(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211422698.7 (22)申请日 2022.11.15 (71)申请人 中煤科工西安研究院 （集团） 有限公 司 地址 710077 陕西省西安市高新区锦业 一 路82号 (72)发明人 陈刚　李泉新　王传留　陈龙　 邹祖杰　张冀冠　杨冬冬　陈翔　 (74)专利代理 机构 西安恒泰知识产权代理事务 所 61216 专利代理师 国旭东 (51)Int.Cl. G01V 3/30(2006.01) G06F 30/23(2020.01) E21F 17/18(2006.01)H01Q 1/22(2006.01) H01Q 1/36(2006.01) H01Q 11/08(2006.01) H01Q 21/00(2006.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种煤矿井下随钻方位电磁远探测装置及 其设计方法 (57)摘要 本发明公开了一种煤矿井下随钻方位电磁 远探测装置及其设计方法， 探测装置包括布设在 钻铤内的供电单元、 电源管理模块、 智 能管理发 射模块、 阵列线圈系、 信号处理模块和无线通信 模块； 本发 明方法提供了煤矿井下随钻方位电磁 远探测装置的设计方法， 尤其是通过对电源管理 模块内的本安电路的参数、 双重过压过流保护电 路的参数、 微弱信号检测电路和双重过压过流保 护电路的设计， 以及隔爆外壳体结构设计， 最终 实现对检测装置的本安防爆设计， 采用本发明的 设计方法能够设计出适合在煤矿井下含有高浓 度瓦斯爆炸性气体的环境中使用的随钻方位电 磁远探测装置， 从而克服了 现有技术中井下煤矿 井下随钻探测设备存在的安全风险。 权利要求书4页 说明书12页 附图4页 CN 115469367 A 2022.12.13 CN 115469367 A 1.一种煤矿井下随钻方位电磁远探测装置， 其特征在于， 包括布设在钻铤 （1） 内的供电 单元、 电源管理模块、 智能管理发射模块、 阵列线圈系 、 信号处理模块和无线通信模块； 所述供电单元与电源管理模块相连， 所述电源管理模块分别与智能管理发射模块、 阵 列线圈系和信号处理模块相连， 所述供电单元、 电源管理模块、 信号处理模块均可通过无线 通信模块与远程 服务器通信连接； 所述电源管理模块用于根据确定的供电参数管理供电单元对所述智能管理发射模块、 阵列线圈系 、 无线通信模块和信号处 理模块的供电； 所述智能管理发射模块用于控制阵列线圈系向地层发射 不同频率的电磁波； 所述信号处理模块用于对电磁波经地层传播后返回的定向电动势数据进行接收和预 处理， 并通过 无线通信模块将预处 理后的定向电动势数据发送至远程 服务器。 2.如权利要求1所述的煤矿井下随钻方位电磁远探测装置， 其特征在于， 所述电源管理 模块包括双重过压过流保护电路， 所述信号接收模块包括 微弱信号检测电路。 3.如权利要求1所述的煤矿井下随钻方位电磁远探测装置， 其特征在于， 所述阵列线圈 系包括设置在空间直角坐标系中的发射线圈单 元、 接收线圈单 元和补偿线圈单 元； 所述接收线 圈单元包括第 一接收线圈组件和第 二接收线圈组件， 所述第 一接收线圈组 件布置在钻铤 （1） 的中心， 包括多个结构相同的第一接收线圈 （2） ， 所述多个第一接收线圈 （2） 的法线重合且均延X轴方向延伸； 所述第二接收线圈组件包括多个两两对称设置于所述 第一接收线圈单元外侧的第二接收线圈 （3） ， 所述多个第二接收线圈 （3） 的结构相同， 且所 有第二接收线圈 （3） 的法线均沿Z轴方向延伸； 所述发射线圈单元包括多个两两对称设置于所述第二接收线圈外侧的发射线圈 （4） ， 且多个所述发射线圈 （4） 的法线重合且均沿Y轴方向延伸； 所述补偿线圈单元包括至少一个套设在所述第一接收线圈组件外侧的补偿线圈 （5） ， 所有补偿线圈的法线重合且均沿Z轴方向延伸。 4.如权利要求3所述的煤矿井下随钻方位电磁远探测装置， 其特征在于， 所述发射线圈 （4） 的数量为4个， 所述第一接收线圈 （2） 的数量为1个， 所述第二接收线圈的数量为2个， 所 述补偿线圈 （5） 的数量 为1个。 5.