激光指向儀在井巷掘進(jìn)中的應(yīng)用

劉 偉

（大同煤礦集團(tuán)王村煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 大同 037003）

引言

激光器通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)聚焦發(fā)射出集中的橙紅色可見(jiàn)光束，通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)聚焦的光束具有更強(qiáng)的穿透力，增加了光線的有效射程。煤礦井下具有爆炸危險(xiǎn)性，防爆殼體是由鋁合金材質(zhì)制造的防爆外殼，保護(hù)激光指向儀在井下使用時(shí)的安全。由于作業(yè)的條件和地理位置不同，激光指向儀的調(diào)整也不盡相同，通過(guò)懸掛調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來(lái)安置和調(diào)節(jié)指向儀光線的方向，以便指向儀適用于各種地點(diǎn)。在井下作業(yè)時(shí)，掘進(jìn)巷道的施工期限一般比較短，為了按時(shí)保質(zhì)的完成掘進(jìn)任務(wù)，必須快速、精確地測(cè)量巷道的掘進(jìn)方向和掘進(jìn)坡度，激光經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)聚焦后，可以有效地指示出巷道的掘進(jìn)方向，有利于掌握工作進(jìn)度。近年來(lái)，我國(guó)研制了各種型號(hào)的激光指向儀，其中有許多礦用激光指向儀用于煤礦井巷掘進(jìn)工作。礦用激光指向儀是一種礦山現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的設(shè)備，在掘進(jìn)過(guò)程中使用激光指向儀標(biāo)定中腰線比用傳統(tǒng)方法的效率高很多，簡(jiǎn)化了操作程序，極為便利地指導(dǎo)了施工的進(jìn)行。

1 激光指向儀的安裝

1.1 選擇與安裝激光指向儀

巷道掘進(jìn)過(guò)程中激光指向儀可安置在巷道頂部也可以安置在巷道邊墻上。考慮到井下施工巷道的復(fù)雜條件，施工過(guò)程中巷道的兩邊會(huì)懸掛排風(fēng)管、排水管和風(fēng)筒，若將激光指向儀安置在巷道邊墻上會(huì)使工作比較麻煩和困難，所以一般情形下將其安置在巷道頂部，便于操作[1]。

本文選擇研究的激光指向儀是YBJ-1200型激光指向儀。該儀器為礦用隔爆型，技術(shù)參數(shù)為：輸入電壓為交流電24～260 V，射程為1 200 m，指向距離500 m；發(fā)射出的光線的光斑直徑≤40 mm；水平位移量250 mm；大氣壓 86～110 kPa；工作環(huán)境溫度-20～+40℃；儀器質(zhì)量 5.5 kg。

安裝、調(diào)試激光指向儀前準(zhǔn)備工作，第一步安裝錨桿。根據(jù)施工環(huán)境在巷道適當(dāng)位置打上適當(dāng)間距的兩根錨桿，將儀器安裝在連桿中部，再將兩端固定支架鎖在兩錨桿上；第二步安裝曠工鋼梁。選擇合適的鋼梁并將儀器安裝在連桿中部，再將兩組合固定支架分別卡在并鎖緊鋼梁上[2]。

1.2 確定激光指向儀的方向

激光指向儀在使用之前需先調(diào)整激光指向方向，在施工巷道的中線方向采用多點(diǎn)一線（3個(gè)或3個(gè)以上的點(diǎn)）的方法確定其方向。在中線方向上布置多個(gè)控制點(diǎn)，各控制點(diǎn)的間距不得小于10 m。本文設(shè)置3個(gè)控制點(diǎn)，分別命名為A、B、C，通過(guò)測(cè)量確定三點(diǎn)坐標(biāo)后就可以開(kāi)始布置。調(diào)整方向使照射出來(lái)的光線通過(guò)A、B、C三點(diǎn)，然后調(diào)整激光指向儀水平和豎直方向上的光線使激光與激光指向儀發(fā)出的光束位于同一個(gè)方向上，如圖1所示。

圖1 激光指向儀安裝平面示意

1.3 調(diào)試

調(diào)試步驟主要分為連接電源、主機(jī)水平位移調(diào)整、縱向粗調(diào)、橫向粗調(diào)、縱向微調(diào)、橫向微調(diào)幾個(gè)步驟。該型號(hào)激光指向儀的輸入電壓為交流電24～260 V，確認(rèn)線路無(wú)松動(dòng)和短路后，按照操作手冊(cè)上的要求和規(guī)定操作與通電；將主機(jī)調(diào)整到理想位置后鎖緊；縱向調(diào)整光線路徑到理想位置后鎖緊主機(jī)；橫向調(diào)整光線路徑到理想位置后鎖緊主機(jī)；微調(diào)階段須仔細(xì)小心，先略微松開(kāi)橫向微調(diào)旋鈕，若要光斑向上調(diào)節(jié)，則縱向微調(diào)旋鈕慢慢松下緊上；若要光斑向下調(diào)節(jié)，則將縱向微調(diào)旋鈕慢慢松上緊下。若要向左調(diào)節(jié)光斑，則橫向微調(diào)旋鈕慢慢松右緊左；若要向右調(diào)節(jié)光斑，則橫向微調(diào)旋鈕慢慢松左緊右。

