礦用合成大功率瞬變電磁發(fā)射機(jī)及應(yīng)用

王冰純

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司,陜西 西安710077）

瞬變電磁法隸屬于時(shí)間域電磁法，它以巖（礦）石的物性差異，如導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性為基礎(chǔ)，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，利用線源向目標(biāo)地質(zhì)體發(fā)送一次脈沖磁場(chǎng)，在一次脈沖磁場(chǎng)關(guān)斷期間，利用磁感應(yīng)線圈觀測(cè)二次渦流場(chǎng)，研究該場(chǎng)的空間與時(shí)間分布規(guī)律，來達(dá)到尋找目標(biāo)地質(zhì)體中的低阻異常體的探測(cè)方法[1]。瞬變電磁法具有施工快捷、抗干擾能力強(qiáng)、對(duì)低阻體反映靈敏和不受高阻層屏蔽等優(yōu)點(diǎn)，在煤礦井下得到廣泛應(yīng)用。近年來，礦井瞬變電磁法在煤礦井下地質(zhì)勘探領(lǐng)域，如超前預(yù)報(bào)探測(cè)、頂板采空富水區(qū)、煤田防治水進(jìn)展迅速。逐步成為煤層底板隱伏含水陷落柱、導(dǎo)水?dāng)鄬恿严?、采空區(qū)及導(dǎo)水構(gòu)造探測(cè)的主要物探方法[2-5]。

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

1 瞬變電磁大功率合成發(fā)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(zhì)中傳播時(shí)在各點(diǎn)激起的總振動(dòng)等于這些波逐個(gè)單獨(dú)傳播時(shí)在各該點(diǎn)激起的振動(dòng)的疊加，且這幾列波經(jīng)過該點(diǎn)后仍保持各自的特性（頻率、波長、振幅、振動(dòng)方向、傳播方向）不變，獨(dú)立傳播。在特定的條件下，波的頻率相同、振動(dòng)方向相同、相位差恒定，即滿足波的相干條件時(shí)，在交疊區(qū)域內(nèi)，有的地方振動(dòng)始終加強(qiáng)，有的地方振動(dòng)始終削弱，其它位置的振動(dòng)的強(qiáng)弱介乎于兩者之間，形成振動(dòng)強(qiáng)弱穩(wěn)定分布的疊加現(xiàn)象，產(chǎn)生波的干涉現(xiàn)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(gè)相干波源S1、S2的振動(dòng)表達(dá)式為y10＝A10cos（ωt＋φ1），y20＝A20cos（ωt＋φ2），2 列波傳播到P 點(diǎn)引起的振動(dòng)y1、y2分別為：

式中：A1、A2為S1、S2在P 點(diǎn)引起振動(dòng)的幅度；r1、r2為S1、S2到P 點(diǎn)的直線距離；ω 為角頻率；φ 為相位；λ 為波長；t 為時(shí)間。

在P 點(diǎn)引起的合振動(dòng)y 表達(dá)式為：

由式（2）可以看出，對(duì)于空間不同位置P，都有恒定的△φ，因而電磁場(chǎng)合成強(qiáng)度在空間內(nèi)形成穩(wěn)定的場(chǎng)強(qiáng)分布。初始相位相同的2 個(gè)相干波源，在2列波疊加的空間內(nèi)，當(dāng)波程差為0 或波長的整數(shù)倍時(shí)，合振動(dòng)的振幅最大，干涉相長；當(dāng)波程差為半波長的奇數(shù)倍時(shí)合振幅最小，干涉相消[7]。

1.2 瞬變電磁大功率合成發(fā)射的可行性

瞬變電磁發(fā)射機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景為煤礦井下便攜式探測(cè)儀器，宜采用本質(zhì)安全型防爆型式，通過設(shè)計(jì)特殊的多重保護(hù)電路限制對(duì)外部的能量輸出，從而在故障和正常工作狀態(tài)都不會(huì)引起爆炸性氣體的點(diǎn)燃[8]。但正是由于輸出能量受到限制，井下施工時(shí)場(chǎng)源信號(hào)發(fā)射功率較低，不能滿足精細(xì)探測(cè)或遠(yuǎn)距離探測(cè)的要求。為了解決爆炸性氣體環(huán)境下能量輸出限制與探測(cè)精度的矛盾，提出一種瞬變電磁場(chǎng)源信號(hào)合成發(fā)射的概念，由多路本質(zhì)安全電路同時(shí)發(fā)射輸出，相當(dāng)于同時(shí)有多個(gè)發(fā)射機(jī)工作，每一路發(fā)射的電磁波在空間進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)疊加，增強(qiáng)激發(fā)能量，來滿足精細(xì)、遠(yuǎn)距離探測(cè)的需求。

