礦用合成大功率瞬變電磁發射機及應用

王冰純

（中煤科工集團西安研究院有限公司,陜西 西安710077）

瞬變電磁法隸屬于時間域電磁法，它以巖（礦）石的物性差異，如導電性、導磁性為基礎，根據電磁感應原理，利用線源向目標地質體發送一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場關斷期間，利用磁感應線圈觀測二次渦流場，研究該場的空間與時間分布規律，來達到尋找目標地質體中的低阻異常體的探測方法[1]。瞬變電磁法具有施工快捷、抗干擾能力強、對低阻體反映靈敏和不受高阻層屏蔽等優點，在煤礦井下得到廣泛應用。近年來，礦井瞬變電磁法在煤礦井下地質勘探領域，如超前預報探測、頂板采空富水區、煤田防治水進展迅速。逐步成為煤層底板隱伏含水陷落柱、導水斷層裂隙、采空區及導水構造探測的主要物探方法[2-5]。

受到煤礦爆炸性氣體環境條件限制，礦用瞬變電磁儀器設備必須滿足礦用設備的防爆要求，這樣極大的限制了探測的精度與廣度，其中最主要的是限制了發射電路的發射功率[6]。然而瞬變電磁探測其探測精度在很大的程度上取決于發射功率，為了在煤礦井下取得較好的探測效果，根據電磁波空間場強疊加原理，提出采用多路同步發射，提高空間探測電磁波能量，限制每一路發射機的輸出能量以滿足防爆要求，有效解決發射能量與防爆要求之間的矛盾。

1 瞬變電磁大功率合成發射可行性

1.1 電磁波空間疊加理論

波的疊加定理指出，幾列波在介質中傳播時在各點激起的總振動等于這些波逐個單獨傳播時在各該點激起的振動的疊加，且這幾列波經過該點后仍保持各自的特性（頻率、波長、振幅、振動方向、傳播方向）不變，獨立傳播。在特定的條件下，波的頻率相同、振動方向相同、相位差恒定，即滿足波的相干條件時，在交疊區域內，有的地方振動始終加強，有的地方振動始終削弱，其它位置的振動的強弱介乎于兩者之間，形成振動強弱穩定分布的疊加現象，產生波的干涉現象。電磁波空間疊加如圖1。

圖1 電磁波空間疊加Fig.1 Electromagnetic wave spatial superposition

以2 束相干波源的電磁波空間疊加為例，2 個相干波源S1、S2的振動表達式為y10＝A10cos（ωt＋φ1），y20＝A20cos（ωt＋φ2），2 列波傳播到P 點引起的振動y1、y2分別為：

式中：A1、A2為S1、S2在P 點引起振動的幅度；r1、r2為S1、S2到P 點的直線距離；ω 為角頻率；φ 為相位；λ 為波長；t 為時間。

在P 點引起的合振動y 表達式為：

由式（2）可以看出，對于空間不同位置P，都有恒定的△φ，因而電磁場合成強度在空間內形成穩定的場強分布。初始相位相同的2 個相干波源，在2列波疊加的空間內，當波程差為0 或波長的整數倍時，合振動的振幅最大，干涉相長；當波程差為半波長的奇數倍時合振幅最小，干涉相消[7]。

1.2 瞬變電磁大功率合成發射的可行性

瞬變電磁發射機的應用場景為煤礦井下便攜式探測儀器，宜采用本質安全型防爆型式，通過設計特殊的多重保護電路限制對外部的能量輸出，從而在故障和正常工作狀態都不會引起爆炸性氣體的點燃[8]。但正是由于輸出能量受到限制，井下施工時場源信號發射功率較低，不能滿足精細探測或遠距離探測的要求。為了解決爆炸性氣體環境下能量輸出限制與探測精度的矛盾，提出一種瞬變電磁場源信號合成發射的概念，由多路本質安全電路同時發射輸出，相當于同時有多個發射機工作，每一路發射的電磁波在空間進行場強疊加，增強激發能量，來滿足精細、遠距離探測的需求。

根據瞬變電磁探測方法基本理論，其場源信號為一正負極性周期方波，周期性方波信號可以視為無窮多個奇次諧波分量按特定幅度比例的疊加。又由電磁場空間疊加理論，空間中某一點的電場強度可視為多個場源信號的疊加。在實際的合成大功率瞬變電磁發射設計的設計應用中，令其4 個發射線框，同向、平行、重疊布置，那么對于空間某一點P，4個場源信號到點P 的距離可視為等距，即r1=r2=r3=r4；并且發射信號由同樣的控制信號進行驅動，其相位相同，即φ1=φ2=φ3=φ4，根據式（2）可知，△φ=0，即P 點的電場強度為4 個發射場源信號的線性疊加。空間電磁場場強與發射源的數量成正比關系，因此由多源系統構成的發射機與單一發射源產生的電磁場對空間電磁場分布是一致的，在分析與處理結果上不會產生變化，效果等同于一路大電流發射輸出。在煤礦井下爆炸性氣體條件下，多源發射的技術方法可同時滿足防爆要求和大功率輸出的理想條件，增強了場源信號能量，顯著提升瞬變電磁方法對于低阻異常體的探測精度和探測范圍，有效解決了本安限制和探測效果之間的矛盾。

