礦井瞬變電磁接收裝置結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

王 勇

（山西省霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電公司木瓜煤礦探放水隊(duì)，山西 霍州 031400）

礦井瞬變電磁發(fā)射和接收裝置一般是利用多匝2m×2m 的重疊回線裝置，但是礦井瞬變電磁屬于全空間響應(yīng)，會(huì)增加低阻體空間定位的難度，易誤判地質(zhì)異常發(fā)育的位置，為提高探測(cè)精度，準(zhǔn)確得出地質(zhì)異常發(fā)育的位置，必須對(duì)接收裝置進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，縮小接收線圈的體積，以期實(shí)現(xiàn)后向屏蔽。本文提出利用磁棒線圈來(lái)進(jìn)行礦井瞬變電磁的探測(cè)工作，通過(guò)對(duì)磁棒線圈的改進(jìn)和優(yōu)化，提高了對(duì)淺部的探測(cè)能力，同時(shí)滿足探測(cè)深度與精度的要求。

1 磁棒線圈工作原理和結(jié)構(gòu)分析

感應(yīng)式磁棒線圈的測(cè)磁原理是法拉第電磁感應(yīng)定律，由于磁場(chǎng)的變化使得通過(guò)整個(gè)回路的磁通量發(fā)生了變化，則回路中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式為：

式中：

ε-感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，V；

φ-通過(guò)回路總的磁通量，Wb；

t-時(shí)間，s。

式中方程右側(cè)的“-”代表當(dāng)外磁場(chǎng)磁通量增大時(shí)感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向與外磁場(chǎng)方向相反，并且磁棒線圈只能對(duì)變化的磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。

礦井瞬變電磁接收裝置的磁棒線圈由磁芯、繞組骨架、繞組線圈三個(gè)核心元素組成。因此，設(shè)計(jì)磁棒線圈必須要對(duì)磁芯材料的選取、幾何尺寸的設(shè)計(jì)、繞組線圈的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

2 磁棒線圈設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 磁芯的設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1.1 磁芯材料的選取

磁芯材料的選取和設(shè)計(jì)是磁棒線圈性能好壞的核心控制因素，在整體的設(shè)計(jì)中起著舉足輕重的作用。

比較多種材料發(fā)現(xiàn)，軟磁材料在外磁場(chǎng)下容易被磁化，獲取較高的磁感應(yīng)強(qiáng)度，矯頑力小，一般在100A/m 以下，易于退磁。而軟磁鐵氧體材料具有較高的電阻率，抑制渦流的產(chǎn)生，是制作磁芯較為合適的材料。

2.1.2 磁芯的長(zhǎng)徑比

由于退磁因子的影響，磁芯材料的磁導(dǎo)率和有效磁導(dǎo)率是存在差異的，材料的形狀因素也會(huì)影響有效磁導(dǎo)率的變化，必須進(jìn)行優(yōu)化。

磁芯的退磁因子與有效磁導(dǎo)率的關(guān)系為：

式中：

μapp-有效磁導(dǎo)率；

μr-相對(duì)磁導(dǎo)率；

Nd-退磁因子。

當(dāng)Ndμr≥1 時(shí)，

對(duì)于長(zhǎng)徑比為γ≥l/d（l 為磁芯的長(zhǎng)度，d為磁芯等效直徑）的旋轉(zhuǎn)橢圓體磁芯，其退磁因子并不依賴于磁芯材料的磁導(dǎo)率，而是僅和材料的形狀有關(guān)，Stone 給出了相關(guān)的計(jì)算公式：

當(dāng)γ>12，Nd的誤差小于1%，退磁因子的計(jì)算公式可以簡(jiǎn)化為

將以上公式進(jìn)行整合，磁芯的有效磁導(dǎo)率μapp則是由下面公式?jīng)Q定的：

μapp和μr的關(guān)系如圖1 所示。當(dāng)磁芯的初始磁導(dǎo)率較小時(shí)，有效磁導(dǎo)率隨著初始磁導(dǎo)率的變化而顯著變化，影響磁芯有效磁導(dǎo)率的主要因素是磁芯的初始磁導(dǎo)率；當(dāng)磁芯的初始磁導(dǎo)率較大時(shí)，磁芯的有效磁導(dǎo)率已經(jīng)趨于一個(gè)定值并且不隨著初始磁導(dǎo)率的變化而變化，此時(shí)磁芯的有效磁導(dǎo)率主要是由其長(zhǎng)徑比決定的。