1.4 確定激光指向儀的坡度

激光指向儀在工作中發(fā)出的光線坡度需要按照施工要求來(lái)設(shè)置，其主要作用是測(cè)量巷道斜坡傾斜的角度，所以光束坡度應(yīng)與施工設(shè)計(jì)的巷道所需斜坡角度相同。水泥控制點(diǎn)B點(diǎn)位于設(shè)置的3個(gè)測(cè)量點(diǎn)中心，將全站儀假設(shè)在中心位置用來(lái)測(cè)量計(jì)算。

如圖2所示，H1代表全站儀儀器離地面的高度，D代表全站儀和激光指向儀之間的水平距離，Δh代表全站儀和激光指向儀之間的垂直距離。

圖2 激光指向儀安裝示意圖

激光到達(dá)B點(diǎn)后與B點(diǎn)的垂直距離記為ΔHB，假設(shè)設(shè)計(jì)坡度z=±3‰（“+”代表上坡，“-”代表下坡），可以算出ΔHB。HB為B點(diǎn)的高程，H為激光指向儀激光頭的高程：

激光線在到達(dá)B點(diǎn)后在B點(diǎn)垂直方向上的高程為：

因此有

量取ΔHB并做好標(biāo)記，調(diào)整指向儀使其發(fā)射的激光線中心對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記處，完成對(duì)激光指向儀坡度的調(diào)整。

1.5 激光指向儀的坡度檢核

完成了激光指向儀的坡度調(diào)整后，繼續(xù)核驗(yàn)指向儀坡度。在檢核時(shí)，先測(cè)量C點(diǎn)的高程，然后計(jì)算激光線在到達(dá)C點(diǎn)后在C點(diǎn)的高程，并以此作為檢核的依據(jù)。

量取C點(diǎn)站標(biāo)高IC，測(cè)量C到激光指向儀的水平距離ΔDC和高差Δh1，假設(shè)C點(diǎn)高程為HC，如圖3所示。

激光線到達(dá)C點(diǎn)時(shí)在C點(diǎn)垂直方向上的高程為：

激光在A點(diǎn)垂線方向上離C點(diǎn)的距離ΔHC為：

圖3 激光指向儀坡度檢核

量取ΔHC，若激光沒(méi)有通過(guò)C點(diǎn)表示調(diào)試或安裝過(guò)程中出錯(cuò)，需要進(jìn)行重新核驗(yàn)。若通過(guò)表示核驗(yàn)成功，可以投入使用，做好標(biāo)記方便在施工中觀察指向儀是否有偏移[3]。

2 使用過(guò)程注意事項(xiàng)

激光指向儀安裝調(diào)試結(jié)束之后，就會(huì)在施工中使用，由于井下環(huán)境比較復(fù)雜，施工過(guò)程隱患較大，所以在使用過(guò)程中需要注意保養(yǎng)維護(hù)，確保激光指向儀的性能。

1）儀器調(diào)試完畢后，向施工人員講解清楚，非特殊情況不得挪動(dòng)與觸碰激光指向儀。

2）在每次施工前，都應(yīng)檢查指向儀發(fā)射的光束是否偏離正確位置，若偏離，及時(shí)找出原因進(jìn)行調(diào)整。

3）井下掘進(jìn)施工每進(jìn)行到40～50 m，都要重新檢查測(cè)量，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果調(diào)整巷道掘進(jìn)角度。

4）為延長(zhǎng)儀器壽命，儀器工作時(shí)應(yīng)定期擦拭激光出孔的防爆玻璃上的灰塵，保證儀器的清潔，使用后要及時(shí)關(guān)閉電源。

5）儀器應(yīng)保存在干燥、無(wú)腐蝕環(huán)境中以保護(hù)儀器的性能，延長(zhǎng)使用壽命。

3 結(jié)語(yǔ)

該型號(hào)激光指向儀具有光斑小、亮度高、射程遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際使用中，每個(gè)礦井會(huì)根據(jù)實(shí)際情況選用不同型號(hào)的礦用激光指向儀，根據(jù)指示巷道掘進(jìn)長(zhǎng)度的施工要求，選用不同的指向儀，但不論選擇什么儀器，都需具備光斑清晰、穩(wěn)定的特點(diǎn)。