2 合成大功率瞬變電磁發射系統及發射機關鍵技術

2.1 合成大功率瞬變電磁發射系統

合成大功率發射機可與市面上主流瞬變電磁儀主機關聯使用，合成大功率瞬變電磁發射系統組成如圖2。在實際使用過程中，將大功率發射機的“主機”接口專用線纜連接至瞬變電磁主機“發射”接口，實現同步信號的通訊回路。將1#、2#發射線框通過連接至大功率發射機“發射1”航插，將3#、4#發射線框連接至“發射2”航插，通過主機操作頁面可實現1～4 路發射線框的選擇發射。按下大功率發射機“開關”按鍵，使其進入發射待機狀態；在主機面板軟件操作界面選擇“發射序號”并點擊“啟動采樣”按鈕即可啟動發射；在主機“啟動采樣”后，按下發射機“電流/電壓”按鍵，可切換到4 路發射電流顯示狀態，面板可實時顯示4 路發射電流；再次按下“電流/電壓”可切換顯示發射電池組電壓。

圖2 合成大功率瞬變電磁發射系統組成Fig.2 Composition of synthetic high-power transient electromagnetic transmit system

2.2 合成大功率瞬變電磁發射機關鍵技術

合成大功率瞬變電磁發射機主要由同步觸發模塊、隔離驅動模塊、逆變保護輸出模塊、獨立電池組、本安保護電源模塊、電池電量及發射電流顯示模塊，及外殼面板等組成，其關鍵技術點在于同步電路、隔離驅動及逆變保護輸出電路部分。

1）同步觸發模塊。為了適配主流瞬變電磁儀主機，不改變原有儀器電路設計與結構設計，可利用瞬變電磁儀主機的發射輸出作為觸發信號。主機發射輸出為占空比1∶1 的正負極性方波信號，雖然信號不能直接作為大功率發射機的驅動信號，但包含了驅動信號的完整信息，可以從發射信號中恢復驅動信號。瞬變電磁主機的發射輸出為差動信號，設計采用OPA2889 電壓反饋型運算放大器，構成窗口比較器，直接對雙向發射信號進行比較檢波，并提升其負載能力，為大功率發射機提供4 路驅動信號。以此也保證了驅動信號的一致性，使發射機4 路發射信號相位保持同相，確保空間電場分布的線性疊加。

2）隔離驅動模塊。礦用本質安全型儀器要求本安端子之間可承受DC 500 V/min 的耐壓試驗，故前端驅動信號不能直接用來驅動，需設計隔離電路，作為逆變橋的控制信號。隔離驅動模塊設計采用變壓器耦合隔離方式，此類信號隔離方式電路設計簡單、可靠，成本較低的優點。利用晶體振蕩器和門電路，將驅動信號調制4 MHz 的載波信號連接至變壓器初級，初級另一端設計三極管放大電路以提升驅動能力。變壓器次級為二極管構成的整流電路及RC濾波電路，恢復前端驅動邏輯，并設計三極管構成的加速放電電路，提升驅動信號的關斷速度，減小發射波形下降沿時間，提升高頻能量，減小瞬變電磁淺層探測盲區。

3）逆變保護輸出模塊。發射輸出采用CMOS 管構成單相H 逆變橋電路，在經典的H 逆變橋電路基礎上，根據發射波形的要求進行功能完善。發射線圈為一感性負載，且驅動信號設計為快速關斷電路，所以方波在斷電過程中會產生極高的反向電壓，超過MOS 管的耐壓可造成橋路損壞，使發射電源短路，因此有必要限制過高的反向電壓，同時要選取合適的電路元件[9]。根據理論計算，選用STB30NF20L 增強型N 溝道MOS 管作為逆變電橋開關元件，其漏源電壓可達200 V，漏極電流可達30 A，在極端條件下仍可滿足使用要求。通過串接功率電阻的方式，實現簡單可靠的本安發射輸出。

為了響應本質安全型儀器的設計要求，合成大功率瞬變電磁發射機，使用了5 組獨立的電池組，并設計采用LL1185 可變限流值線性穩壓器構成兩級本安保護電路，為不同的功能模塊進行供電，1 路本安5 V 為各功能模塊的控制邏輯電壓源，4 路7 V本安輸出為逆變輸出供電電壓。發射機設計了電量顯示模塊及發射電流顯示模塊，供使用人員參考。