由于井下工作空間的限制，磁棒線圈的重量、體積不應(yīng)該很大，并且從磁芯的制作工藝和應(yīng)力強(qiáng)度等因素上來(lái)考慮，綜合攜帶和測(cè)量的方便，采用長(zhǎng)徑比γ=20 的磁芯較為合理。為了在長(zhǎng)徑比為20時(shí)，其有效磁導(dǎo)率達(dá)到相對(duì)較大的值，不隨著初始相對(duì)磁導(dǎo)率的變化而變化，就必須選擇初始相對(duì)磁導(dǎo)率μr>1500 的軟磁鐵氧體（表1），因此選用μr為2000 的軟磁鐵氧體。

圖1 磁芯的長(zhǎng)徑比與磁導(dǎo)率的關(guān)系圖

表1 不同長(zhǎng)徑比有效磁導(dǎo)率及初始磁導(dǎo)率

2.2 線圈的設(shè)計(jì)優(yōu)化

線圈的設(shè)計(jì)主要有繞組線圈材料、漆包線線徑、磁棒管徑3 個(gè)參數(shù)，對(duì)這3 個(gè)參數(shù)進(jìn)行了多組匹配組合設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了實(shí)際的磁棒線圈的繞制工作，結(jié)合測(cè)試進(jìn)行對(duì)比和分析，從而優(yōu)化磁棒線圈的性能。

2.2.1 直徑、線徑、匝數(shù)的選取

（1）線圈直徑的選取

磁棒線圈的骨架材料選用PVC 材料制成的塑料管，管徑大小分別為50mm、75mm、90mm。為了從3 種管徑中確定出合適的一種，進(jìn)行了3 種管徑磁棒線圈對(duì)比試驗(yàn)。

圖2 中工作裝置是指發(fā)射線圈Tx：2m×2m×40 匝，接收線圈Rx：2m×2m×60 匝的常規(guī)裝置；磁棒線圈作為接收裝置時(shí)其發(fā)射系統(tǒng)為Tx：2m×2m×40 匝，接收裝置磁棒線圈均加入磁芯。從圖2 中可以看出，信號(hào)的強(qiáng)度差距不大，管徑50mm 的信號(hào)較其他兩種尺寸信號(hào)略弱，管徑75mm 和90mm 的磁棒線圈的響應(yīng)曲線幾乎重合，所以綜合考慮便攜性與信號(hào)強(qiáng)度，管徑為75mm 的磁棒線圈的信號(hào)強(qiáng)度較強(qiáng)且體積尺寸較小，具有較好便攜性，因此選擇75mm 管徑較為適合。

（2）線徑的選取

為了確定最佳線徑，對(duì)線徑為0.2mm、0.6mm、1.0mm，匝數(shù)為1000，管徑為75mm 的磁棒線圈進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

圖2 不同管徑磁棒線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)衰減曲線

工作裝置是指發(fā)射線圈Tx：2m×2m×40 匝，接收線圈Rx：2m×2m×60 匝的常規(guī)裝置；磁棒線圈作為接收裝置時(shí)其發(fā)射系統(tǒng)為Tx：2m×2m×40匝，接收線圈均加入磁芯。從圖3 中可以看到，在1.968~31.7ms 時(shí)間段內(nèi)，3 種不同線徑規(guī)格的磁棒線圈信號(hào)近乎重合，但在31.7ms 之后，0.2mm 線徑的磁棒線圈的信噪比很低，存在許多的跳點(diǎn)；線徑為1.0mm、管徑為75mm、匝數(shù)為1000 匝的磁棒線圈的重量已經(jīng)超過(guò)1.7kg，攜帶十分不方便，利用0.6mm 線徑的磁棒線圈完全可以替代它，因此選用0.6mm 線徑的漆包線來(lái)繞制磁棒線圈。

圖3 不同線徑磁棒線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)衰減曲線

（3）線圈匝數(shù)的選取

為了確定最佳繞制匝數(shù)，對(duì)線徑為0.6mm、管徑75mm，匝數(shù)分別為250、1000、5000 的磁棒線圈進(jìn)行了試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。

