YCS200型瞬变电磁仪在矿井探测中的应用研究

王 东

（山西大同永定庄煤业公司，山西 大同 037024）

引言

煤矿资源作为提升国家快速发展的关键，提高其资源的开采量及开采效率，成为当前相关政府部门及企业关注的重要方向[1]。在煤矿开采前，需首先对矿井中的地质构造、煤层分布等情况进行超前勘探，瞬变电磁仪则被广泛应用到了矿井地质深度勘探作业中。但随着煤层开采深度的不断加深，加上井下作业环境的复杂性，要求所使用的瞬变电磁仪需具有更高的探测深度及精度，整体抗干扰能力及可靠性也需相应提升。不断加大对瞬变电磁仪的升级提升研究，成为后期提供矿井煤矿开采量的关键[2]。为此，以瞬变电磁仪工作原理分析为基础，开展了YCS200型瞬变电磁仪的总体设计及关键部分设计研究，并在3406 工作面进行了现场应用测试。这对提高矿井的地质勘探精度具有重要作用。

1 瞬变电磁仪的工作原理

瞬变电磁仪作为一种重要的煤矿地质深度探测设备，主要是安装在矿井中现有的探放水孔、瓦斯抽放孔及巷道中[3]。其检测原理是以电磁感应原理为基础，其工作原理为：设备运行后，向仪器中接地的发射回线线圈中通入激励电流，以此在线圈附近产生磁场，并向煤层地质中进行不断扩散，实现对地质深度的检测；当通入的激励电流停止后，中介中由于受到异常问题，产生了二次涡流电场，此涡流电场会使所产生的磁场产生一定幅度的衰减性，仪器中的检测探头则通过磁场的波动变化差异对检测信号进行分析，以此确定煤层介质中的距离及地理位置，达到对矿井深度的探测目的，所检测数据则通过仪器中的存储模块进行实时保存及显示[4]。瞬变电磁仪的探测原理图如图1 所示。

图1 煤矿孔巷瞬变电磁仪探测原理图

2 瞬变电磁仪的总体设计

瞬变电磁仪结构主要有发射部分、接收部分、主控部分、显示部分、电源部分，其中，发射部分主要由发射发射线圈、发射电路、推送装置等组成，通过外部通入的激励电流激发发射线圈，产生感应磁场，所生产的信号经过发射电路后，为探测线路提供所需的脉冲电流[5]。接收部分则主要由采集电路、接收探头等组成，主要对具有差异性变化二级场信号进行数据采集及传输。主控部分是整个瞬变电磁仪中的核心部件，主要负责接收采集信号输入的相关信号，经过分析、判断及处理后，在A/D 转换器转换后，传输至发射电路，同时，将计算处理后的数据信息经过显示仪表进行实时显示[6]。另外，该电磁仪能将采集的电压、电流等信号绘制成变化的曲线图，所设计的瞬变电磁仪型号定义为YCS200型号。所设计的瞬变电磁仪总体结构框架如图2 所示。

图2 瞬变电磁仪总体结构框架图

3 瞬变电磁仪关键部分的设计

3.1 发射部分的设计

发射部分是整个瞬变电磁仪中的关键部分，有效控制其内部的发射电流、断电时间、发射频率等参数直接影响着整个仪器的探测精度及深度。故在发射部分设计时，采用了双路发射电路设计，所形成的发射波，经过双路发射电路传输及转换后，分别传输至相应的发射线圈，其结构框架图如图3 所示。而整个发射部分中核心部分发射桥路晶体管采用了H桥电路结构，可实现对不同功率大小、不同发射方向及周期的发射波进行实时控制。H 桥电路结构主要由线圈、MOSFE、保护电路等组成，具有较快的关断速度、高热稳定性、较宽安全工作区等特点，能较好地满足瞬变电磁仪在井下的探测作业需求。发射部分的隔离方式则采用了基于电耦器的光电隔离方式进行，有效避免了发射电路的抗干扰能力，工作稳定性更强。

图3 发射部分结构框架图

3.2 电源部分设计

瞬变电磁仪的用电部分包括采集电路、接收电路、背景光、电耦器等，存在工作电压平台不一致问题。故对其设计了三个独立电池组，即：电池组1、电池组2、电池组3，其中，电池组1 和电池组2 采用了2 个7.4 V/5Ah的锂电池进行串联，负责给两路发射部分提供电源；电池组3 则采用了2 个7.4 V/10Ah的锂电池进行串联，负责给控制主机及接收部分、背景光等部分提供工作电源。其中，由于工作单元所需电压平台相对较低，故所匹配的电源需经过相应的DC/DC 降压调节后，方可输送至用电部分。整个仪器的电源部分设计满足井下作业时的GB3836.4-2010爆炸性环境标准规定的防爆性要求。电源部分的结构框架图如图4 所示。

图4 电源部分结构框架图

3.3 差动放大电路设计

由于瞬变电磁仪中的接收探头内部在作业时会形成共模干扰问题，同时，所采集信号是直接从钻孔内部向外部进行长距离传输，期间会产生较大的噪声及矿井中其他信号的干扰，最终导致所传输的检测信号质量较差问题。为此，设计了一套差动放大电路来解决信号的抗干扰问题。此放大电路采用了低功耗、低噪声的AD8599 差动放大器，可对接收信号进行放大，以抑制输入的共模信号，提供传输信号的抗干扰性能，其带宽为10 MHz，工作温度范围为-40～125 ℃，能实现对小信号的放大操作。同时，在电路中增加了R2 和R3 接地电阻，可有效减少仪器内部的电磁耦合干扰问，而电阻R4 则主要实现对电路中不同信号的放大输出和电路差异的平衡，所输出信号为X+和X-。差动放大电路电路图如图5 所示。

图5 差动放大电路图

4 现场测试效果分析

结合所设计的YCS200型瞬变电磁仪，为进一步验证设备的综合性能，将其在3406 工作面中进行了应用探测测试，主要进行了发射测试、探头频响测试、工频测试等工作，探头安装在距离钻孔3 m的位置，检测点数为20 个，点距为3 m。瞬变电磁仪的现场探测示意图如图6 所示。该仪器在测试过程中，整个矿井的探测深度深度、精度及测量时间明显提升，最大探测深度达到了70 m，所采集及显示的数据信号较为稳定，信号的抗干扰性明显增强。同时，针对探测过程中出现的故障，该仪器发出了异常报警提示。该仪器的成功应用，得到了现场人员的一致好评，达到了矿井地质超前探测效果，这为后期进行工作面施工建设及煤矿开采提供了重要支撑和保障作用，验证了该仪器的可行性及可靠性。

图6 YCS200型瞬变电磁仪现场探测示意图

5 结语

不断将当前更加成熟的技术应用到瞬变电磁仪的综合设计中，提升其设备对矿井地质的探测深度及精度，成为当前企业重点考虑方向。更加先进的瞬变电磁仪被用于矿井地质探测中，不仅能提高后期矿井中煤矿的开采量，也可增加企业的经济收入。