矿用合成大功率瞬变电磁发射机及应用

王冰纯

（中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西 西安710077）

瞬变电磁法隶属于时间域电磁法，它以岩（矿）石的物性差异，如导电性、导磁性为基础，根据电磁感应原理，利用线源向目标地质体发送一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场关断期间，利用磁感应线圈观测二次涡流场，研究该场的空间与时间分布规律，来达到寻找目标地质体中的低阻异常体的探测方法[1]。瞬变电磁法具有施工快捷、抗干扰能力强、对低阻体反映灵敏和不受高阻层屏蔽等优点，在煤矿井下得到广泛应用。近年来，矿井瞬变电磁法在煤矿井下地质勘探领域，如超前预报探测、顶板采空富水区、煤田防治水进展迅速。逐步成为煤层底板隐伏含水陷落柱、导水断层裂隙、采空区及导水构造探测的主要物探方法[2-5]。

受到煤矿爆炸性气体环境条件限制，矿用瞬变电磁仪器设备必须满足矿用设备的防爆要求，这样极大的限制了探测的精度与广度，其中最主要的是限制了发射电路的发射功率[6]。然而瞬变电磁探测其探测精度在很大的程度上取决于发射功率，为了在煤矿井下取得较好的探测效果，根据电磁波空间场强叠加原理，提出采用多路同步发射，提高空间探测电磁波能量，限制每一路发射机的输出能量以满足防爆要求，有效解决发射能量与防爆要求之间的矛盾。

1 瞬变电磁大功率合成发射可行性

1.1 电磁波空间叠加理论

波的叠加定理指出，几列波在介质中传播时在各点激起的总振动等于这些波逐个单独传播时在各该点激起的振动的叠加，且这几列波经过该点后仍保持各自的特性（频率、波长、振幅、振动方向、传播方向）不变，独立传播。在特定的条件下，波的频率相同、振动方向相同、相位差恒定，即满足波的相干条件时，在交叠区域内，有的地方振动始终加强，有的地方振动始终削弱，其它位置的振动的强弱介乎于两者之间，形成振动强弱稳定分布的叠加现象，产生波的干涉现象。电磁波空间叠加如图1。

图1 电磁波空间叠加Fig.1 Electromagnetic wave spatial superposition

以2 束相干波源的电磁波空间叠加为例，2 个相干波源S1、S2的振动表达式为y10＝A10cos（ωt＋φ1），y20＝A20cos（ωt＋φ2），2 列波传播到P 点引起的振动y1、y2分别为：

式中：A1、A2为S1、S2在P 点引起振动的幅度；r1、r2为S1、S2到P 点的直线距离；ω 为角频率；φ 为相位；λ 为波长；t 为时间。

在P 点引起的合振动y 表达式为：

由式（2）可以看出，对于空间不同位置P，都有恒定的△φ，因而电磁场合成强度在空间内形成稳定的场强分布。初始相位相同的2 个相干波源，在2列波叠加的空间内，当波程差为0 或波长的整数倍时，合振动的振幅最大，干涉相长；当波程差为半波长的奇数倍时合振幅最小，干涉相消[7]。

1.2 瞬变电磁大功率合成发射的可行性

瞬变电磁发射机的应用场景为煤矿井下便携式探测仪器，宜采用本质安全型防爆型式，通过设计特殊的多重保护电路限制对外部的能量输出，从而在故障和正常工作状态都不会引起爆炸性气体的点燃[8]。但正是由于输出能量受到限制，井下施工时场源信号发射功率较低，不能满足精细探测或远距离探测的要求。为了解决爆炸性气体环境下能量输出限制与探测精度的矛盾，提出一种瞬变电磁场源信号合成发射的概念，由多路本质安全电路同时发射输出，相当于同时有多个发射机工作，每一路发射的电磁波在空间进行场强叠加，增强激发能量，来满足精细、远距离探测的需求。

根据瞬变电磁探测方法基本理论，其场源信号为一正负极性周期方波，周期性方波信号可以视为无穷多个奇次谐波分量按特定幅度比例的叠加。又由电磁场空间叠加理论，空间中某一点的电场强度可视为多个场源信号的叠加。在实际的合成大功率瞬变电磁发射设计的设计应用中，令其4 个发射线框，同向、平行、重叠布置，那么对于空间某一点P，4个场源信号到点P 的距离可视为等距，即r1=r2=r3=r4；并且发射信号由同样的控制信号进行驱动，其相位相同，即φ1=φ2=φ3=φ4，根据式（2）可知，△φ=0，即P 点的电场强度为4 个发射场源信号的线性叠加。空间电磁场场强与发射源的数量成正比关系，因此由多源系统构成的发射机与单一发射源产生的电磁场对空间电磁场分布是一致的，在分析与处理结果上不会产生变化，效果等同于一路大电流发射输出。在煤矿井下爆炸性气体条件下，多源发射的技术方法可同时满足防爆要求和大功率输出的理想条件，增强了场源信号能量，显著提升瞬变电磁方法对于低阻异常体的探测精度和探测范围，有效解决了本安限制和探测效果之间的矛盾。