工作裝置是指發(fā)射線圈Tx：2m×2m×40 匝，接收線圈Rx：2m×2m×60 匝的常規(guī)裝置；磁棒線圈作為接收裝置時(shí)其發(fā)射系統(tǒng)為Tx：2m×2m×40匝，接收線圈均加入磁芯。由圖4 可知，1000 匝的磁棒線圈晚期信號(hào)的信噪比明顯高于250 匝的磁棒線圈，但是隨著匝數(shù)的逐漸增大，發(fā)射和接收線圈的互感效應(yīng)增強(qiáng)，使得發(fā)射裝置的關(guān)斷時(shí)間略微增大，關(guān)斷時(shí)間越長(zhǎng)對(duì)于早期衰減信號(hào)的影響越大，致使進(jìn)一步縮減了瞬變電磁法探測(cè)淺部信息的能力，另外匝數(shù)過(guò)多也會(huì)導(dǎo)致便攜性變差，綜合考慮后選擇1000 匝較為合適。

圖4 不同匝數(shù)的磁棒線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)衰減曲線

2.2.2 線圈纏繞方式

諧振頻率f與分布電容C、電感L之間關(guān)系為：

磁棒線圈的總分布電容相當(dāng)于各個(gè)小線圈分布電容的串聯(lián)，電容串聯(lián)后，總?cè)萘康牡箶?shù)等于每個(gè)電容容量的倒數(shù)之和，若是兩個(gè)同等容量的電容串聯(lián)，則總?cè)萘烤褪敲總€(gè)電容容量的一半。為了減少分布電容，在線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)采用細(xì)導(dǎo)線、窄繞組，多層分段制造。減小線圈分布電容的方法是將線圈分段分層繞制，把整排的線圈分隔成許多小線圈。

3 木瓜煤礦超前探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

本次測(cè)試選用地大華睿公司生產(chǎn)的TEMHZ75礦井瞬變電磁儀（本安型），接收裝置為自制磁棒線圈，選擇規(guī)格為線徑0.6mm、管徑75mm、匝數(shù)1000匝分段繞制，μr為2000 的軟磁鐵氧體磁芯線圈。在霍州煤電集團(tuán)木瓜煤礦超前探測(cè)中采用磁棒線圈接收與多匝重疊回線接收進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究。

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理之后得到的井下超前探測(cè)視電阻率斷面圖如圖5 所示，圖5（a）為磁棒線圈的探測(cè)效果，圖5（b）為2m×2m×60 匝接收的探測(cè)效果。發(fā)射線圈及參數(shù)兩者完全一致。

圖5 兩種接收裝置的超前探測(cè)視電阻率斷面圖對(duì)比

圖5 中兩種接收裝置超前探測(cè)的視電阻率斷面圖吻合較好，特別是在80m 范圍內(nèi)，磁棒線圈和多匝線圈測(cè)量結(jié)果基本一致。在大于80m 的低阻區(qū)左側(cè)和中間的低阻異常區(qū)的位置也吻合較好，右側(cè)的低阻異常區(qū)二者探測(cè)結(jié)果略有差別，可能是由于磁棒線圈接收信號(hào)在晚期段時(shí)，信號(hào)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)跳點(diǎn)，信噪比降低，并且受到礦井中各種人文設(shè)施的干擾，磁棒線圈的部分信號(hào)失真導(dǎo)致的。從總體上看，改進(jìn)后磁棒線圈接收能夠滿足實(shí)際探測(cè)需求。

4 結(jié)論

本文從磁棒線圈的基本原理出發(fā)，對(duì)磁棒線圈的結(jié)構(gòu)及組成材料的各種參數(shù)進(jìn)行研究，確定了合適的磁棒線圈的直徑、漆包線線徑、磁芯的材質(zhì)及長(zhǎng)徑比，并研制可用于實(shí)測(cè)的磁棒線圈。通過(guò)在木瓜煤礦的實(shí)際應(yīng)用，磁棒線圈接收裝置與常規(guī)多匝線圈接收的結(jié)果基本一致，同時(shí)磁棒線圈的體積小，優(yōu)勢(shì)明顯，測(cè)量方式靈活簡(jiǎn)便。因此本次磁棒線圈接收裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)切實(shí)合理，具有實(shí)用性。