张 磊

(中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039)

瞬变电磁法是一种建立在电磁感应原理基础上的时间域人工源电磁探测方法[1]。井下瞬变电磁法属于全空间的电磁法勘探方法，其理论依据、井下施工技术和资料处理、解释方法需要采取一些针对性的处理措施[2-3]。矿井瞬变电磁仪是基于井下瞬变电磁法研制的信号采集仪器，接收到的二次场信号具有信号弱、频带宽、动态范围大的特点[4-5]。提高仪器的动态范围和减少关断时间是增加信号有效性的关键。蔡中超等[6]通过实验从线圈参数和发射机参数分别研究了关断时间的影响，并总结了变化规律；占文锋等[7]研究了关断时间效应及其瞬变电磁场响应特征，提出一次场随着关断时间的增加呈现逐渐减小的趋势，并影响到观测的二次场强度。目前，国内矿井瞬变电磁仪大多数发射电流在3 A以下，根据多匝线圈的匝数不同，发射电流关断时间 50～400 μs；因瞬变电磁信号早期衰减速度很快，当采样率低时采集的早期信号有限且环境噪声大，当采样率高时噪声水平也较高，采用单个A/D采样难以兼顾采样速率和动态范围。王忠等[8]采用了2个高速12位、16位A/D分段采集瞬变电磁信号来提高动态范围，取得了一定效果；邱硕[9]提出将大动态范围信号先进行硬件压缩，使其不受制于A/D，设计了双极性电磁信号对数放大模块来扩展动态范围。井下生产环境恶劣，巷道内运行的大型机电设备及动力电缆、信号电缆等带来的电磁干扰，加大了有效采集二次场信号的难度。为提高仪器的抗干扰能力和接收信号的分辨率，设计了双极性恒定大电流发射、双24 bit A/D同步高速采集接收和防爆电源供电的矿井瞬变电磁仪。

1 总体设计方案及探测原理

矿井瞬变电磁仪主要由防爆电源、发射系统、接收系统、接发线圈和ARM嵌入式系统组成。

通过铺设在工作面的发射线圈，向前方发射一次磁场，发射电流突然断开，通过铺设在工作面的接收线圈，接收良导电地质体内部激发出的二次磁场，其探测原理如图1所示。

图1 矿井瞬变电磁探测原理示意图

二次磁场的时间特性[10]如下：

(1)

式中：V(t)为感应电动势，V；τ为导体的时间常数，s；t为二次磁场衰减时间，s；N为线圈匝数。

通过二次磁场的衰减速度可反映地质体的特点，计算出视电阻率ρs[11-12]：

(2)

式中：C为全空间响应系数；μ0为真空磁导率，N/A；S为重叠回线面积，m2；V/I为归一化电压电流比值，V/A。

1.1 发射系统设计

发射系统主要由微处理器、隔离驱动、H桥、霍尔传感器和关断时间检测电路组成，如图2所示。H桥式隔离驱动电路采用防爆电源供电，微处理器(MCU)的I/O口控制隔离驱动电路的控制端PWM，当控制端PWM变换高低电平时，在H桥路中产生频率为工频整数倍的正负方波电流，输出到发射线圈[13-14]。

图2 发射系统设计原理图

1)恒流源电路

由MCU自带的A/D转换器预设一个电流值 50 A，霍尔传感器实时对发射电流信号进行监测，并反馈给MCU，MCU通过对比预设电流值与实际发射电流值，使得电流发射过程中，前后电流值保持恒定，恒流输出精度0.5%。

2)发射放大电路

由4个NPN三极管分别驱动H桥路中4个MOS管，MOS管分别串入大电流的二极管抑制高压脉冲[15]，桥臂输出接在发射线圈的两端。MOS管采用IRF1404，漏源电压40 V，连续漏极电流162 A，在使用时需要安装散热片并涂抹导热硅脂。

3)关断时间检测电路

发射电流关断时间是发射系统的重要技术指标，其检测电路采用比较器控制光耦开关，MCU接收中断信号的同时，MCU中定时器开始计数，通过计数频率可计算出关断时间[16]。

