張 磊

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039)

瞬變電磁法是一種建立在電磁感應(yīng)原理基礎(chǔ)上的時間域人工源電磁探測方法[1]。井下瞬變電磁法屬于全空間的電磁法勘探方法，其理論依據(jù)、井下施工技術(shù)和資料處理、解釋方法需要采取一些針對性的處理措施[2-3]。礦井瞬變電磁儀是基于井下瞬變電磁法研制的信號采集儀器，接收到的二次場信號具有信號弱、頻帶寬、動態(tài)范圍大的特點[4-5]。提高儀器的動態(tài)范圍和減少關(guān)斷時間是增加信號有效性的關(guān)鍵。蔡中超等[6]通過實驗從線圈參數(shù)和發(fā)射機參數(shù)分別研究了關(guān)斷時間的影響，并總結(jié)了變化規(guī)律；占文鋒等[7]研究了關(guān)斷時間效應(yīng)及其瞬變電磁場響應(yīng)特征，提出一次場隨著關(guān)斷時間的增加呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，并影響到觀測的二次場強度。目前，國內(nèi)礦井瞬變電磁儀大多數(shù)發(fā)射電流在3 A以下，根據(jù)多匝線圈的匝數(shù)不同，發(fā)射電流關(guān)斷時間 50～400 μs；因瞬變電磁信號早期衰減速度很快，當(dāng)采樣率低時采集的早期信號有限且環(huán)境噪聲大，當(dāng)采樣率高時噪聲水平也較高，采用單個A/D采樣難以兼顧采樣速率和動態(tài)范圍。王忠等[8]采用了2個高速12位、16位A/D分段采集瞬變電磁信號來提高動態(tài)范圍，取得了一定效果；邱碩[9]提出將大動態(tài)范圍信號先進行硬件壓縮，使其不受制于A/D，設(shè)計了雙極性電磁信號對數(shù)放大模塊來擴展動態(tài)范圍。井下生產(chǎn)環(huán)境惡劣，巷道內(nèi)運行的大型機電設(shè)備及動力電纜、信號電纜等帶來的電磁干擾，加大了有效采集二次場信號的難度。為提高儀器的抗干擾能力和接收信號的分辨率，設(shè)計了雙極性恒定大電流發(fā)射、雙24 bit A/D同步高速采集接收和防爆電源供電的礦井瞬變電磁儀。

1 總體設(shè)計方案及探測原理

礦井瞬變電磁儀主要由防爆電源、發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、接發(fā)線圈和ARM嵌入式系統(tǒng)組成。

通過鋪設(shè)在工作面的發(fā)射線圈，向前方發(fā)射一次磁場，發(fā)射電流突然斷開，通過鋪設(shè)在工作面的接收線圈，接收良導(dǎo)電地質(zhì)體內(nèi)部激發(fā)出的二次磁場，其探測原理如圖1所示。

圖1 礦井瞬變電磁探測原理示意圖

二次磁場的時間特性[10]如下：

(1)

式中：V(t)為感應(yīng)電動勢，V；τ為導(dǎo)體的時間常數(shù)，s；t為二次磁場衰減時間，s；N為線圈匝數(shù)。

通過二次磁場的衰減速度可反映地質(zhì)體的特點，計算出視電阻率ρs[11-12]：

(2)

式中：C為全空間響應(yīng)系數(shù)；μ0為真空磁導(dǎo)率，N/A；S為重疊回線面積，m2；V/I為歸一化電壓電流比值，V/A。

1.1 發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計

發(fā)射系統(tǒng)主要由微處理器、隔離驅(qū)動、H橋、霍爾傳感器和關(guān)斷時間檢測電路組成，如圖2所示。H橋式隔離驅(qū)動電路采用防爆電源供電，微處理器(MCU)的I/O口控制隔離驅(qū)動電路的控制端PWM，當(dāng)控制端PWM變換高低電平時，在H橋路中產(chǎn)生頻率為工頻整數(shù)倍的正負(fù)方波電流，輸出到發(fā)射線圈[13-14]。

圖2 發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計原理圖

1)恒流源電路

由MCU自帶的A/D轉(zhuǎn)換器預(yù)設(shè)一個電流值 50 A，霍爾傳感器實時對發(fā)射電流信號進行監(jiān)測，并反饋給MCU，MCU通過對比預(yù)設(shè)電流值與實際發(fā)射電流值，使得電流發(fā)射過程中，前后電流值保持恒定，恒流輸出精度0.5%。

2)發(fā)射放大電路

由4個NPN三極管分別驅(qū)動H橋路中4個MOS管，MOS管分別串入大電流的二極管抑制高壓脈沖[15]，橋臂輸出接在發(fā)射線圈的兩端。MOS管采用IRF1404，漏源電壓40 V，連續(xù)漏極電流162 A，在使用時需要安裝散熱片并涂抹導(dǎo)熱硅脂。

3)關(guān)斷時間檢測電路

發(fā)射電流關(guān)斷時間是發(fā)射系統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo)，其檢測電路采用比較器控制光耦開關(guān)，MCU接收中斷信號的同時，MCU中定時器開始計數(shù)，通過計數(shù)頻率可計算出關(guān)斷時間[16]。

