CSJ型炮孔测量仪倾角测量的改进设想

陈德炎，何晓武

(广西华锡集团股份有限公司铜坑矿， 广西 河池市 547205)

CSJ型炮孔测量仪倾角测量的改进设想

陈德炎，何晓武

(广西华锡集团股份有限公司铜坑矿， 广西 河池市 547205)

介绍了CSJ型炮孔测量仪的炮孔倾角测量原理及其倾角测量功能在实际应用中存在的缺陷，分析倾角测量误差过大的原因，推导最大偏差角的计算公式 。针对该缺陷，提出了增加楔形弹片、柔性连接和电子压力传感器的改进设想。预计经过改进后的测量仪，其导向管能自动与孔壁贴伏，且贴伏程度可测，同时可测得炮孔的直径，降低人员操作与导向管尺寸对炮孔倾角测量的影响，提高测量精度。

CSJ型；炮孔测量仪；倾角测量；最大偏差角

深度测量与倾角测量是炮孔测量的两个主要方面。在炮孔测量仪未发展起来之前，国内矿山中深孔一般采用人工插杆测量炮孔深度、量角器测量炮孔倾角的方法对炮孔行测量验收。此种验收方式不仅人工劳动强度大，效率低，还有可能危及工人人身安全。

深度测量一般是利用声波的回声定位原理测量炮孔的深度。1970年代，国外的∂∏OC-M型炮孔电声测深仪是较早根据此原理研制出来的仪器[1]。到70年代末期，国内也成功开发了此类仪器并得到了应用[2￣3]。

在倾角测量的方法与仪器方面,70年代末期，长沙矿山研究院研制出了CJ-1型数字式炮孔测角仪，利用重力摆锤和电感移相器来测量炮孔倾角，精度较低[4]。1996年，武钢矿山设计研究所等单位一同研发出国内首个具备深度和倾角测量功能的测量仪——WGL-1型中深孔测量仪器[5]。该仪器采用重力摆锤来感知炮孔倾角，光电编码器记录感知信号，再经过微处理器转换成倾角并显示出来，原理与CJ-1型相近。从2006年到2011年，长沙元宇公司推出了CSJ系列智能炮孔测量仪，仍然采用声波脉冲测量孔深，但在炮孔倾角测量方面采用了微电子倾角传感器[6￣8]，测量精度得到了很大提高。最新型的CSJ炮孔测量仪采用微电子倾角传感器的双轴角度信号进行正切运算方法代替原单轴角度信号查表法，测角误差进一步减小。

1 炮孔倾角测量原理

CSJ型炮孔测量仪由核心处理仪器、电缆、探头、塑料导向管和测杆组成。核心处理仪器集成了按键操作、信号处理、存储与数据显示功能。电缆连接探头与核心处理器，起传输信号的作用；探头内置微电子加速传感器与声波换能器，负责信号的发射与接收；测量时将塑料导向管、探头与测杆相互连接为一体，三者轴线重合为一条直线。

炮孔倾角是炮孔中心线与地平线的夹角。测量炮孔倾角时，测量员面朝巷道的中心线站立，将塑料导向管完全伸入孔内并贴伏孔壁，并将探头的电缆接头面向测量员，如图1所示。此时探头轴线与炮孔中心线平行，探头倾角与炮孔倾角相等，仪器测量出来的角度即为炮孔倾角。

图1 炮孔测量仪操作示意图

2 倾角测量误差

智能炮孔测量仪的倾角测量误差来源于2个方面，一为探头内置的微电子加速传感器精度，二为人为操作导致导向管不贴伏于炮孔壁。微电子加速传感器技术成熟，精度高，完全满足中深孔炮孔验收的精度要求，故不是主要的误差来源。测量仪说明书中要求导向管外径与炮孔直径相等，并由矿方按照炮孔直径自行制作。当导向管外径与炮孔直径相等或很相近时，将导向管伸入炮孔中是较为困难的，且有时炮孔直径偏小不合格时，导向管在理论上伸不进去。许多矿山并不具备自行制作导向管的能力。所以实际上矿方使用的导向管的直径与炮孔直径相差是比较大的。在利用智能炮孔测量仪验收炮孔倾角时，要求测量人员站位与导向管位置有较高要求。巷道内作业条件比较差，测量人员要留意脚底有无积水、坑洼地等，巷道顶板较高时难以观察到导向管是否与炮孔壁贴伏，所以很难严格按着仪器操作规则操作仪器。由此会造成不可接受的倾角偏差。