4)发射系统性能测试

发射电源电压12 V，工作电流为50 A。发射线圈为4匝、边长1.5 m矩形天线，采用电阻率低的 4 mm2紫铜电缆绕制[17]。发射系统参数设置：发射次数为64次，发射频率为25 Hz。示波器记录发射线圈上的实时发射波形，可见测量信号幅值为 400 mV。发射系统的实时发射波形如图3所示。调整示波器参数，可见电流关断时间为40 μs，发射系统的电流关断时间测试如图4所示。

图3 发射系统的实时发射波形图

图4 发射系统的电流关断时间测试图

1.2 接收系统设计

接收系统主要由信号采集模块、ARM嵌入式处理系统和FPGA控制器组成，如图5所示。接收线圈输入的信号经放大低通滤波后，由2片 24位 AD7763进行625 kHz高速采集，再送入FPGA控制器中，将2个通道数据进行合成。FPGA芯片采用EP4CE75F2317，其通过模拟SPI时序与ARM嵌入式系统通讯，实现接收数据的存储和显示[18-19]。

图5 接收系统设计原理图

1)双极性同步采集

采集的接收信号：

Vin=Vi+V50+Vii

(3)

式中：Vin为接收信号；Vi为二次场有用信号；V50为工频干扰；Vii为系统直流失调。

通过软件计算的方法，将相邻周期正负极性的信号相减，可得：

Vin1-Vin2=2Vi

(4)

由式(4)可以看出，接收信号即为二次场有用信号，工频干扰和直流失调完全被消除。

2)接收系统性能测试

矿井瞬变电磁仪参数设置如下：发射次数为 64次，发射频率为25 Hz，工作电流为50 A。接收系统实测二次场信号的结果图如图6所示。图6中，横坐标为采样点对应时间，纵坐标为感应电动势，坐标系为双对数坐标。检测结果表明，接收信号经去噪、叠加等处理后，有效感应电动势最小可达20 μV，实现了高精度、大动态范围、低噪声信号采集。

图6 接收系统的测量结果图

1.3 隔爆兼本安型电源设计

防爆电源采用磷酸铁锂电池(20 A·h)2节串联和磷酸铁锂电池(5 A·h)3节串联独立供电，安装在独立隔爆腔体内，构成隔爆12 V兼本安5 V电池组件。内部安设过充过放的电流、电压和温度检测系统，LCD数据显示系统及大电流机械开关；电源接线端子采用间接引入式，接线座用环氧树脂灌封，隔爆外壳采用Q235材料制成[20]。

2 现场应用

为查明安徽淮北恒源煤矿Ⅱ634工作面局部顶板上方40 m内煤岩层赋水性情况，采用大功率高速矿井瞬变电磁仪在工作面机巷侧向偏工作面顶板25°方向进行探测。发射电流设置为50 A，发射频率选择12.5 Hz，叠加次数为128次。布置测线1条，测点间距10 m，共布置32个测点，覆盖工作面巷道走向长度310 m。井下采集数据经过数据编辑、视电阻率计算和时深转换等步骤，可得探测的视电阻率等值线图，如图7所示。可以看出，在有效探测深度150 m，工作面走向长度250～300 m段，深度80～150 m范围视电阻率值偏低，视电阻率值低于6 Ω·m，判断为相对强富水区。通过综合分析，推测该区域存在局部砂岩裂隙富水情况，经打钻验证与实际情况相符合，出水量为2～3 m3/h，验证了仪器的准确性。

图7 工作面探测视电阻率等值线图

3 结语

1)研发的隔爆兼本安型矿用瞬变电磁仪，采用双极性恒流发射且可40 μs实现快速关断，恒流输出精度0.5%，最大发射电流50 A，抗干扰能力得到提高。

2)采用双24 bit A/D设计，双极性同步采样625 kHz高速叠加，消除噪声增强信噪比。

3)采用隔爆兼本安型电源供电，可保证矿井使用安全。

4)经多个矿井实际应用表明，该仪器接收信号信噪比高,较为准确地划分了富水异常区，验证了仪器的准确性。