量仪和随钻随测存储式轨迹测量仪两种。完孔后轨迹测量仪，需要现场工作人员待施钻完成将钻杆退出之后，将测斜仪推入钻孔内部，实现钻孔轨迹的测量，这种方式在垮孔的情况下难以实现钻孔轨迹的有效测量；随钻随测存储式测量仪，在钻机钻进过程中通过钻头前端的传感器实现钻孔轨迹的测量，并将测量数据存储在测量装置中，这种方式待退杆后才能知晓钻孔轨迹，无法在钻进过程中监测钻孔轨迹，无法及时评判钻孔施工是否按设计轨迹区域钻进。[0004] 为了实现钻孔轨迹的随钻随测，需要实时传输轨迹数据，这需要依赖于有线的通缆钻杆，这种钻杆属于特制钻杆，相较于普通钻杆使用成本高、不易维护。因此，实现钻孔轨迹的随钻随测，不能采用普通矿用钻杆作为信号传输通道，在钻进中传输轨迹数据调制信号，也即，现有技术不能利用矿用普通钻杆在回转钻进中过程中对的钻孔轨迹进行实时监测。发明内容[0005] 本发明提供一种矿用钻孔轨迹无线监测系统及其监测方法，解决了现有技术不能利用普通钻杆在回转钻进的过程中对钻孔轨迹进行实时监测的技术问题。[0006] 本发明提供的基础方案为：矿用钻孔轨迹无线监测系统，包括：[0007] 采集模块，用于实时采集钻孔的轨迹数据；[0008] 编码模块，用于实时对轨迹数据进行编码调制处理，并通过电磁波无线传输编码调制处理后的轨迹数据；[0009] 解码模块，用于实时接收编码调制处理后的轨迹数据，采取阻抗匹配算法提取编码调制处理后的轨迹数据，并对编码调制处理后的轨迹数据放大和滤波之后解码，得到解码后的轨迹数据；[0010] 停止模块，用于实时根据解码后的轨迹数据自适应判断是否需要停止轨迹数据的采集和传输，如果需要停止轨迹数据的采集和传输，发送停止采集钻孔的轨迹数据的指令到采集模块，并发送停止通过电磁波无线传输编码调制处理后的轨迹数据的指令到编码模块。[0011] 本发明的工作原理及优点在于：其一，采取阻抗匹配算法提取编码调制处理后的轨迹数据，并对编码调制处理后的轨迹数据进行放大滤波处理后解码，阻抗匹配算法有利于提取微弱的电磁波信号，经过放大滤波处理后解码，可以提高传输距离；其二，实时根据轨迹数据自适应判断是否需要停止轨迹数据的采集和传输，这样的工作逻辑可以达到省电的效果，延长工作时间。通过这样的方式，既提高了传输距离，又延长了工作时间，即使采用普通钻杆，也能够在回转钻进中的过程中实时传输轨迹数据，实现对钻孔轨迹的实时监测；虽然受限于煤矿井下施工现场环境和钻孔直径要求，也能够实现长距离无线传输以及长时间工作。[0012] 本发明既提高了传输距离又延长了工作时间，即使采用普通钻杆，也能够在回转钻进中的过程中实时传输轨迹数据，解决了现有技术不能利用普通钻杆在回转钻进的过程中对钻孔轨迹进行实时监测的技术问题。[0013] 进一步，解码模块用于采取基于分级控制的增益放大算法对编码调制处理后的轨迹数据进行放大处理。[0014] 有益效果在于：由于传输信道为煤岩介质，地质情况复杂，电磁波传输条件也极其复杂，采取基于分级控制的增益放大算法，也即，增益放大采用分级控制，最高放大120dB，可以满足不同介质和传输距离对信号放大的要求。[0015] 进一步，解码模块根据电磁波信号的频率特性和噪声特性确定通频带，并根据通频带对编码调制处理后的轨迹数据进行滤波处理。[0016] 有益效果在于：根据电磁波信号的频率特性和噪声特性确定的通频带，能够很好地实现uv级弱信号的滤波接收。[0017] 进一步，采集模块包括三轴加速度传感器，三轴加速度传感器用于实时采集钻孔的倾角数据；停止模块用于实时根据倾角数据自适应判断是否需要停止轨迹数据的采集和传输。[0018] 有益效果在于：通过不间断监测钻杆在钻进过程中的震动、旋转和静止状态，根据震动、旋转及静止状态自适应判断是否需要停止数据采集与传输，便于依此设计采集与传输的电源时序，实现省电工作。[0019] 进一步，采集模块包括高精度磁传感器，高精度磁传感器用于实时采集钻孔内大地磁场三分量值；解码模块用于实时接收大地磁场三分量值，并将大地磁场三分量值解码为方向角数据；停止模块用于实时根据方向角数据自适应判断是否需要停止轨迹数据的采集和传输。[0020] 有益效果在于：通过方向角数据很容易判断钻孔的轨迹是否出现弯曲或者倾斜，方向角数据的变化也能够通过钻杆的震动情况体现出来，从而不间断监测钻杆在钻进过程中的震动。