CSJ型炮孔測量儀傾角測量的改進設想

陳德炎，何曉武

(廣西華錫集團股份有限公司銅坑礦， 廣西 河池市 547205)

CSJ型炮孔測量儀傾角測量的改進設想

陳德炎，何曉武

(廣西華錫集團股份有限公司銅坑礦， 廣西 河池市 547205)

介紹了CSJ型炮孔測量儀的炮孔傾角測量原理及其傾角測量功能在實際應用中存在的缺陷，分析傾角測量誤差過大的原因，推導最大偏差角的計算公式 。針對該缺陷，提出了增加楔形彈片、柔性連接和電子壓力傳感器的改進設想。預計經過改進后的測量儀，其導向管能自動與孔壁貼伏，且貼伏程度可測，同時可測得炮孔的直徑，降低人員操作與導向管尺寸對炮孔傾角測量的影響，提高測量精度。

CSJ型；炮孔測量儀；傾角測量；最大偏差角

深度測量與傾角測量是炮孔測量的兩個主要方面。在炮孔測量儀未發展起來之前，國內礦山中深孔一般采用人工插桿測量炮孔深度、量角器測量炮孔傾角的方法對炮孔行測量驗收。此種驗收方式不僅人工勞動強度大，效率低，還有可能危及工人人身安全。

深度測量一般是利用聲波的回聲定位原理測量炮孔的深度。1970年代，國外的?∏OC-M型炮孔電聲測深儀是較早根據此原理研制出來的儀器[1]。到70年代末期，國內也成功開發了此類儀器并得到了應用[2￣3]。

在傾角測量的方法與儀器方面,70年代末期，長沙礦山研究院研制出了CJ-1型數字式炮孔測角儀，利用重力擺錘和電感移相器來測量炮孔傾角，精度較低[4]。1996年，武鋼礦山設計研究所等單位一同研發出國內首個具備深度和傾角測量功能的測量儀——WGL-1型中深孔測量儀器[5]。該儀器采用重力擺錘來感知炮孔傾角，光電編碼器記錄感知信號，再經過微處理器轉換成傾角并顯示出來，原理與CJ-1型相近。從2006年到2011年，長沙元宇公司推出了CSJ系列智能炮孔測量儀，仍然采用聲波脈沖測量孔深，但在炮孔傾角測量方面采用了微電子傾角傳感器[6￣8]，測量精度得到了很大提高。最新型的CSJ炮孔測量儀采用微電子傾角傳感器的雙軸角度信號進行正切運算方法代替原單軸角度信號查表法，測角誤差進一步減小。

1 炮孔傾角測量原理

CSJ型炮孔測量儀由核心處理儀器、電纜、探頭、塑料導向管和測桿組成。核心處理儀器集成了按鍵操作、信號處理、存儲與數據顯示功能。電纜連接探頭與核心處理器，起傳輸信號的作用；探頭內置微電子加速傳感器與聲波換能器，負責信號的發射與接收；測量時將塑料導向管、探頭與測桿相互連接為一體，三者軸線重合為一條直線。

炮孔傾角是炮孔中心線與地平線的夾角。測量炮孔傾角時，測量員面朝巷道的中心線站立，將塑料導向管完全伸入孔內并貼伏孔壁，并將探頭的電纜接頭面向測量員，如圖1所示。此時探頭軸線與炮孔中心線平行，探頭傾角與炮孔傾角相等，儀器測量出來的角度即為炮孔傾角。

圖1 炮孔測量儀操作示意圖

2 傾角測量誤差

智能炮孔測量儀的傾角測量誤差來源于2個方面，一為探頭內置的微電子加速傳感器精度，二為人為操作導致導向管不貼伏于炮孔壁。微電子加速傳感器技術成熟，精度高，完全滿足中深孔炮孔驗收的精度要求，故不是主要的誤差來源。測量儀說明書中要求導向管外徑與炮孔直徑相等，并由礦方按照炮孔直徑自行制作。當導向管外徑與炮孔直徑相等或很相近時，將導向管伸入炮孔中是較為困難的，且有時炮孔直徑偏小不合格時，導向管在理論上伸不進去。許多礦山并不具備自行制作導向管的能力。所以實際上礦方使用的導向管的直徑與炮孔直徑相差是比較大的。在利用智能炮孔測量儀驗收炮孔傾角時，要求測量人員站位與導向管位置有較高要求。巷道內作業條件比較差，測量人員要留意腳底有無積水、坑洼地等，巷道頂板較高時難以觀察到導向管是否與炮孔壁貼伏，所以很難嚴格按著儀器操作規則操作儀器。由此會造成不可接受的傾角偏差。