2 合成大功率瞬变电磁发射系统及发射机关键技术

2.1 合成大功率瞬变电磁发射系统

合成大功率发射机可与市面上主流瞬变电磁仪主机关联使用，合成大功率瞬变电磁发射系统组成如图2。在实际使用过程中，将大功率发射机的“主机”接口专用线缆连接至瞬变电磁主机“发射”接口，实现同步信号的通讯回路。将1#、2#发射线框通过连接至大功率发射机“发射1”航插，将3#、4#发射线框连接至“发射2”航插，通过主机操作页面可实现1～4 路发射线框的选择发射。按下大功率发射机“开关”按键，使其进入发射待机状态；在主机面板软件操作界面选择“发射序号”并点击“启动采样”按钮即可启动发射；在主机“启动采样”后，按下发射机“电流/电压”按键，可切换到4 路发射电流显示状态，面板可实时显示4 路发射电流；再次按下“电流/电压”可切换显示发射电池组电压。

图2 合成大功率瞬变电磁发射系统组成Fig.2 Composition of synthetic high-power transient electromagnetic transmit system

2.2 合成大功率瞬变电磁发射机关键技术

合成大功率瞬变电磁发射机主要由同步触发模块、隔离驱动模块、逆变保护输出模块、独立电池组、本安保护电源模块、电池电量及发射电流显示模块，及外壳面板等组成，其关键技术点在于同步电路、隔离驱动及逆变保护输出电路部分。

1）同步触发模块。为了适配主流瞬变电磁仪主机，不改变原有仪器电路设计与结构设计，可利用瞬变电磁仪主机的发射输出作为触发信号。主机发射输出为占空比1∶1 的正负极性方波信号，虽然信号不能直接作为大功率发射机的驱动信号，但包含了驱动信号的完整信息，可以从发射信号中恢复驱动信号。瞬变电磁主机的发射输出为差动信号，设计采用OPA2889 电压反馈型运算放大器，构成窗口比较器，直接对双向发射信号进行比较检波，并提升其负载能力，为大功率发射机提供4 路驱动信号。以此也保证了驱动信号的一致性，使发射机4 路发射信号相位保持同相，确保空间电场分布的线性叠加。

2）隔离驱动模块。矿用本质安全型仪器要求本安端子之间可承受DC 500 V/min 的耐压试验，故前端驱动信号不能直接用来驱动，需设计隔离电路，作为逆变桥的控制信号。隔离驱动模块设计采用变压器耦合隔离方式，此类信号隔离方式电路设计简单、可靠，成本较低的优点。利用晶体振荡器和门电路，将驱动信号调制4 MHz 的载波信号连接至变压器初级，初级另一端设计三极管放大电路以提升驱动能力。变压器次级为二极管构成的整流电路及RC滤波电路，恢复前端驱动逻辑，并设计三极管构成的加速放电电路，提升驱动信号的关断速度，减小发射波形下降沿时间，提升高频能量，减小瞬变电磁浅层探测盲区。

3）逆变保护输出模块。发射输出采用CMOS 管构成单相H 逆变桥电路，在经典的H 逆变桥电路基础上，根据发射波形的要求进行功能完善。发射线圈为一感性负载，且驱动信号设计为快速关断电路，所以方波在断电过程中会产生极高的反向电压，超过MOS 管的耐压可造成桥路损坏，使发射电源短路，因此有必要限制过高的反向电压，同时要选取合适的电路元件[9]。根据理论计算，选用STB30NF20L 增强型N 沟道MOS 管作为逆变电桥开关元件，其漏源电压可达200 V，漏极电流可达30 A，在极端条件下仍可满足使用要求。通过串接功率电阻的方式，实现简单可靠的本安发射输出。

