巷道用激光指向仪创新研究

张玉芝 朱锦迪

摘要：对于现有巷道用激光指向仪创新性研究，在采矿工程、测绘工程、土木工程等专业领域中，通过测量学的夹角法和光学中光的直线传播原理，可临时性指向、定向、放线并进行巷道中腰线的标定工作。该装置解决现有井下巷道常用指向仪不成熟问题，携带方便，具有较高的应用价值和经济效益，尤其适用于较狭窄的金属支架支护巷道和隧道工程。

关键词：定向激光指向仪井下巷道经济效益

近几年，随着信息技术、电子元器件等技术的不断发展，工程技术人员结合现场实际，发明了众多适合于现代工程速度和质量的激光指向仪。但目前多数激光指向仪受磁偏角及金属物的影响，往往误差较大，特别是金属支架支护巷道，其偏差常常造成改棚或报废，留下了安全隐患；且价格昂贵，携带不便、精确度不高，严重影响了工程进度，造成了人力、物力、财力的极大浪费，已不再符合社会科学技术发展的要求。因此，制作一种巷道用激光指向仪以期解决除管理问题外的国内激光指向仪电源技术水平、机构及光路（主要指调节机构方面及采用反射棱镜的问题）、小型轻便化等问题具有十分重要的意义和价值。

巷道用激光指向仪作为一种矿山巷道、隧道工程、市政建设中有关技术人员的必备工具，克服了原有激光指向仪功能单一的问题，减少了井下方向标定所需技术人员数量，既解决了技术人员短缺的现状，又符合新形势下减员增效的要求，同时提高了技术人员的工作效率。它已经在现代社会工具转换潮流中发挥重要作用，它的研究深度和生产发展的规模有着不可忽视的重要性，对工程质量的提高具有关键指导意义。

现有激光指向仪被广泛应用于矿井、隧道等工程中，大多固定在顶板上，指导较长直线巷道（水平或倾斜巷道）的掘进，决定了巷道的掘进质量，光束射程遠、光斑质量好，但激光指向仪体积和重量较大，不便于携带和安装，故障率较高，同时调节角度时，垂直与水平方向相互制约，影响仪器使用的准确度；巷道掘进时不能迅速给定中腰线及铺设轨道等指向，尤其是在一次给定、长期使用要求下，激光指向仪一旦发生故障，就可能给用户造成停产等严重后果；现有技术中激光指向仪普遍适用性差、光电易跑偏以及拉绳导致费时费力；定位系统所测数据不足够准确，且受磁偏角影响，只能满足短距离指向施工的需求；隧道工程进行施工测量时，必须要快速、准确、及时，以便有效控制隧道掘进方向，而施工隧道中光线弱、空间小、气象差等不利测量条件用常规方法进行隧道中线标定时，需要洞内停工、通风并加强照明，使用不便：激光电源只能在一定程度上稳流措施和保护电路，而且体积大，噪声高，效率低，易发热、故障机会多。

为解决以上问题，尤其是经济效益方面，我们与采矿、测量、土木等相关专业人士沟通合作，先后在山东科技大学泰安校区实习矿井和兖州煤业股份有限公司杨村煤矿井下进行了调研参观，采用前期调研、理论分析、实验验证、设计模型、工程应用、做出评价等方法，实现并完善了各项功能，尤其设计了三脚架支撑系统，同时也考虑了两个撑脚方法，使用多节伸缩圆杆，以便于多种条件或场合下应用。最终经过多次试验取证，确定了巷道用激光指向仪定向、指向、定线、中腰线标定等功能的完美结合，体现了使用灵活、携带方便、功能，克服了现有激光指向仪的不足。

