矿井瞬变电磁接收装置结构改进设计

王 勇

（山西省霍州煤电集团吕梁山煤电公司木瓜煤矿探放水队，山西 霍州 031400）

矿井瞬变电磁发射和接收装置一般是利用多匝2m×2m 的重叠回线装置，但是矿井瞬变电磁属于全空间响应，会增加低阻体空间定位的难度，易误判地质异常发育的位置，为提高探测精度，准确得出地质异常发育的位置，必须对接收装置进行改进设计，缩小接收线圈的体积，以期实现后向屏蔽。本文提出利用磁棒线圈来进行矿井瞬变电磁的探测工作，通过对磁棒线圈的改进和优化，提高了对浅部的探测能力，同时满足探测深度与精度的要求。

1 磁棒线圈工作原理和结构分析

感应式磁棒线圈的测磁原理是法拉第电磁感应定律，由于磁场的变化使得通过整个回路的磁通量发生了变化，则回路中就会产生感应电动势。

感应电动势的表达式为：

式中：

ε-感应电动势，V；

φ-通过回路总的磁通量，Wb；

t-时间，s。

式中方程右侧的“-”代表当外磁场磁通量增大时感应电流产生的磁场方向与外磁场方向相反，并且磁棒线圈只能对变化的磁场进行测量。

矿井瞬变电磁接收装置的磁棒线圈由磁芯、绕组骨架、绕组线圈三个核心元素组成。因此，设计磁棒线圈必须要对磁芯材料的选取、几何尺寸的设计、绕组线圈的设计进行分析。

2 磁棒线圈设计优化

2.1 磁芯的设计优化

2.1.1 磁芯材料的选取

磁芯材料的选取和设计是磁棒线圈性能好坏的核心控制因素，在整体的设计中起着举足轻重的作用。

比较多种材料发现，软磁材料在外磁场下容易被磁化，获取较高的磁感应强度，矫顽力小，一般在100A/m 以下，易于退磁。而软磁铁氧体材料具有较高的电阻率，抑制涡流的产生，是制作磁芯较为合适的材料。

2.1.2 磁芯的长径比

由于退磁因子的影响，磁芯材料的磁导率和有效磁导率是存在差异的，材料的形状因素也会影响有效磁导率的变化，必须进行优化。

磁芯的退磁因子与有效磁导率的关系为：

式中：

μapp-有效磁导率；

μr-相对磁导率；

Nd-退磁因子。

当Ndμr≥1 时，

对于长径比为γ≥l/d（l 为磁芯的长度，d为磁芯等效直径）的旋转椭圆体磁芯，其退磁因子并不依赖于磁芯材料的磁导率，而是仅和材料的形状有关，Stone 给出了相关的计算公式：

当γ>12，Nd的误差小于1%，退磁因子的计算公式可以简化为

将以上公式进行整合，磁芯的有效磁导率μapp则是由下面公式决定的：

μapp和μr的关系如图1 所示。当磁芯的初始磁导率较小时，有效磁导率随着初始磁导率的变化而显著变化，影响磁芯有效磁导率的主要因素是磁芯的初始磁导率；当磁芯的初始磁导率较大时，磁芯的有效磁导率已经趋于一个定值并且不随着初始磁导率的变化而变化，此时磁芯的有效磁导率主要是由其长径比决定的。

由于井下工作空间的限制，磁棒线圈的重量、体积不应该很大，并且从磁芯的制作工艺和应力强度等因素上来考虑，综合携带和测量的方便，采用长径比γ=20 的磁芯较为合理。为了在长径比为20时，其有效磁导率达到相对较大的值，不随着初始相对磁导率的变化而变化，就必须选择初始相对磁导率μr>1500 的软磁铁氧体（表1），因此选用μr为2000 的软磁铁氧体。

图1 磁芯的长径比与磁导率的关系图

表1 不同长径比有效磁导率及初始磁导率

2.2 线圈的设计优化

线圈的设计主要有绕组线圈材料、漆包线线径、磁棒管径3 个参数，对这3 个参数进行了多组匹配组合设计，并进行了实际的磁棒线圈的绕制工作，结合测试进行对比和分析，从而优化磁棒线圈的性能。

2.2.1 直径、线径、匝数的选取

（1）线圈直径的选取

磁棒线圈的骨架材料选用PVC 材料制成的塑料管，管径大小分别为50mm、75mm、90mm。为了从3 种管径中确定出合适的一种，进行了3 种管径磁棒线圈对比试验。