根據(jù)瞬變電磁探測(cè)方法基本理論，其場(chǎng)源信號(hào)為一正負(fù)極性周期方波，周期性方波信號(hào)可以視為無窮多個(gè)奇次諧波分量按特定幅度比例的疊加。又由電磁場(chǎng)空間疊加理論，空間中某一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度可視為多個(gè)場(chǎng)源信號(hào)的疊加。在實(shí)際的合成大功率瞬變電磁發(fā)射設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)應(yīng)用中，令其4 個(gè)發(fā)射線框，同向、平行、重疊布置，那么對(duì)于空間某一點(diǎn)P，4個(gè)場(chǎng)源信號(hào)到點(diǎn)P 的距離可視為等距，即r1=r2=r3=r4；并且發(fā)射信號(hào)由同樣的控制信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其相位相同，即φ1=φ2=φ3=φ4，根據(jù)式（2）可知，△φ=0，即P 點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度為4 個(gè)發(fā)射場(chǎng)源信號(hào)的線性疊加?？臻g電磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)與發(fā)射源的數(shù)量成正比關(guān)系，因此由多源系統(tǒng)構(gòu)成的發(fā)射機(jī)與單一發(fā)射源產(chǎn)生的電磁場(chǎng)對(duì)空間電磁場(chǎng)分布是一致的，在分析與處理結(jié)果上不會(huì)產(chǎn)生變化，效果等同于一路大電流發(fā)射輸出。在煤礦井下爆炸性氣體條件下，多源發(fā)射的技術(shù)方法可同時(shí)滿足防爆要求和大功率輸出的理想條件，增強(qiáng)了場(chǎng)源信號(hào)能量，顯著提升瞬變電磁方法對(duì)于低阻異常體的探測(cè)精度和探測(cè)范圍，有效解決了本安限制和探測(cè)效果之間的矛盾。

2 合成大功率瞬變電磁發(fā)射系統(tǒng)及發(fā)射機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 合成大功率瞬變電磁發(fā)射系統(tǒng)

合成大功率發(fā)射機(jī)可與市面上主流瞬變電磁儀主機(jī)關(guān)聯(lián)使用，合成大功率瞬變電磁發(fā)射系統(tǒng)組成如圖2。在實(shí)際使用過程中，將大功率發(fā)射機(jī)的“主機(jī)”接口專用線纜連接至瞬變電磁主機(jī)“發(fā)射”接口，實(shí)現(xiàn)同步信號(hào)的通訊回路。將1#、2#發(fā)射線框通過連接至大功率發(fā)射機(jī)“發(fā)射1”航插，將3#、4#發(fā)射線框連接至“發(fā)射2”航插，通過主機(jī)操作頁面可實(shí)現(xiàn)1～4 路發(fā)射線框的選擇發(fā)射。按下大功率發(fā)射機(jī)“開關(guān)”按鍵，使其進(jìn)入發(fā)射待機(jī)狀態(tài)；在主機(jī)面板軟件操作界面選擇“發(fā)射序號(hào)”并點(diǎn)擊“啟動(dòng)采樣”按鈕即可啟動(dòng)發(fā)射；在主機(jī)“啟動(dòng)采樣”后，按下發(fā)射機(jī)“電流/電壓”按鍵，可切換到4 路發(fā)射電流顯示狀態(tài)，面板可實(shí)時(shí)顯示4 路發(fā)射電流；再次按下“電流/電壓”可切換顯示發(fā)射電池組電壓。

圖2 合成大功率瞬變電磁發(fā)射系統(tǒng)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(fā)射機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

合成大功率瞬變電磁發(fā)射機(jī)主要由同步觸發(fā)模塊、隔離驅(qū)動(dòng)模塊、逆變保護(hù)輸出模塊、獨(dú)立電池組、本安保護(hù)電源模塊、電池電量及發(fā)射電流顯示模塊，及外殼面板等組成，其關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)在于同步電路、隔離驅(qū)動(dòng)及逆變保護(hù)輸出電路部分。

1）同步觸發(fā)模塊。為了適配主流瞬變電磁儀主機(jī)，不改變?cè)袃x器電路設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可利用瞬變電磁儀主機(jī)的發(fā)射輸出作為觸發(fā)信號(hào)。主機(jī)發(fā)射輸出為占空比1∶1 的正負(fù)極性方波信號(hào)，雖然信號(hào)不能直接作為大功率發(fā)射機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，但包含了驅(qū)動(dòng)信號(hào)的完整信息，可以從發(fā)射信號(hào)中恢復(fù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。瞬變電磁主機(jī)的發(fā)射輸出為差動(dòng)信號(hào)，設(shè)計(jì)采用OPA2889 電壓反饋型運(yùn)算放大器，構(gòu)成窗口比較器，直接對(duì)雙向發(fā)射信號(hào)進(jìn)行比較檢波，并提升其負(fù)載能力，為大功率發(fā)射機(jī)提供4 路驅(qū)動(dòng)信號(hào)。以此也保證了驅(qū)動(dòng)信號(hào)的一致性，使發(fā)射機(jī)4 路發(fā)射信號(hào)相位保持同相，確?？臻g電場(chǎng)分布的線性疊加。