如权利要求2所述的煤矿井下随钻方位电磁远探测装置， 其特征在于， 所述双重过压 过流保护电路包括连接 设置的一级保护电路和二级保护电路， 所述一级保护电路与二级保 护电路的结构完全相同； 所述一级保护电路包括芯片U1， 所述芯片U1的引脚1、 引脚2和引脚3分别与电阻R3的第 一端相连， 电阻R3的第一端还与电阻R1的第一端、 电容C1的第一端和电源相连； 芯片U1的引 脚14、 引脚13和12引脚分别与电容C2的第一端相连； 芯片U1的引脚4连接电阻R3的第二端和 电阻R4的第一端， 芯片U1的引脚5连接电阻R2的第一端和电阻R1的第二端， 芯片U1的引脚6 连接电阻R5的第一端， 芯片U1的引脚7分别连接电阻R5的第二端、 电阻R4的第二端和电阻R2 的第二端； 芯片U1的引脚 9和引脚10分别连接使能端， 电容C1的第二端、 电容C2的第二端、 芯 片U1的引脚7、 芯片U1的引脚8、 电阻R5的第二端、 电阻R4的第二端和电阻R2的第二端分别与 地连接， 电容C2的第三端与Vout1相连， 所述Vout1与二级保护电路的电源相连。 6.如权利要求2所述的煤矿井下随钻方位电磁远探测装置， 其特征在于， 所述微弱信号 检测电路包括 芯片U1、 芯片U2、 芯片U3、 芯片U4、 芯片U5、 芯片 U6、 芯片U7、 芯片U8、 电阻R1、 电权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115469367 A 2阻R2、 电阻R3、 电阻R4、 电阻R5、 电阻R6、 电阻R7、 电阻R8、 电阻R9、 电阻R10、 电阻R11、 电阻 R12、 电阻R13、 电阻R14、 电阻R15、 电阻R16、 电阻R17、 电阻R18、 电阻R19、 电阻R20、 电阻R21、 电阻R22、 电阻R23、 电阻R24、 电阻R25、 电阻R26、 电阻R27、 电阻R28、 电容C1和电容C2； 所述芯片U1的输入正极与电阻R1的第一端连接， 电阻R1的第二端接地， 芯片U1的输入 负极与电阻R2的第一端、 电阻R3的第一端和电容C1的第一端相连； 电阻R3的第二端、 电容C1 的第二端、 电阻R4的第一端和芯片U1的输出端相连； 所述芯片U2的输入正极与电阻R5的第一端连接， 电阻R5的第二端接地， 芯片U2的输入 负极与电阻R4的第二端和电阻R6的第一端相连， 芯片U2的输出端与电阻R6的第二端和电阻 R16的第一端相连， 芯片U2的输出端还与两个门电路串 联， 所述门电路的输出端为微弱信号 检测电路的输出端； 所述芯片U3 的输入正极与电阻R25的第一端连接， 电阻R25的第二端接地， 芯片U3的输 入负极与电阻R27的第一端和电阻R28的第一端相连， 芯片U3的输出端与电阻R28的第二端、 电阻R2的第二端和电阻R7的第一端相连； 所述芯片U4的输入正极与电阻R24的第一端连接， 电阻R24的第二端接地， 芯片U4的输 入负极与电阻R23的第一端、 电阻R24的第一端和电容C2的第一端相连， 芯片U4的输出端与 电阻R26的第二端、 电阻R27的第二端和电容C2的第二端相连； 所述芯片U5 的输入正极与电阻R20的第一端连接， 电阻R20的第二端接地， 芯片U5的输 入负极与电阻R21的第一端和电阻R22的第一端相连， 芯片U5的输出端与电阻R21的第二端 和电阻R23的第二端相连； 所述芯片U6的输入正极与电阻R8的第一端连接， 电阻R8的第二端接地， 芯片U6的输入 负极与电阻R7的第一端和电阻R9的第一端相连， 芯片U6的输出端与电阻R 10的第一端连接； 所述芯片U7的输入正极与电阻R19的第一端连接， 电阻R19的第二端接地， 芯片U7的输 入负极与电阻R10的第二端、 电阻R11的第一端、 电阻R15的第一端、 电阻R16的第一端、 电阻 R17的第一端和电阻R18的第一端相连， 芯片U7的输出端与电阻R18的第二端和电阻R22的第 二端相连， 所述电阻R15的第二端经微弱信号输入端接地； 电阻R17的第二端经噪声信号输 入端接地； 所述芯片U8的输入正极与电阻R12的第一端连接， 电阻R12的第二端接地， 芯片U8的输 入负极与电阻R13的第一端和电阻R14的第一端相连， 芯片U8的输出端与电阻R11的第二端 和电阻R14的第二端相连， 电阻R 13的第二端与门电路的输出端相连。 7.一种煤矿井下随钻方位电磁 远探测装置设计方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤1、 确定电源管理模块的本安输出电路的最大输出纹波电压、 最小许可电容和最大 短路放电能量； 步骤2、 根据步骤1得到的本安输出电路的最大输出纹波电压、 最小许可电容和最大短 路放电能量确定 本安输出电路电感峰值电流的最大值； 步骤3、 将步骤1得到的本安输出电路的最大短路放电能量和步骤2确定的本安输出电 路电感峰值电流的最大值作为设置于电源管理模块内的双重过压过流保护电路的参数设 计条件， 完成双重过压过流保护电路参数设计， 所述双重过压过流保护电路参数包括限压 保护电压和限流保护电流， 所述设计条件为： 限流保护电流小于等于本安输出电路电感峰值电流的最大值， 或限压保护电压与限流权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN