巷道用激光指向儀創新研究

張玉芝 朱錦迪

摘要：對于現有巷道用激光指向儀創新性研究，在采礦工程、測繪工程、土木工程等專業領域中，通過測量學的夾角法和光學中光的直線傳播原理，可臨時性指向、定向、放線并進行巷道中腰線的標定工作。該裝置解決現有井下巷道常用指向儀不成熟問題，攜帶方便，具有較高的應用價值和經濟效益，尤其適用于較狹窄的金屬支架支護巷道和隧道工程。

關鍵詞：定向激光指向儀井下巷道經濟效益

近幾年，隨著信息技術、電子元器件等技術的不斷發展，工程技術人員結合現場實際，發明了眾多適合于現代工程速度和質量的激光指向儀。但目前多數激光指向儀受磁偏角及金屬物的影響，往往誤差較大，特別是金屬支架支護巷道，其偏差常常造成改棚或報廢，留下了安全隱患；且價格昂貴，攜帶不便、精確度不高，嚴重影響了工程進度，造成了人力、物力、財力的極大浪費，已不再符合社會科學技術發展的要求。因此，制作一種巷道用激光指向儀以期解決除管理問題外的國內激光指向儀電源技術水平、機構及光路（主要指調節機構方面及采用反射棱鏡的問題）、小型輕便化等問題具有十分重要的意義和價值。

巷道用激光指向儀作為一種礦山巷道、隧道工程、市政建設中有關技術人員的必備工具，克服了原有激光指向儀功能單一的問題，減少了井下方向標定所需技術人員數量，既解決了技術人員短缺的現狀，又符合新形勢下減員增效的要求，同時提高了技術人員的工作效率。它已經在現代社會工具轉換潮流中發揮重要作用，它的研究深度和生產發展的規模有著不可忽視的重要性，對工程質量的提高具有關鍵指導意義。

現有激光指向儀被廣泛應用于礦井、隧道等工程中，大多固定在頂板上，指導較長直線巷道（水平或傾斜巷道）的掘進，決定了巷道的掘進質量，光束射程遠、光斑質量好，但激光指向儀體積和重量較大，不便于攜帶和安裝，故障率較高，同時調節角度時，垂直與水平方向相互制約，影響儀器使用的準確度；巷道掘進時不能迅速給定中腰線及鋪設軌道等指向，尤其是在一次給定、長期使用要求下，激光指向儀一旦發生故障，就可能給用戶造成停產等嚴重后果；現有技術中激光指向儀普遍適用性差、光電易跑偏以及拉繩導致費時費力；定位系統所測數據不足夠準確，且受磁偏角影響，只能滿足短距離指向施工的需求；隧道工程進行施工測量時，必須要快速、準確、及時，以便有效控制隧道掘進方向，而施工隧道中光線弱、空間小、氣象差等不利測量條件用常規方法進行隧道中線標定時，需要洞內停工、通風并加強照明，使用不便：激光電源只能在一定程度上穩流措施和保護電路，而且體積大，噪聲高，效率低，易發熱、故障機會多。

為解決以上問題，尤其是經濟效益方面，我們與采礦、測量、土木等相關專業人士溝通合作，先后在山東科技大學泰安校區實習礦井和兗州煤業股份有限公司楊村煤礦井下進行了調研參觀，采用前期調研、理論分析、實驗驗證、設計模型、工程應用、做出評價等方法，實現并完善了各項功能，尤其設計了三腳架支撐系統，同時也考慮了兩個撐腳方法，使用多節伸縮圓桿，以便于多種條件或場合下應用。最終經過多次試驗取證，確定了巷道用激光指向儀定向、指向、定線、中腰線標定等功能的完美結合，體現了使用靈活、攜帶方便、功能，克服了現有激光指向儀的不足。

目前巷道用激光指向儀只是單單解決了某一方面工藝問題，其他方面并沒有做出實質性改進。尤其加強了對巷道用激光指向儀更深層次的研究，提出進一步解決方案，并通過實驗證明了其使用性能。具體可體現在以下幾點：○1操作簡易：儀器操作時，在選擇某一井下點后，在該點對中整平激光指向儀便捷。第二圓盤上設有水準泡（圓水準器），保證了第一圓盤與第二圓盤轉動時的水平穩定性，更進一步地提高兩圓盤之間角度差的精確性。且密封性強，便于攜帶。對于一般的工程技術人員，只需要簡單的培訓即可使用該儀器。○2圓盤可以實現測量角度差：通過兩個圓盤轉動形成角度差，以及利用兩巷道之間的角度，來確定激光指示的方向，極大程度地提高了其定向的準確性。其同心軸巧妙結合，進一步提高了穩定性。與同類定向裝置相比更具有實用性?！?靈活性強：照準部中主盤，可以依據不同情況在礦井底板或頂板工作。若采用三角架時，則在主盤的邊框上設置有內螺孔，主盤通過該內螺孔與三角架上的螺桿相連接；若用掛鉤，則可保留上述一個撐腳于主盤上邊框的中間，而將卡釘圓筒替換為掛鉤?！?精確度高：該儀器在具體使用時，需要在某一點上進行對中整平操作，然后打開激光器，通過照準已知點即可完成基準定向，此時記下第一圓盤上角度的刻畫讀數。然后依據旋轉角度的大小，找出待定方向的讀數，旋轉第二圓盤并將激光燈旋轉到待定的方向。該儀器的關鍵部位是兩個具有同心軸的圓盤，第一圓盤上刻有表示角度的刻度，最小分劃為1°，可以估讀至0.1°。在第二圓盤的0°至180°線上安裝激光器，依據該激光器的光線進行精確指向和定向。

巷道用激光指向儀作為一種多功能巷道用激光指向儀，可適用于礦山井下巷道掘進與檢測、鐵路（公路）隧道工程、市政建設、地鐵工程、引水工程、建筑及管道鋪設的放線、定位、指向等領域。它的光束不但指示了巷道掘進的方向和坡度，而且給出了軌道中線，控制了巷道頂板、底板的高度。隨著隧道施工技術與工藝的進步，激光指向儀的使用越來越廣泛。它具有價格低廉、安裝調試簡單、發射可見光、使用方便等特點，能指示隧道掘進的方向和坡度，可以快速準確地標定隧道中線位置，從而有效地控制隧道的超欠挖。在隧道內合理使用激光指向儀，能大大提高隧道施工質量和速度。本作品實現了光電技術向煤炭行業技術轉移，可解決煤礦生產實際問題，具有可攜帶，方便使用和現場操作的優點。如果應用于煤礦等生產現場，將成為非常實用的測量工具，為提高采掘工程質量，提高工作效率起到積極的促進作用，具有十分可觀的市場前景。

同時，隨著淺部煤炭資源的開采殆盡，我國煤礦將逐漸轉入深部煤炭資源的開采，開采難度不斷提高。如何能夠安全、高效、低成本地開采深部煤炭資源，將其轉換為經濟建設有力的能源保障，成為目前我國煤炭行業亟須尋求突破的重大技術難題。而巷道用激光指向儀可以為深部煤炭的開采提供一些重要的工作支持，其組成結構簡單，技術易于實現，材料成本便宜，不會給煤礦企業單位造成經濟負擔，已然成為煤礦開采工作中必不可少的一個測量儀器，因此具有廣闊的應用市場，能產生較大的社會經濟效益。

參考文獻：

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作者簡介：

張玉芝（1996-），女，漢族，山東菏澤人，山東科技大學在讀本科，從事工程造價管理研究.

朱錦迪（1997-），女，漢族，山東濟南人，山東科技大學在讀本科，從事工程造價管理研究.