2）隔離驅(qū)動(dòng)模塊。礦用本質(zhì)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(yàn)，故前端驅(qū)動(dòng)信號(hào)不能直接用來驅(qū)動(dòng)，需設(shè)計(jì)隔離電路，作為逆變橋的控制信號(hào)。隔離驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)采用變壓器耦合隔離方式，此類信號(hào)隔離方式電路設(shè)計(jì)簡單、可靠，成本較低的優(yōu)點(diǎn)。利用晶體振蕩器和門電路，將驅(qū)動(dòng)信號(hào)調(diào)制4 MHz 的載波信號(hào)連接至變壓器初級(jí)，初級(jí)另一端設(shè)計(jì)三極管放大電路以提升驅(qū)動(dòng)能力。變壓器次級(jí)為二極管構(gòu)成的整流電路及RC濾波電路，恢復(fù)前端驅(qū)動(dòng)邏輯，并設(shè)計(jì)三極管構(gòu)成的加速放電電路，提升驅(qū)動(dòng)信號(hào)的關(guān)斷速度，減小發(fā)射波形下降沿時(shí)間，提升高頻能量，減小瞬變電磁淺層探測(cè)盲區(qū)。

3）逆變保護(hù)輸出模塊。發(fā)射輸出采用CMOS 管構(gòu)成單相H 逆變橋電路，在經(jīng)典的H 逆變橋電路基礎(chǔ)上，根據(jù)發(fā)射波形的要求進(jìn)行功能完善。發(fā)射線圈為一感性負(fù)載，且驅(qū)動(dòng)信號(hào)設(shè)計(jì)為快速關(guān)斷電路，所以方波在斷電過程中會(huì)產(chǎn)生極高的反向電壓，超過MOS 管的耐壓可造成橋路損壞，使發(fā)射電源短路，因此有必要限制過高的反向電壓，同時(shí)要選取合適的電路元件[9]。根據(jù)理論計(jì)算，選用STB30NF20L 增強(qiáng)型N 溝道MOS 管作為逆變電橋開關(guān)元件，其漏源電壓可達(dá)200 V，漏極電流可達(dá)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(shí)現(xiàn)簡單可靠的本安發(fā)射輸出。

為了響應(yīng)本質(zhì)安全型儀器的設(shè)計(jì)要求，合成大功率瞬變電磁發(fā)射機(jī)，使用了5 組獨(dú)立的電池組，并設(shè)計(jì)采用LL1185 可變限流值線性穩(wěn)壓器構(gòu)成兩級(jí)本安保護(hù)電路，為不同的功能模塊進(jìn)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(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)了電量顯示模塊及發(fā)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(fā)射系統(tǒng)應(yīng)用試驗(yàn)

3.1 多路合成發(fā)射電磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)

為驗(yàn)證多路合成發(fā)射瞬變電磁發(fā)射場(chǎng)源對(duì)空間內(nèi)電磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響，設(shè)計(jì)鉆孔模擬試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。試驗(yàn)時(shí)，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(fā)射線框重疊，分別測(cè)試接收探頭在不同鉆孔深度（5、10、15 m）時(shí)，使用1 路、2 路、4 路發(fā)射線框進(jìn)行場(chǎng)源信號(hào)發(fā)射時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化情況如圖3。從試驗(yàn)結(jié)果可知，疊加發(fā)射線圈，進(jìn)行瞬變電磁場(chǎng)源合成發(fā)射時(shí)，空間電磁場(chǎng)強(qiáng)度正比于發(fā)射通道數(shù)，符合理論假設(shè)。

3.2 多路合成發(fā)射電磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)