3 合成大功率瞬變電磁發射系統應用試驗

3.1 多路合成發射電磁場強度對比試驗

為驗證多路合成發射瞬變電磁發射場源對空間內電磁場強度的影響，設計鉆孔模擬試驗進行對比測試。試驗時，將孔中瞬變電磁接收探頭送入地面鉆孔，在孔外布置4 組發射線框重疊，分別測試接收探頭在不同鉆孔深度（5、10、15 m）時，使用1 路、2 路、4 路發射線框進行場源信號發射時磁場強度的變化情況如圖3。從試驗結果可知，疊加發射線圈，進行瞬變電磁場源合成發射時，空間電磁場強度正比于發射通道數，符合理論假設。

3.2 多路合成發射電磁場強度對比試驗

圖3 采用1 路、2 路、4 路發射時接收探頭位于孔內不同深度接收信號強度對比Fig.3 Comparison of received signal strength at different depths when the receiving probe is located in the hole when using 1, 2, and 4 channel transmission

為驗證礦用合成大功率瞬變電磁發射機的實地應用效果，對比發射機不同通道的信號探測質量，于王莊煤礦3406 工作面某鉆孔進行孔口多路合成發射、孔中接收的孔巷瞬變電磁探測試驗[10]。發射線框布置在鉆孔外，將接收探頭放入鉆孔中逐點進行測量，通過分析順鉆孔方向的垂直分量z 的二次場推測鉆孔周圍可能存在的低阻異常區，形成以鉆孔為中心，徑向一定距離范圍內的圓柱形探測區域。測量鉆孔距離掘進迎頭約20 m，開孔方向朝3406 工作面內部，孔深約70 m。探測試驗從孔內3 m 開始測量到57 m 結束，點距3 m，共計19 個測點，分別進行1 路、2 路、3 路、4 路發射測量，總計測點76個。

首先對比在分別采用1 路、2 路及4 路發射情況下的z 分量的衰減曲線，每間隔6 m 取點分析。從實際得到的衰減曲線來看，當接收探頭位于孔內3 m 時，衰減曲線均較為光滑，信號質量良好，信號幅值與發射線框數量程線性增長關系；從孔內9 m 開始，單框發射晚期數據出現明顯抖動，信噪比開始明顯下降，質量較佳數據時間降低到10 000 μs；從孔內30 m 左右開始，1 路、2 路發射晚期數據已失去衰減特征，表現為沿一平直線抖動，晚期數據基本不可用，有效數據降低到5 000 μs；隨著深度的增加，4組數據晚期信號質量均有明顯下降，但發射線框越多、發射功率越大時，有效數據時間更長，抗噪能力越強。其后，對z 分量剖面測量2 路數據與4 路數據直接進行瞬變電磁常規處理，并作對比分析，z 分量2 路、4 路數據瞬變電磁常規處理結果對比如圖4。

圖4 z 分量2 路、4 路數據瞬變電磁常規處理結果對比Fig.4 Comparison of transient electromagnetic routine processing results of z-component double-frame and four-frame data

由圖4 可知：在對數據不做校正的前提下，徑向探測深度隨鉆孔深度的增加而減小；隨著發射線框數目增加，發射能量增強，徑向探測深度隨鉆孔深度的增加，降低速度下降（圖中標記線斜率），證明增大發射能量對鉆孔深部信號質量提升明顯，校正難度降低；2 幅圖的主要異常位置在孔深方向基本一致，但2 路發射數據處理結果點沿徑向探測深度有多處明顯“反跳”和“野值（飛點）”現象，視電阻率圖中表現出多處不連貫“牛眼”狀異常，這意味著數據質量較差；2 路發射數據處理結果圖中孔深30 m 以后的低阻異常幅值更強，經過校正處理后會導致孔深3 m 處的異常消失，這實際上是由于孔深較深處的z 分量數據晚期信號受噪音影響被拉平，失去衰減趨勢造成，并非真實信號，4 路發射數據處理結果圖中淺部異常與深部異常幅值相差不大，應與實際情況更加吻合。

4 結 語

基于空間電磁場疊加原理，設計研制礦用合成大功率瞬變電磁發射機，在本安條件下，實現了井下瞬變電磁場源信號的高功率發射。通過模擬測試及井下工業性試驗結果可知，采用大功率發射機進行發射線框組合發射時，線性地提高了早期道響應信號的幅值，同時提高晚期信號的信噪比及有效測量時間，信號質量明顯提升，提高了瞬變電磁探測的質量和可信性。