为了响应本质安全型仪器的设计要求，合成大功率瞬变电磁发射机，使用了5 组独立的电池组，并设计采用LL1185 可变限流值线性稳压器构成两级本安保护电路，为不同的功能模块进行供电，1 路本安5 V 为各功能模块的控制逻辑电压源，4 路7 V本安输出为逆变输出供电电压。发射机设计了电量显示模块及发射电流显示模块，供使用人员参考。

3 合成大功率瞬变电磁发射系统应用试验

3.1 多路合成发射电磁场强度对比试验

为验证多路合成发射瞬变电磁发射场源对空间内电磁场强度的影响，设计钻孔模拟试验进行对比测试。试验时，将孔中瞬变电磁接收探头送入地面钻孔，在孔外布置4 组发射线框重叠，分别测试接收探头在不同钻孔深度（5、10、15 m）时，使用1 路、2 路、4 路发射线框进行场源信号发射时磁场强度的变化情况如图3。从试验结果可知，叠加发射线圈，进行瞬变电磁场源合成发射时，空间电磁场强度正比于发射通道数，符合理论假设。

3.2 多路合成发射电磁场强度对比试验

图3 采用1 路、2 路、4 路发射时接收探头位于孔内不同深度接收信号强度对比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

为验证矿用合成大功率瞬变电磁发射机的实地应用效果，对比发射机不同通道的信号探测质量，于王庄煤矿3406 工作面某钻孔进行孔口多路合成发射、孔中接收的孔巷瞬变电磁探测试验[10]。发射线框布置在钻孔外，将接收探头放入钻孔中逐点进行测量，通过分析顺钻孔方向的垂直分量z 的二次场推测钻孔周围可能存在的低阻异常区，形成以钻孔为中心，径向一定距离范围内的圆柱形探测区域。测量钻孔距离掘进迎头约20 m，开孔方向朝3406 工作面内部，孔深约70 m。探测试验从孔内3 m 开始测量到57 m 结束，点距3 m，共计19 个测点，分别进行1 路、2 路、3 路、4 路发射测量，总计测点76个。

首先对比在分别采用1 路、2 路及4 路发射情况下的z 分量的衰减曲线，每间隔6 m 取点分析。从实际得到的衰减曲线来看，当接收探头位于孔内3 m 时，衰减曲线均较为光滑，信号质量良好，信号幅值与发射线框数量程线性增长关系；从孔内9 m 开始，单框发射晚期数据出现明显抖动，信噪比开始明显下降，质量较佳数据时间降低到10 000 μs；从孔内30 m 左右开始，1 路、2 路发射晚期数据已失去衰减特征，表现为沿一平直线抖动，晚期数据基本不可用，有效数据降低到5 000 μs；随着深度的增加，4组数据晚期信号质量均有明显下降，但发射线框越多、发射功率越大时，有效数据时间更长，抗噪能力越强。其后，对z 分量剖面测量2 路数据与4 路数据直接进行瞬变电磁常规处理，并作对比分析，z 分量2 路、4 路数据瞬变电磁常规处理结果对比如图4。

图4 z 分量2 路、4 路数据瞬变电磁常规处理结果对比Fig.4 Comparison of transient electromagnetic routine processing results of z-component double-frame and four-frame data

由图4 可知：在对数据不做校正的前提下，径向探测深度随钻孔深度的增加而减小；随着发射线框数目增加，发射能量增强，径向探测深度随钻孔深度的增加，降低速度下降（图中标记线斜率），证明增大发射能量对钻孔深部信号质量提升明显，校正难度降低；2 幅图的主要异常位置在孔深方向基本一致，但2 路发射数据处理结果点沿径向探测深度有多处明显“反跳”和“野值（飞点）”现象，视电阻率图中表现出多处不连贯“牛眼”状异常，这意味着数据质量较差；2 路发射数据处理结果图中孔深30 m 以后的低阻异常幅值更强，经过校正处理后会导致孔深3 m 处的异常消失，这实际上是由于孔深较深处的z 分量数据晚期信号受噪音影响被拉平，失去衰减趋势造成，并非真实信号，4 路发射数据处理结果图中浅部异常与深部异常幅值相差不大，应与实际情况更加吻合。

4 结 语

基于空间电磁场叠加原理，设计研制矿用合成大功率瞬变电磁发射机，在本安条件下，实现了井下瞬变电磁场源信号的高功率发射。通过模拟测试及井下工业性试验结果可知，采用大功率发射机进行发射线框组合发射时，线性地提高了早期道响应信号的幅值，同时提高晚期信号的信噪比及有效测量时间，信号质量明显提升，提高了瞬变电磁探测的质量和可信性。