圖3 采用1 路、2 路、4 路發(fā)射時(shí)接收探頭位于孔內(nèi)不同深度接收信號(hào)強(qiáng)度對(duì)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(yàn)證礦用合成大功率瞬變電磁發(fā)射機(jī)的實(shí)地應(yīng)用效果，對(duì)比發(fā)射機(jī)不同通道的信號(hào)探測(cè)質(zhì)量，于王莊煤礦3406 工作面某鉆孔進(jìn)行孔口多路合成發(fā)射、孔中接收的孔巷瞬變電磁探測(cè)試驗(yàn)[10]。發(fā)射線框布置在鉆孔外，將接收探頭放入鉆孔中逐點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，通過分析順鉆孔方向的垂直分量z 的二次場(chǎng)推測(cè)鉆孔周圍可能存在的低阻異常區(qū)，形成以鉆孔為中心，徑向一定距離范圍內(nèi)的圓柱形探測(cè)區(qū)域。測(cè)量鉆孔距離掘進(jìn)迎頭約20 m，開孔方向朝3406 工作面內(nèi)部，孔深約70 m。探測(cè)試驗(yàn)從孔內(nèi)3 m 開始測(cè)量到57 m 結(jié)束，點(diǎn)距3 m，共計(jì)19 個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別進(jìn)行1 路、2 路、3 路、4 路發(fā)射測(cè)量，總計(jì)測(cè)點(diǎn)76個(gè)。

首先對(duì)比在分別采用1 路、2 路及4 路發(fā)射情況下的z 分量的衰減曲線，每間隔6 m 取點(diǎn)分析。從實(shí)際得到的衰減曲線來看，當(dāng)接收探頭位于孔內(nèi)3 m 時(shí)，衰減曲線均較為光滑，信號(hào)質(zhì)量良好，信號(hào)幅值與發(fā)射線框數(shù)量程線性增長關(guān)系；從孔內(nèi)9 m 開始，單框發(fā)射晚期數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯抖動(dòng)，信噪比開始明顯下降，質(zhì)量較佳數(shù)據(jù)時(shí)間降低到10 000 μs；從孔內(nèi)30 m 左右開始，1 路、2 路發(fā)射晚期數(shù)據(jù)已失去衰減特征，表現(xiàn)為沿一平直線抖動(dòng)，晚期數(shù)據(jù)基本不可用，有效數(shù)據(jù)降低到5 000 μs；隨著深度的增加，4組數(shù)據(jù)晚期信號(hào)質(zhì)量均有明顯下降，但發(fā)射線框越多、發(fā)射功率越大時(shí)，有效數(shù)據(jù)時(shí)間更長，抗噪能力越強(qiáng)。其后，對(duì)z 分量剖面測(cè)量2 路數(shù)據(jù)與4 路數(shù)據(jù)直接進(jìn)行瞬變電磁常規(guī)處理，并作對(duì)比分析，z 分量2 路、4 路數(shù)據(jù)瞬變電磁常規(guī)處理結(jié)果對(duì)比如圖4。

圖4 z 分量2 路、4 路數(shù)據(jù)瞬變電磁常規(guī)處理結(jié)果對(duì)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(duì)數(shù)據(jù)不做校正的前提下，徑向探測(cè)深度隨鉆孔深度的增加而減??；隨著發(fā)射線框數(shù)目增加，發(fā)射能量增強(qiáng)，徑向探測(cè)深度隨鉆孔深度的增加，降低速度下降（圖中標(biāo)記線斜率），證明增大發(fā)射能量對(duì)鉆孔深部信號(hào)質(zhì)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(fā)射數(shù)據(jù)處理結(jié)果點(diǎn)沿徑向探測(cè)深度有多處明顯“反跳”和“野值（飛點(diǎn)）”現(xiàn)象，視電阻率圖中表現(xiàn)出多處不連貫“牛眼”狀異常，這意味著數(shù)據(jù)質(zhì)量較差；2 路發(fā)射數(shù)據(jù)處理結(jié)果圖中孔深30 m 以后的低阻異常幅值更強(qiáng)，經(jīng)過校正處理后會(huì)導(dǎo)致孔深3 m 處的異常消失，這實(shí)際上是由于孔深較深處的z 分量數(shù)據(jù)晚期信號(hào)受噪音影響被拉平，失去衰減趨勢(shì)造成，并非真實(shí)信號(hào)，4 路發(fā)射數(shù)據(jù)處理結(jié)果圖中淺部異常與深部異常幅值相差不大，應(yīng)與實(shí)際情況更加吻合。

4 結(jié) 語

基于空間電磁場(chǎng)疊加原理，設(shè)計(jì)研制礦用合成大功率瞬變電磁發(fā)射機(jī)，在本安條件下，實(shí)現(xiàn)了井下瞬變電磁場(chǎng)源信號(hào)的高功率發(fā)射。通過模擬測(cè)試及井下工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果可知，采用大功率發(fā)射機(jī)進(jìn)行發(fā)射線框組合發(fā)射時(shí)，線性地提高了早期道響應(yīng)信號(hào)的幅值，同時(shí)提高晚期信號(hào)的信噪比及有效測(cè)量時(shí)間，信號(hào)質(zhì)量明顯提升，提高了瞬變電磁探測(cè)的質(zhì)量和可信性。