導向管外徑小于炮孔直徑時，由于人為操作所造成的最大角度偏差如圖2所示，圖中α1為儀器導向管中心線與水平線之間的夾角，即為測量的傾角讀數；α2是炮孔與水平線之間的夾角，為炮孔的實際傾角；e為炮孔直徑；a為導向管外徑；b為導向管長度；α為當導向管前后兩端均接觸到炮孔壁時儀器測量到的傾角與炮孔實際傾角的差值，即最大角度偏差值。由圖2可知：

e≥a>0,b>0

(1)

由式(1)可知，假設炮孔直徑e為定值，a或(和)b減小時，α增大。要確保測量精度，又要考慮到人員操作的方便性，導向管尺寸的選擇是較為困難的。

圖2 最大角度偏差

3 測量儀的改進設想

針對以上對儀器測量傾角誤差的分析，嘗試對儀器導向管以及測桿進行以下改進，以減小測量誤差，提高炮孔傾角測量精度，如圖3所示。

(1) 在儀器導向管上增加柔性彈片與彈簧構成的楔形彈片，可使導向管伸入炮孔后，由于楔形彈片的彈力作用而自動貼伏于孔壁。如此既使得探頭軸線與炮孔軸線自動相平行，又不會對導向管進出炮孔造成較大阻礙?？纱鬄闇p少人員操作與導向管尺寸對傾角測量的影響，適應較大的炮孔直徑范圍。

(2) 在測桿上端增加一處柔性鏈接，此鏈接類似于臺燈燈頭與底座的鏈接，既使得測量人員站位不受過多限制，方便調整導向管，又可使鏈接保持一定的力度，不至于導向管不能插入炮孔。

(3) 在儀器導向管上正對于楔形彈片處增加電子壓力傳感器。當導向管伸入炮孔時，兩個壓力傳感器即可受到壓力，壓力相等時說明導向管貼伏于炮孔孔壁，所測傾角為真實傾角。如此探頭軸線與炮孔軸線的平行程度是可測的，并且可在屏幕上顯示出來。在核心處理儀器上增加相應的處理模塊，即使兩個壓力傳感器所受到的壓力不相等時，也可通過一定的函數糾正，得到正確的傾角。同時壓力傳感器到的壓力大小可反應炮孔直徑的大小，即可同時測得炮孔的直徑。

圖3 炮孔測量儀改進示意圖

4 結 論

CSJ型智能炮孔測量儀是目前國內較為先進的用于驗收中深孔的儀器，該儀器一機兩用，可兼顧深度及傾角測量2種功能，大大提高了中深孔驗收的效率和精度。但在實際使用過程中發現儀器存在有缺陷，特別是傾角測量的誤差較大。針對儀器的缺陷，提出了對該測量儀的改進設想。

(1) 推導了最大偏差角公式;

(2) 該改進設想使導向管自動貼伏于炮孔壁，并能通過在儀器上增加的對應處理模塊反映貼伏的程度，進行糾正計算。減少了人為操作和導向管尺寸對傾角測量的影響;

(3) 該改進設想可同時測得炮孔直徑數據;

(4) 要使該改進設想能在實際應用中得以實踐，需要與企業的設計人員進行探討，使改進方案更具體化，更符合實際。

[1]B.C.雅姆?？品?李一仙.炮孔電聲測深儀在地下采礦中的應用 [J].國外采礦技術快報,1985(23):26￣28.

[2]陳壽如,陳守智.聲波探測技術在炮孔測距中的應用[J].有色金屬(礦山部分),1983(1):44￣49,51.

[3]張永惠.聲波炮孔測深儀應推廣使用[J].有色金屬(礦山部分),1981(2):59.

[4]長沙礦山研究院臺車自動化組.CJ-I型數字式炮孔測角儀[J].工程機械,1980(2):47￣49.

[5]馬 彬,雷 斌,譚學軍.WGL-1型中深孔深度傾角測量儀的應用和評價[J].黃金科學技術,2005(Z1):30￣33.

[6]佟 剛,王 濤,吳志勇,等.高精度傾角傳感器在測量車載平臺變形中的應用[J].光學精密工程,2010,18(6):1347￣1353.

[7]王 巍,李早平,王 軍,等.基于微加速度傳感器的傾角傳感器[J].儀表技術與傳感器,2010(12):12￣13,25.

[8]張維勝.傾角傳感器原理和發展[J].傳感器世界,2002,8(8):18￣21.

2014￣12￣02)