[0021] 进一步，解码模块还用于储存和显示解码后的轨迹数据。[0022] 有益效果在于：将解码后的轨迹数据储存起来，便于后续进行分析利用；将解码后的轨迹数据显示出来，便于直观查看。[0023] 基于上述矿用钻孔轨迹无线监测系统，本发明还提供一种矿用钻孔轨迹无线监测方法，包括：[0024] S1、采集模块实时采集钻孔的轨迹数据；[0025] S2、编码模块实时对轨迹数据进行编码调制处理，并通过电磁波无线传输编码调制处理后的轨迹数据；[0026] S3、解码模块实时接收编码调制处理后的轨迹数据，采取阻抗匹配算法提取编码调制处理后的轨迹数据，并对编码调制处理后的轨迹数据放大和滤波之后解码，得到解码后的轨迹数据；[0027] S4、停止模块实时根据解码后的轨迹数据自适应判断是否需要停止轨迹数据的采集和传输，如果需要停止轨迹数据的采集和传输，发送停止采集钻孔的轨迹数据的指令到采集模块，并发送停止通过电磁波无线传输编码调制处理后的轨迹数据的指令到编码模块。[0028] 本发明的工作原理及优点在于：采取阻抗匹配算法提取编码调制处理后的轨迹数据，有利于提取微弱的电磁波信号，可以提高传输距离；实时根据轨迹数据自适应判断是否需要停止轨迹数据的采集和传输，可以延长工作时间。通过这样的方式，既提高了传输距离，又延长了工作时间，即使采用普通钻杆，也能够在回转钻进中的过程中实时传输轨迹数据，实现对钻孔轨迹的实时监测。[0029] 进一步，S3中，解码模块采取基于分级控制的增益放大算法对编码调制处理后的轨迹数据进行放大处理。[0030] 有益效果在于：采取基于分级控制的增益放大算法，也即，增益放大采用分级控制，可以满足不同介质和传输距离对信号放大的要求。[0031] 进一步，S3中，解码模块根据电磁波信号的频率特性和噪声特性确定通频带，并根据通频带对编码调制处理后的轨迹数据进行滤波处理。[0032] 有益效果在于：根据电磁波信号的频率特性和噪声特性确定的通频带，能够很好地实现弱信号的滤波接收。[0033] 进一步，S1中，采集模块包括三轴加速度传感器，三轴加速度传感器实时采集钻孔的倾角数据；S4中，停止模块实时根据倾角数据自适应判断是否需要停止轨迹数据的采集和传输。[0034] 有益效果在于：通过不间断监测钻杆在钻进过程中的震动、旋转和静止状态，根据震动、旋转及静止状态自适应判断是否需要停止数据采集与传输，便于实现省电工作。附图说明[0035] 图1为本发明矿用钻孔轨迹无线监测系统实施例的系统结构框图。具体实施方式[0036] 下面通过具体实施方式进一步详细的说明：[0037] 实施例1[0038] 实施例基本如附图1所示，包括：[0039] 采集模块，用于实时采集钻孔的轨迹数据；[0040] 编码模块，用于实时对轨迹数据进行编码调制处理，并通过电磁波无线传输编码调制处理后的轨迹数据；[0041] 解码模块，用于实时接收编码调制处理后的轨迹数据，采取阻抗匹配算法提取编码调制处理后的轨迹数据，并对编码调制处理后的轨迹数据放大和滤波之后解码，得到解码后的轨迹数据；[0042] 停止模块，用于实时根据解码后的轨迹数据自适应判断是否需要停止轨迹数据的采集和传输，如果需要停止轨迹数据的采集和传输，发送停止采集钻孔的轨迹数据的指令到采集模块，并发送停止通过电磁波无线传输编码调制处理后的轨迹数据的指令到编码模块。[0043] 在本实施例中，采集模块为三轴加速度传感器，编码模块、解码模块和判断模块均集成在单片机上，通过软件/程序/代码/计算机指令实现其功能，解码模块还连接有储存器和显示器，这些部件均需要采用蓄电池进行供电。[0044] 具体实施过程如下：[0045] S1、采集模块实时采集钻孔的轨迹数据。在本实施例中，采集模块为三轴加速度传感器，钻孔的轨迹数据为钻孔的倾角数据，也即，采用三轴加速度传感器实时采集钻孔的倾角数据。[0046] S2、编码模块实时对轨迹数据进行编码调制处理，并通过电磁波无线传输编码调制处理后的轨迹数据。在本实施例中，可以采用现有的方法对轨迹数据进行编码与调制处理，处理完毕之后通过电磁波无线传输编码调制处理后的轨迹数据。