礦井瞬變電磁接收裝置結構改進設計

王 勇

（山西省霍州煤電集團呂梁山煤電公司木瓜煤礦探放水隊，山西 霍州 031400）

礦井瞬變電磁發射和接收裝置一般是利用多匝2m×2m 的重疊回線裝置，但是礦井瞬變電磁屬于全空間響應，會增加低阻體空間定位的難度，易誤判地質異常發育的位置，為提高探測精度，準確得出地質異常發育的位置，必須對接收裝置進行改進設計，縮小接收線圈的體積，以期實現后向屏蔽。本文提出利用磁棒線圈來進行礦井瞬變電磁的探測工作，通過對磁棒線圈的改進和優化，提高了對淺部的探測能力，同時滿足探測深度與精度的要求。

1 磁棒線圈工作原理和結構分析

感應式磁棒線圈的測磁原理是法拉第電磁感應定律，由于磁場的變化使得通過整個回路的磁通量發生了變化，則回路中就會產生感應電動勢。

感應電動勢的表達式為：

式中：

ε-感應電動勢，V；

φ-通過回路總的磁通量，Wb；

t-時間，s。

式中方程右側的“-”代表當外磁場磁通量增大時感應電流產生的磁場方向與外磁場方向相反，并且磁棒線圈只能對變化的磁場進行測量。

礦井瞬變電磁接收裝置的磁棒線圈由磁芯、繞組骨架、繞組線圈三個核心元素組成。因此，設計磁棒線圈必須要對磁芯材料的選取、幾何尺寸的設計、繞組線圈的設計進行分析。

2 磁棒線圈設計優化

2.1 磁芯的設計優化

2.1.1 磁芯材料的選取

磁芯材料的選取和設計是磁棒線圈性能好壞的核心控制因素，在整體的設計中起著舉足輕重的作用。

比較多種材料發現，軟磁材料在外磁場下容易被磁化，獲取較高的磁感應強度，矯頑力小，一般在100A/m 以下，易于退磁。而軟磁鐵氧體材料具有較高的電阻率，抑制渦流的產生，是制作磁芯較為合適的材料。

2.1.2 磁芯的長徑比

由于退磁因子的影響，磁芯材料的磁導率和有效磁導率是存在差異的，材料的形狀因素也會影響有效磁導率的變化，必須進行優化。

磁芯的退磁因子與有效磁導率的關系為：

式中：

μapp-有效磁導率；

μr-相對磁導率；

Nd-退磁因子。

當Ndμr≥1 時，

對于長徑比為γ≥l/d（l 為磁芯的長度，d為磁芯等效直徑）的旋轉橢圓體磁芯，其退磁因子并不依賴于磁芯材料的磁導率，而是僅和材料的形狀有關，Stone 給出了相關的計算公式：

當γ>12，Nd的誤差小于1%，退磁因子的計算公式可以簡化為

將以上公式進行整合，磁芯的有效磁導率μapp則是由下面公式決定的：

μapp和μr的關系如圖1 所示。當磁芯的初始磁導率較小時，有效磁導率隨著初始磁導率的變化而顯著變化，影響磁芯有效磁導率的主要因素是磁芯的初始磁導率；當磁芯的初始磁導率較大時，磁芯的有效磁導率已經趨于一個定值并且不隨著初始磁導率的變化而變化，此時磁芯的有效磁導率主要是由其長徑比決定的。

由于井下工作空間的限制，磁棒線圈的重量、體積不應該很大，并且從磁芯的制作工藝和應力強度等因素上來考慮，綜合攜帶和測量的方便，采用長徑比γ=20 的磁芯較為合理。為了在長徑比為20時，其有效磁導率達到相對較大的值，不隨著初始相對磁導率的變化而變化，就必須選擇初始相對磁導率μr>1500 的軟磁鐵氧體（表1），因此選用μr為2000 的軟磁鐵氧體。

圖1 磁芯的長徑比與磁導率的關系圖

表1 不同長徑比有效磁導率及初始磁導率

2.2 線圈的設計優化

線圈的設計主要有繞組線圈材料、漆包線線徑、磁棒管徑3 個參數，對這3 個參數進行了多組匹配組合設計，并進行了實際的磁棒線圈的繞制工作，結合測試進行對比和分析，從而優化磁棒線圈的性能。

2.2.1 直徑、線徑、匝數的選取

（1）線圈直徑的選取

磁棒線圈的骨架材料選用PVC 材料制成的塑料管，管徑大小分別為50mm、75mm、90mm。為了從3 種管徑中確定出合適的一種，進行了3 種管徑磁棒線圈對比試驗。

圖2 中工作裝置是指發射線圈Tx：2m×2m×40 匝，接收線圈Rx：2m×2m×60 匝的常規裝置；磁棒線圈作為接收裝置時其發射系統為Tx：2m×2m×40 匝，接收裝置磁棒線圈均加入磁芯。從圖2 中可以看出，信號的強度差距不大，管徑50mm 的信號較其他兩種尺寸信號略弱，管徑75mm 和90mm 的磁棒線圈的響應曲線幾乎重合，所以綜合考慮便攜性與信號強度，管徑為75mm 的磁棒線圈的信號強度較強且體積尺寸較小，具有較好便攜性，因此選擇75mm 管徑較為適合。

