激光指向測距裝置在南屯煤礦中的應用研究

（兗州煤業(yè)股份有限公司南屯煤礦，山東鄒城 273500）

傳統(tǒng)的煤礦用激光指向儀由激光器、光學系統(tǒng)、電源和安裝調(diào)整結(jié)構(gòu)幾個部分組成。激光器采用的多為氦氖氣體激光器，發(fā)射橙紅色可見光束，光波的波長為632.8 μm，發(fā)射角一般為3′左右。光學系統(tǒng)是一個自準直望遠鏡系統(tǒng)，其作用是聚焦激光光束，增加有效射程。氦氖氣體激光器的啟輝電壓較高，正常工作電壓較低，電源通常采用磁飽和穩(wěn)壓和倍壓整流系統(tǒng)。通常情況下，煤礦井下的激光指向儀供電電源采用127 V和380 V兩種。

南屯煤礦井下現(xiàn)用激光指向儀僅能指示掘進巷道方向，指向作用單一，而井下便攜測距使用的激光測距儀也僅能起到測距作用。現(xiàn)有技術單一指向和單一測距不利于采掘工作面測量剖面圖、碎部測量等工作需求以及較精確、測量數(shù)據(jù)量較大且數(shù)據(jù)互相關聯(lián)的綜合性測圖要求。現(xiàn)用激光指向儀均為有線電源，攜帶使用受制于電源；開展測圖工作往往是需要消耗大量人力、物力和時間在現(xiàn)場測量、記錄、校核、素描等才能完成，與礦井科技化、信息化、高產(chǎn)高效等發(fā)展趨勢極不匹配，亟須技術研發(fā)。

1 國內(nèi)外研究進展

1.1 目的及意義

激光指向測距裝置是結(jié)合激光指向技術和激光測距技術為一體，研發(fā)的專用激光集成測量裝置，本裝置主要由激光指向儀、激光測距儀、坡度測量模塊、專用三腳架、絞齒中軸、液壓云臺等組成。適用于各種巷道進行激光指向、測距和坡度測量等測繪功能。

該裝置采用輕質(zhì)合金材料，重量輕、功能全、攜帶方便、拆裝簡單、測量精準，可以大幅度減輕測繪人員的工作強度，提高工作效率，增加測量精度。

本項目擬采用目前國際最新的激光指向及測距技術，實現(xiàn)井下激光指向、測距、坡度測量一體化，使用簡單，攜帶方便。主要用于煤礦井下技術人員的動態(tài)起步描述以及巷道掘進時方向控制、巷道寬度控制，實現(xiàn)智能化、自動化操作，提高工作效率，降低職工勞動強度，改善剖面測量工作標準化形象。

1.2 國內(nèi)外同類技術發(fā)展狀況及發(fā)展趨勢

（1）目前國內(nèi)外同類技術發(fā)展狀況：現(xiàn)階段國內(nèi)外常用的傳統(tǒng)指向儀器并不具備測距功能，無法測量坡度。傳統(tǒng)指向儀器采用紅色光線，煤塵嚴重時，紅光穿透力弱且分散，無法清晰準確測量。

（2）發(fā)展趨勢優(yōu)點：本項目可解決礦山掘進及測量工作中放線、定位、指向、碎部測量等存在的技術難題，提供準直線的測量、測距、坡度指示等。

1.3 相關專利檢索查新情況

經(jīng)檢索“激光指向”“激光測距”“礦用”等標題和關鍵詞，共計檢索到相關專利32項，相關專利基本都是固定地點（多固定于巷道頂板）并用于掘進定向，本次研發(fā)裝置主要為移動式并應用于碎步及剖面圖測量，代替部分常規(guī)專業(yè)測量儀器功能，相關專利檢索查新暫未發(fā)現(xiàn)專利沖突情況。

2 激光指向測距裝置研究

2.1 采用的研究、試驗方法和技術路線

研究、試驗方法：通過充分調(diào)研礦井測圖等工作技術現(xiàn)狀，與管理技術人員交流，采納市場先進做法，與協(xié)作單位交流對接，技術人員改進等開展項目實施。裝置研制后，經(jīng)初步研究后，入井試驗效果。

技術路線：調(diào)研實際業(yè)務剛性需求、相關技術現(xiàn)狀→分析改進及實際需要重點情況→提出項目實施技術方案→方案研討審查→協(xié)作單位加工研制→現(xiàn)場試用→總結(jié)驗收。

2.2 現(xiàn)有技術基礎及條件

（1）南屯煤礦地測科擁有一支成建制規(guī)范化專業(yè)地測隊伍，有多年地測經(jīng)驗，各種技術技能人才完備，具備國家一級標準化過硬素質(zhì)，能較平穩(wěn)開展全礦地測業(yè)務工作。一方面可以滿足南屯煤礦井下測量工作和安全生產(chǎn)的需求，另一方面多年來的井下地測工作為項目實施提供了物質(zhì)基礎和數(shù)據(jù)支持。