[0047] S3、解码模块实时接收编码调制处理后的轨迹数据，采取阻抗匹配算法提取编码调制处理后的轨迹数据，并对编码调制处理后的轨迹数据放大和滤波之后解码，得到解码后的轨迹数据。在本实施例中，首先，由于阻抗匹配算法非常有利于提取微弱的电磁波信号，采取阻抗匹配算法提取编码调制处理后的轨迹数据，可以提高传输距离；然后，由于传输信道为煤岩介质，地质情况复杂，电磁波传输条件也极其复杂，采取基于分级控制的增益放大算法，也即，增益放大采用分级控制对编码调制处理后的轨迹数据进行放大处理，可以满足不同介质和传输距离对信号放大的要求；接着，根据电磁波信号的频率特性和噪声特性确定通频带，并根据通频带对编码调制处理后的轨迹数据进行滤波处理，能够很好地实现uv级弱信号的滤波接收；最后，对经过放大和滤波处理的轨迹数据进行解码，得到解码后的轨迹数据。解码完毕后，将解码后的轨迹数据储存在储存器中，并将解码后的轨迹数据通过显示器显示出来。[0048] S4、停止模块实时根据解码后的轨迹数据自适应判断是否需要停止轨迹数据的采集和传输，如果需要停止轨迹数据的采集和传输，发送停止采集钻孔的轨迹数据的指令到采集模块，并发送停止通过电磁波无线传输编码调制处理后的轨迹数据的指令到编码模块。在本实施例中，由于钻孔的轨迹数据为钻孔的倾角数据，故而根据倾角数据自适应判断是否需要停止轨迹数据的采集和传输，通过不间断监测钻杆在钻进过程中的震动、旋转和静止状态，便于依此设计采集与传输的电源时序，实现蓄电池的省电工作，延长工作时间。[0049] 可见，在本方案中，一方面，采取阻抗匹配算法提取编码调制处理后的轨迹数据，有利于提取微弱的电磁波信号可以提高传输距离；另一方面，实时根据轨迹数据自适应判断是否需要停止轨迹数据的采集和传输，这样可以省电，延长工作时间。两者相结合起来，既提高了传输距离，又延长了工作时间，即使采用普通钻杆，也能够在回转钻进中的过程中实时传输轨迹数据，实现对钻孔轨迹的实时监测。[0050] 实施例2[0051] 与实施例1不同之处仅在于，S1中，采集模块为高精度磁传感器，高精度磁传感器实时采集钻孔内大地磁场三分量值；S3中，解码模块实时接收大地磁场三分量值，并将大地磁场三分量值解码为方向角数据；S4中，停止模块实时根据方向角数据自适应判断是否需要停止轨迹数据的采集和传输。这样通过方向角数据很容易判断钻孔的轨迹是否出现弯曲或者倾斜，方向角数据的变化也能够通过钻杆的震动情况体现出来，从而不间断监测钻杆在钻进过程中的震动。[0052] 实施例3[0053] 与实施例2不同之处仅在于，采集钻孔的轨迹数据之后，对钻孔的轨迹数据进行修正。由于轨迹数据需要各种传感器进行采集，传感器大多为磁传感器，磁传感器把磁场、电流、温度、光、应力应变等外界因素引起的敏感元件的磁性能变化转换成电信号，来检测相应物理量，比如说，电流、位置、方向等物理参数。由于传感器内部存在磁性材料，在外界因素的作用下可能会出现消磁，比如说外界磁场、加热、高温、撞击，使得磁性材料中各磁畴的磁距方向会变得不一致，导致磁性减弱或消失，进而导致传感器所采集的钻孔的轨迹数据不准确。[0054] 在本实施例中，考虑到具体的应用场景，通常是在户外的矿山或者井下，这些地方或多或少都会存在外界磁场，故而需要根据磁场记忆的原理进行修正：首先，三轴加速度传感器实时采集钻孔的倾角数据，记为R1；然后，将预先准备的外壳罩在三轴加速度传感器上，外壳对外界磁场进行屏蔽，此时由于磁场记忆作用，屏蔽前后三轴加速度传感器受到的外界磁场作用不一样，外界磁场的变化会体现为倾角数据的变化，将此时三轴加速度传感器采集的钻孔的倾角数据的变化量记为ΔR；最后，可以得到修正后的倾角数据，记为R2，那么修正后的倾角数据R2＝R1+ΔR。通过这样的方式，如果存在外界磁场的干扰，那么外界磁场的相对变化就会体现为倾角数据的相对变化，利用磁场记忆的原理，可以准确地对所采集的倾角数据进行修正，进而准确地自适应判断是否需要停止轨迹数据的采集和传输，避免出现误判。[0055] 以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

专利地区：重庆

专利申请日期：2021-08-31

专利公开日期：2024-06-18

专利公告号：CN113565438B