导向管外径小于炮孔直径时，由于人为操作所造成的最大角度偏差如图2所示，图中α1为仪器导向管中心线与水平线之间的夹角，即为测量的倾角读数；α2是炮孔与水平线之间的夹角，为炮孔的实际倾角；e为炮孔直径；a为导向管外径；b为导向管长度；α为当导向管前后两端均接触到炮孔壁时仪器测量到的倾角与炮孔实际倾角的差值，即最大角度偏差值。由图2可知：

e≥a>0,b>0

(1)

由式(1)可知，假设炮孔直径e为定值，a或(和)b减小时，α增大。要确保测量精度，又要考虑到人员操作的方便性，导向管尺寸的选择是较为困难的。

图2 最大角度偏差

3 测量仪的改进设想

针对以上对仪器测量倾角误差的分析，尝试对仪器导向管以及测杆进行以下改进，以减小测量误差，提高炮孔倾角测量精度，如图3所示。

(1) 在仪器导向管上增加柔性弹片与弹簧构成的楔形弹片，可使导向管伸入炮孔后，由于楔形弹片的弹力作用而自动贴伏于孔壁。如此既使得探头轴线与炮孔轴线自动相平行，又不会对导向管进出炮孔造成较大阻碍。可大为减少人员操作与导向管尺寸对倾角测量的影响，适应较大的炮孔直径范围。

(2) 在测杆上端增加一处柔性链接，此链接类似于台灯灯头与底座的链接，既使得测量人员站位不受过多限制，方便调整导向管，又可使链接保持一定的力度，不至于导向管不能插入炮孔。

(3) 在仪器导向管上正对于楔形弹片处增加电子压力传感器。当导向管伸入炮孔时，两个压力传感器即可受到压力，压力相等时说明导向管贴伏于炮孔孔壁，所测倾角为真实倾角。如此探头轴线与炮孔轴线的平行程度是可测的，并且可在屏幕上显示出来。在核心处理仪器上增加相应的处理模块，即使两个压力传感器所受到的压力不相等时，也可通过一定的函数纠正，得到正确的倾角。同时压力传感器到的压力大小可反应炮孔直径的大小，即可同时测得炮孔的直径。

图3 炮孔测量仪改进示意图

4 结 论

CSJ型智能炮孔测量仪是目前国内较为先进的用于验收中深孔的仪器，该仪器一机两用，可兼顾深度及倾角测量2种功能，大大提高了中深孔验收的效率和精度。但在实际使用过程中发现仪器存在有缺陷，特别是倾角测量的误差较大。针对仪器的缺陷，提出了对该测量仪的改进设想。

(1) 推导了最大偏差角公式;

(2) 该改进设想使导向管自动贴伏于炮孔壁，并能通过在仪器上增加的对应处理模块反映贴伏的程度，进行纠正计算。减少了人为操作和导向管尺寸对倾角测量的影响;

(3) 该改进设想可同时测得炮孔直径数据;

(4) 要使该改进设想能在实际应用中得以实践，需要与企业的设计人员进行探讨，使改进方案更具体化，更符合实际。

[1]B.C.雅姆希科夫,李一仙.炮孔电声测深仪在地下采矿中的应用 [J].国外采矿技术快报,1985(23):26￣28.

[2]陈寿如,陈守智.声波探测技术在炮孔测距中的应用[J].有色金属(矿山部分),1983(1):44￣49,51.

[3]张永惠.声波炮孔测深仪应推广使用[J].有色金属(矿山部分),1981(2):59.

[4]长沙矿山研究院台车自动化组.CJ-I型数字式炮孔测角仪[J].工程机械,1980(2):47￣49.

[5]马 彬,雷 斌,谭学军.WGL-1型中深孔深度倾角测量仪的应用和评价[J].黄金科学技术,2005(Z1):30￣33.

[6]佟 刚,王 涛,吴志勇,等.高精度倾角传感器在测量车载平台变形中的应用[J].光学精密工程,2010,18(6):1347￣1353.

[7]王 巍,李早平,王 军,等.基于微加速度传感器的倾角传感器[J].仪表技术与传感器,2010(12):12￣13,25.

[8]张维胜.倾角传感器原理和发展[J].传感器世界,2002,8(8):18￣21.

2014￣12￣02)