（2）協(xié)作單位是國家級的高新企業(yè)，專業(yè)從事防爆安全技術、裝備的開發(fā)與生產(chǎn)。

2.3 主要研究、試驗內(nèi)容及關鍵技術

（1）主要研究內(nèi)容：①采用小型低功耗激光指向儀，電池供電；增加激光測距功能，使其集成指向、測距功能。②采用專業(yè)碳纖維攝影三腳架，增加坡度測量模塊，并通過三腳架固定、絞齒中軸及回旋調(diào)節(jié)機構(gòu)，實現(xiàn)激光指向測距裝置上下平穩(wěn)調(diào)節(jié)；通過液壓阻尼云臺，可實現(xiàn)激光指向測距裝置水平、垂直平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)；角度、坡度、測距均可數(shù)顯。

（2）關鍵技術、創(chuàng)新點：激光指向測距裝置是結(jié)合激光指向技術和激光測距技術為一體研發(fā)的專用激光集成測量裝置，本裝置主要由激光指向儀、激光測距儀、坡度測量模塊、專用三腳架、絞齒中軸、液壓云臺等組成。適用于各種巷道進行激光指向、測距和坡度測量等測繪。

2.4 目標指標及裝置基本構(gòu)造

（1）目標：研制新型激光指向測距儀，實現(xiàn)井下巷道激光指向、測距和坡度測量功能。

（2）主要技術指標：①小型低功耗激光指向模塊，電池供電，連續(xù)工作超過10 h；②高精度激光測距模塊，測量精確，數(shù)據(jù)存儲查看；③電子坡度測量，直觀準確方便；④專業(yè)攝影三腳架，采用碳纖維設計，輕便堅固；⑤絞齒中軸設計，方便上下調(diào)節(jié)云臺；⑥專用液壓云臺，可全方位進行方向調(diào)配；⑦配置2對礦用井下對講裝置，可用于測量工作信息通信；⑧200 m內(nèi)實現(xiàn)便攜式激光指向測距一體化。

激光指向測距裝置基本構(gòu)造如圖1所示。

圖1 激光指向測距裝置基本構(gòu)造圖

3 激光指向測距裝置在南屯煤礦中的應用

3.1 裝置樣機測試

針對研發(fā)的新裝置，本次對9個方面進行了測試，結(jié)果均合格。

（1）工作時間測試。

電池供電，連續(xù)工作超過10 h；實測超過13 h。

（2）激光垂直微調(diào)測試。

功能正常，可通過激光指向裝置測光指向測距裝置的垂直齒輪轉(zhuǎn)動旋鈕微調(diào)實現(xiàn)。

（3）激光水平微調(diào)測試。

功能正常，可通過激光指向裝置測光指向測距裝置的水平齒輪轉(zhuǎn)動旋鈕微調(diào)實現(xiàn)。

（4）測距垂直微調(diào)測試。

功能正常，可通過激光指向裝置激光測距儀的垂直微調(diào)旋鈕微調(diào)實現(xiàn)。

（5）測距水平微調(diào)測試。

功能正常，可通過激光指向裝置激光測距儀的水平微調(diào)旋鈕微調(diào)實現(xiàn)。

（6）激光指向主要技術指標測試。

激光束：紅色，目測良好；

指向距離：200 m（光斑＜Φ40 mm），目測良好；

工作電壓：DC3 V（R65號干電池2節(jié)），萬用表測試。

（7）現(xiàn)場激光測距指標測試。

測距范圍：0～200 m，目測良好；最小分辨率：0.001 m，目測良好。

測量范圍：0.5～1.0 m；誤差：±0.100 m；被測：0.05 m；實測：0.531 m；

測量范圍：0.5～1.0 m；誤差：±0.100 m；被測：5 m；實測：4.982 m；

測量范圍：10～50 m；誤差：±0.50 m；被測：10 m；實測：10.25 m；

測量范圍：10～50 m；誤差：±0.50 m；被測：505 m；實測：49.95 m。

（8）現(xiàn)場驗證照片。

現(xiàn)場微調(diào)、測距測試；現(xiàn)場激光指向、測距、測坡度測試。

（9）水平坡度測試。

功能正常，可通過激光指向裝置上指向儀“水準管”與激光測距儀開機“水平角度”實現(xiàn)。

3.2 裝置在南屯煤礦中的應用

該裝置一次性兩臺套，在南屯煤礦地面和井下分別試用，試用樣機如圖2所示。

圖2 測試試用樣機

在測量碎步時，兩人可快速高效準確完成；剖面測繪中，以往需要3～4人耗費3～4 h測繪的剖面范圍，使用本機結(jié)合對講機，僅2人耗時1.8 h便順利完成，提高了工作效率。

3.3 問題及建議

建議該裝置持續(xù)改進，盡量控制遠距離光斑大小，提高準確度；增加數(shù)據(jù)智能存儲功能，開發(fā)配套軟件，按照需求自動導入成圖，不斷改進，持續(xù)提升用戶體驗感。