（2）線徑的選取

為了確定最佳線徑，對線徑為0.2mm、0.6mm、1.0mm，匝數為1000，管徑為75mm 的磁棒線圈進行了試驗，試驗結果如圖3 所示。

圖2 不同管徑磁棒線圈感應電動勢衰減曲線

工作裝置是指發射線圈Tx：2m×2m×40 匝，接收線圈Rx：2m×2m×60 匝的常規裝置；磁棒線圈作為接收裝置時其發射系統為Tx：2m×2m×40匝，接收線圈均加入磁芯。從圖3 中可以看到，在1.968~31.7ms 時間段內，3 種不同線徑規格的磁棒線圈信號近乎重合，但在31.7ms 之后，0.2mm 線徑的磁棒線圈的信噪比很低，存在許多的跳點；線徑為1.0mm、管徑為75mm、匝數為1000 匝的磁棒線圈的重量已經超過1.7kg，攜帶十分不方便，利用0.6mm 線徑的磁棒線圈完全可以替代它，因此選用0.6mm 線徑的漆包線來繞制磁棒線圈。

圖3 不同線徑磁棒線圈感應電動勢衰減曲線

（3）線圈匝數的選取

為了確定最佳繞制匝數，對線徑為0.6mm、管徑75mm，匝數分別為250、1000、5000 的磁棒線圈進行了試驗，實驗結果如圖4 所示。

工作裝置是指發射線圈Tx：2m×2m×40 匝，接收線圈Rx：2m×2m×60 匝的常規裝置；磁棒線圈作為接收裝置時其發射系統為Tx：2m×2m×40匝，接收線圈均加入磁芯。由圖4 可知，1000 匝的磁棒線圈晚期信號的信噪比明顯高于250 匝的磁棒線圈，但是隨著匝數的逐漸增大，發射和接收線圈的互感效應增強，使得發射裝置的關斷時間略微增大，關斷時間越長對于早期衰減信號的影響越大，致使進一步縮減了瞬變電磁法探測淺部信息的能力，另外匝數過多也會導致便攜性變差，綜合考慮后選擇1000 匝較為合適。

圖4 不同匝數的磁棒線圈感應電動勢衰減曲線

2.2.2 線圈纏繞方式

諧振頻率f與分布電容C、電感L之間關系為：

磁棒線圈的總分布電容相當于各個小線圈分布電容的串聯，電容串聯后，總容量的倒數等于每個電容容量的倒數之和，若是兩個同等容量的電容串聯，則總容量就是每個電容容量的一半。為了減少分布電容，在線圈結構設計上應采用細導線、窄繞組，多層分段制造。減小線圈分布電容的方法是將線圈分段分層繞制，把整排的線圈分隔成許多小線圈。

3 木瓜煤礦超前探測現場試驗

本次測試選用地大華睿公司生產的TEMHZ75礦井瞬變電磁儀（本安型），接收裝置為自制磁棒線圈，選擇規格為線徑0.6mm、管徑75mm、匝數1000匝分段繞制，μr為2000 的軟磁鐵氧體磁芯線圈。在霍州煤電集團木瓜煤礦超前探測中采用磁棒線圈接收與多匝重疊回線接收進行對比試驗研究。

經過數據處理之后得到的井下超前探測視電阻率斷面圖如圖5 所示，圖5（a）為磁棒線圈的探測效果，圖5（b）為2m×2m×60 匝接收的探測效果。發射線圈及參數兩者完全一致。

圖5 兩種接收裝置的超前探測視電阻率斷面圖對比

圖5 中兩種接收裝置超前探測的視電阻率斷面圖吻合較好，特別是在80m 范圍內，磁棒線圈和多匝線圈測量結果基本一致。在大于80m 的低阻區左側和中間的低阻異常區的位置也吻合較好，右側的低阻異常區二者探測結果略有差別，可能是由于磁棒線圈接收信號在晚期段時，信號有時會出現跳點，信噪比降低，并且受到礦井中各種人文設施的干擾，磁棒線圈的部分信號失真導致的。從總體上看，改進后磁棒線圈接收能夠滿足實際探測需求。

4 結論

本文從磁棒線圈的基本原理出發，對磁棒線圈的結構及組成材料的各種參數進行研究，確定了合適的磁棒線圈的直徑、漆包線線徑、磁芯的材質及長徑比，并研制可用于實測的磁棒線圈。通過在木瓜煤礦的實際應用，磁棒線圈接收裝置與常規多匝線圈接收的結果基本一致，同時磁棒線圈的體積小，優勢明顯，測量方式靈活簡便。因此本次磁棒線圈接收裝置的改進設計切實合理，具有實用性。