4)發(fā)射系統(tǒng)性能測試

發(fā)射電源電壓12 V，工作電流為50 A。發(fā)射線圈為4匝、邊長1.5 m矩形天線，采用電阻率低的 4 mm2紫銅電纜繞制[17]。發(fā)射系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置：發(fā)射次數(shù)為64次，發(fā)射頻率為25 Hz。示波器記錄發(fā)射線圈上的實時發(fā)射波形，可見測量信號幅值為 400 mV。發(fā)射系統(tǒng)的實時發(fā)射波形如圖3所示。調(diào)整示波器參數(shù)，可見電流關(guān)斷時間為40 μs，發(fā)射系統(tǒng)的電流關(guān)斷時間測試如圖4所示。

圖3 發(fā)射系統(tǒng)的實時發(fā)射波形圖

圖4 發(fā)射系統(tǒng)的電流關(guān)斷時間測試圖

1.2 接收系統(tǒng)設(shè)計

接收系統(tǒng)主要由信號采集模塊、ARM嵌入式處理系統(tǒng)和FPGA控制器組成，如圖5所示。接收線圈輸入的信號經(jīng)放大低通濾波后，由2片 24位 AD7763進行625 kHz高速采集，再送入FPGA控制器中，將2個通道數(shù)據(jù)進行合成。FPGA芯片采用EP4CE75F2317，其通過模擬SPI時序與ARM嵌入式系統(tǒng)通訊，實現(xiàn)接收數(shù)據(jù)的存儲和顯示[18-19]。

圖5 接收系統(tǒng)設(shè)計原理圖

1)雙極性同步采集

采集的接收信號：

Vin=Vi+V50+Vii

(3)

式中：Vin為接收信號；Vi為二次場有用信號；V50為工頻干擾；Vii為系統(tǒng)直流失調(diào)。

通過軟件計算的方法，將相鄰周期正負(fù)極性的信號相減，可得：

Vin1-Vin2=2Vi

(4)

由式(4)可以看出，接收信號即為二次場有用信號，工頻干擾和直流失調(diào)完全被消除。

2)接收系統(tǒng)性能測試

礦井瞬變電磁儀參數(shù)設(shè)置如下：發(fā)射次數(shù)為 64次，發(fā)射頻率為25 Hz，工作電流為50 A。接收系統(tǒng)實測二次場信號的結(jié)果圖如圖6所示。圖6中，橫坐標(biāo)為采樣點對應(yīng)時間，縱坐標(biāo)為感應(yīng)電動勢，坐標(biāo)系為雙對數(shù)坐標(biāo)。檢測結(jié)果表明，接收信號經(jīng)去噪、疊加等處理后，有效感應(yīng)電動勢最小可達(dá)20 μV，實現(xiàn)了高精度、大動態(tài)范圍、低噪聲信號采集。

圖6 接收系統(tǒng)的測量結(jié)果圖

1.3 隔爆兼本安型電源設(shè)計

防爆電源采用磷酸鐵鋰電池(20 A·h)2節(jié)串聯(lián)和磷酸鐵鋰電池(5 A·h)3節(jié)串聯(lián)獨立供電，安裝在獨立隔爆腔體內(nèi)，構(gòu)成隔爆12 V兼本安5 V電池組件。內(nèi)部安設(shè)過充過放的電流、電壓和溫度檢測系統(tǒng)，LCD數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)及大電流機械開關(guān)；電源接線端子采用間接引入式，接線座用環(huán)氧樹脂灌封，隔爆外殼采用Q235材料制成[20]。

2 現(xiàn)場應(yīng)用

為查明安徽淮北恒源煤礦Ⅱ634工作面局部頂板上方40 m內(nèi)煤巖層賦水性情況，采用大功率高速礦井瞬變電磁儀在工作面機巷側(cè)向偏工作面頂板25°方向進行探測。發(fā)射電流設(shè)置為50 A，發(fā)射頻率選擇12.5 Hz，疊加次數(shù)為128次。布置測線1條，測點間距10 m，共布置32個測點，覆蓋工作面巷道走向長度310 m。井下采集數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)編輯、視電阻率計算和時深轉(zhuǎn)換等步驟，可得探測的視電阻率等值線圖，如圖7所示?？梢钥闯?，在有效探測深度150 m，工作面走向長度250～300 m段，深度80～150 m范圍視電阻率值偏低，視電阻率值低于6 Ω·m，判斷為相對強富水區(qū)。通過綜合分析，推測該區(qū)域存在局部砂巖裂隙富水情況，經(jīng)打鉆驗證與實際情況相符合，出水量為2～3 m3/h，驗證了儀器的準(zhǔn)確性。

圖7 工作面探測視電阻率等值線圖

3 結(jié)語

1)研發(fā)的隔爆兼本安型礦用瞬變電磁儀，采用雙極性恒流發(fā)射且可40 μs實現(xiàn)快速關(guān)斷，恒流輸出精度0.5%，最大發(fā)射電流50 A，抗干擾能力得到提高。

2)采用雙24 bit A/D設(shè)計，雙極性同步采樣625 kHz高速疊加，消除噪聲增強信噪比。

3)采用隔爆兼本安型電源供電，可保證礦井使用安全。

4)經(jīng)多個礦井實際應(yīng)用表明，該儀器接收信號信噪比高,較為準(zhǔn)確地劃分了富水異常區(qū)，驗證了儀器的準(zhǔn)確性。