图2 中工作装置是指发射线圈Tx：2m×2m×40 匝，接收线圈Rx：2m×2m×60 匝的常规装置；磁棒线圈作为接收装置时其发射系统为Tx：2m×2m×40 匝，接收装置磁棒线圈均加入磁芯。从图2 中可以看出，信号的强度差距不大，管径50mm 的信号较其他两种尺寸信号略弱，管径75mm 和90mm 的磁棒线圈的响应曲线几乎重合，所以综合考虑便携性与信号强度，管径为75mm 的磁棒线圈的信号强度较强且体积尺寸较小，具有较好便携性，因此选择75mm 管径较为适合。

（2）线径的选取

为了确定最佳线径，对线径为0.2mm、0.6mm、1.0mm，匝数为1000，管径为75mm 的磁棒线圈进行了试验，试验结果如图3 所示。

图2 不同管径磁棒线圈感应电动势衰减曲线

工作装置是指发射线圈Tx：2m×2m×40 匝，接收线圈Rx：2m×2m×60 匝的常规装置；磁棒线圈作为接收装置时其发射系统为Tx：2m×2m×40匝，接收线圈均加入磁芯。从图3 中可以看到，在1.968~31.7ms 时间段内，3 种不同线径规格的磁棒线圈信号近乎重合，但在31.7ms 之后，0.2mm 线径的磁棒线圈的信噪比很低，存在许多的跳点；线径为1.0mm、管径为75mm、匝数为1000 匝的磁棒线圈的重量已经超过1.7kg，携带十分不方便，利用0.6mm 线径的磁棒线圈完全可以替代它，因此选用0.6mm 线径的漆包线来绕制磁棒线圈。

图3 不同线径磁棒线圈感应电动势衰减曲线

（3）线圈匝数的选取

为了确定最佳绕制匝数，对线径为0.6mm、管径75mm，匝数分别为250、1000、5000 的磁棒线圈进行了试验，实验结果如图4 所示。

工作装置是指发射线圈Tx：2m×2m×40 匝，接收线圈Rx：2m×2m×60 匝的常规装置；磁棒线圈作为接收装置时其发射系统为Tx：2m×2m×40匝，接收线圈均加入磁芯。由图4 可知，1000 匝的磁棒线圈晚期信号的信噪比明显高于250 匝的磁棒线圈，但是随着匝数的逐渐增大，发射和接收线圈的互感效应增强，使得发射装置的关断时间略微增大，关断时间越长对于早期衰减信号的影响越大，致使进一步缩减了瞬变电磁法探测浅部信息的能力，另外匝数过多也会导致便携性变差，综合考虑后选择1000 匝较为合适。

图4 不同匝数的磁棒线圈感应电动势衰减曲线

2.2.2 线圈缠绕方式

谐振频率f与分布电容C、电感L之间关系为：

磁棒线圈的总分布电容相当于各个小线圈分布电容的串联，电容串联后，总容量的倒数等于每个电容容量的倒数之和，若是两个同等容量的电容串联，则总容量就是每个电容容量的一半。为了减少分布电容，在线圈结构设计上应采用细导线、窄绕组，多层分段制造。减小线圈分布电容的方法是将线圈分段分层绕制，把整排的线圈分隔成许多小线圈。

3 木瓜煤矿超前探测现场试验

本次测试选用地大华睿公司生产的TEMHZ75矿井瞬变电磁仪（本安型），接收装置为自制磁棒线圈，选择规格为线径0.6mm、管径75mm、匝数1000匝分段绕制，μr为2000 的软磁铁氧体磁芯线圈。在霍州煤电集团木瓜煤矿超前探测中采用磁棒线圈接收与多匝重叠回线接收进行对比试验研究。

经过数据处理之后得到的井下超前探测视电阻率断面图如图5 所示，图5（a）为磁棒线圈的探测效果，图5（b）为2m×2m×60 匝接收的探测效果。发射线圈及参数两者完全一致。

图5 两种接收装置的超前探测视电阻率断面图对比

图5 中两种接收装置超前探测的视电阻率断面图吻合较好，特别是在80m 范围内，磁棒线圈和多匝线圈测量结果基本一致。在大于80m 的低阻区左侧和中间的低阻异常区的位置也吻合较好，右侧的低阻异常区二者探测结果略有差别，可能是由于磁棒线圈接收信号在晚期段时，信号有时会出现跳点，信噪比降低，并且受到矿井中各种人文设施的干扰，磁棒线圈的部分信号失真导致的。从总体上看，改进后磁棒线圈接收能够满足实际探测需求。

4 结论

本文从磁棒线圈的基本原理出发，对磁棒线圈的结构及组成材料的各种参数进行研究，确定了合适的磁棒线圈的直径、漆包线线径、磁芯的材质及长径比，并研制可用于实测的磁棒线圈。通过在木瓜煤矿的实际应用，磁棒线圈接收装置与常规多匝线圈接收的结果基本一致，同时磁棒线圈的体积小，优势明显，测量方式灵活简便。因此本次磁棒线圈接收装置的改进设计切实合理，具有实用性。