目前巷道用激光指向仪只是单单解决了某一方面工艺问题，其他方面并没有做出实质性改进。尤其加强了对巷道用激光指向仪更深层次的研究，提出进一步解决方案，并通过实验证明了其使用性能。具体可体现在以下几点：○1操作简易：仪器操作时，在选择某一井下点后，在该点对中整平激光指向仪便捷。第二圆盘上设有水准泡（圆水准器），保证了第一圆盘与第二圆盘转动时的水平稳定性，更进一步地提高两圆盘之间角度差的精确性。且密封性强，便于携带。对于一般的工程技术人员，只需要简单的培训即可使用该仪器。○2圆盘可以实现测量角度差：通过两个圆盘转动形成角度差，以及利用两巷道之间的角度，来确定激光指示的方向，极大程度地提高了其定向的准确性。其同心轴巧妙结合，进一步提高了稳定性。与同类定向装置相比更具有实用性。○3灵活性强：照准部中主盘，可以依据不同情况在矿井底板或顶板工作。若采用三角架时，则在主盘的边框上设置有内螺孔，主盘通过该内螺孔与三角架上的螺杆相连接；若用挂钩，则可保留上述一个撑脚于主盘上边框的中间，而将卡钉圆筒替换为挂钩。○4精确度高：该仪器在具体使用时，需要在某一点上进行对中整平操作，然后打开激光器，通过照准已知点即可完成基准定向，此时记下第一圆盘上角度的刻画读数。然后依据旋转角度的大小，找出待定方向的读数，旋转第二圆盘并将激光灯旋转到待定的方向。该仪器的关键部位是两个具有同心轴的圆盘，第一圆盘上刻有表示角度的刻度，最小分划为1°，可以估读至0.1°。在第二圆盘的0°至180°线上安装激光器，依据该激光器的光线进行精确指向和定向。

巷道用激光指向仪作为一种多功能巷道用激光指向仪，可适用于矿山井下巷道掘进与检测、铁路（公路）隧道工程、市政建设、地铁工程、引水工程、建筑及管道铺设的放线、定位、指向等领域。它的光束不但指示了巷道掘进的方向和坡度，而且给出了轨道中线，控制了巷道顶板、底板的高度。随着隧道施工技术与工艺的进步，激光指向仪的使用越来越广泛。它具有价格低廉、安装调试简单、发射可见光、使用方便等特点，能指示隧道掘进的方向和坡度，可以快速准确地标定隧道中线位置，从而有效地控制隧道的超欠挖。在隧道内合理使用激光指向仪，能大大提高隧道施工质量和速度。本作品实现了光电技术向煤炭行业技术转移，可解决煤矿生产实际问题，具有可携带，方便使用和现场操作的优点。如果应用于煤矿等生产现场，将成为非常实用的测量工具，为提高采掘工程质量，提高工作效率起到积极的促进作用，具有十分可观的市场前景。

同时，随着浅部煤炭资源的开采殆尽，我国煤矿将逐渐转入深部煤炭资源的开采，开采难度不断提高。如何能够安全、高效、低成本地开采深部煤炭资源，将其转换为经济建设有力的能源保障，成为目前我国煤炭行业亟须寻求突破的重大技术难题。而巷道用激光指向仪可以为深部煤炭的开采提供一些重要的工作支持，其组成结构简单，技术易于实现，材料成本便宜，不会给煤矿企业单位造成经济负担，已然成为煤矿开采工作中必不可少的一个测量仪器，因此具有广阔的应用市场，能产生较大的社会经济效益。

参考文献：

[1]黄春荣. 激光指向仪在井下测量中的应用及误差分析[J]. 北京测绘，2009，（04）：72-74. [2017-09-24]. DOI：10.19580/j.cnki.1007-3000.2009.04.021

[2]崔加利，王明喜.激光指向仪在煤矿巷道施工中的应用[J]. 山东煤炭科技，2011，（03）：4. [2017-09-24].

[3]王金海. 机掘巷道激光指向技术的应用[J]. 建井技术，2013，34（03）：44-45+34. [2017-09-24]. DOI：10.19458/j.cnki.cn11-2456/td.2013.03.014

作者简介：

张玉芝（1996-），女，汉族，山东菏泽人，山东科技大学在读本科，从事工程造价管理研究.

朱锦迪（1997-），女，汉族，山东济南人，山东科技大学在读本科，从事工程造价管理研究.