（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(xué)系統(tǒng)、電源和安裝調(diào)整結(jié)構(gòu)幾個(gè)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(jiàn)光束，光波的波長(zhǎng)為632.8 μm，發(fā)射角一般為3′左右。光學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)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(jìn)巷道方向，指向作用單一，而井下便攜測(cè)距使用的激光測(cè)距儀也僅能起到測(cè)距作用。現(xiàn)有技術(shù)單一指向和單一測(cè)距不利于采掘工作面測(cè)量剖面圖、碎部測(cè)量等工作需求以及較精確、測(cè)量數(shù)據(jù)量較大且數(shù)據(jù)互相關(guān)聯(lián)的綜合性測(cè)圖要求?，F(xiàn)用激光指向儀均為有線電源，攜帶使用受制于電源；開(kāi)展測(cè)圖工作往往是需要消耗大量人力、物力和時(shí)間在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(shì)極不匹配，亟須技術(shù)研發(fā)。

1 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

1.1 目的及意義

激光指向測(cè)距裝置是結(jié)合激光指向技術(shù)和激光測(cè)距技術(shù)為一體，研發(fā)的專用激光集成測(cè)量裝置，本裝置主要由激光指向儀、激光測(cè)距儀、坡度測(cè)量模塊、專用三腳架、絞齒中軸、液壓云臺(tái)等組成。適用于各種巷道進(jìn)行激光指向、測(cè)距和坡度測(cè)量等測(cè)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(jiǎn)單、測(cè)量精準(zhǔn)，可以大幅度減輕測(cè)繪人員的工作強(qiáng)度，提高工作效率，增加測(cè)量精度。

本項(xiàng)目擬采用目前國(guó)際最新的激光指向及測(cè)距技術(shù)，實(shí)現(xiàn)井下激光指向、測(cè)距、坡度測(cè)量一體化，使用簡(jiǎn)單，攜帶方便。主要用于煤礦井下技術(shù)人員的動(dòng)態(tài)起步描述以及巷道掘進(jìn)時(shí)方向控制、巷道寬度控制，實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化操作，提高工作效率，降低職工勞動(dòng)強(qiáng)度，改善剖面測(cè)量工作標(biāo)準(zhǔn)化形象。

1.2 國(guó)內(nèi)外同類技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r及發(fā)展趨勢(shì)

（1）目前國(guó)內(nèi)外同類技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r：現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外常用的傳統(tǒng)指向儀器并不具備測(cè)距功能，無(wú)法測(cè)量坡度。傳統(tǒng)指向儀器采用紅色光線，煤塵嚴(yán)重時(shí)，紅光穿透力弱且分散，無(wú)法清晰準(zhǔn)確測(cè)量。

（2）發(fā)展趨勢(shì)優(yōu)點(diǎn)：本項(xiàng)目可解決礦山掘進(jìn)及測(cè)量工作中放線、定位、指向、碎部測(cè)量等存在的技術(shù)難題，提供準(zhǔn)直線的測(cè)量、測(cè)距、坡度指示等。

1.3 相關(guān)專利檢索查新情況

經(jīng)檢索“激光指向”“激光測(cè)距”“礦用”等標(biāo)題和關(guān)鍵詞，共計(jì)檢索到相關(guān)專利32項(xiàng)，相關(guān)專利基本都是固定地點(diǎn)（多固定于巷道頂板）并用于掘進(jìn)定向，本次研發(fā)裝置主要為移動(dòng)式并應(yīng)用于碎步及剖面圖測(cè)量，代替部分常規(guī)專業(yè)測(cè)量?jī)x器功能，相關(guān)專利檢索查新暫未發(fā)現(xiàn)專利沖突情況。

2 激光指向測(cè)距裝置研究

2.1 采用的研究、試驗(yàn)方法和技術(shù)路線

研究、試驗(yàn)方法：通過(guò)充分調(diào)研礦井測(cè)圖等工作技術(shù)現(xiàn)狀，與管理技術(shù)人員交流，采納市場(chǎng)先進(jìn)做法，與協(xié)作單位交流對(duì)接，技術(shù)人員改進(jìn)等開(kāi)展項(xiàng)目實(shí)施。裝置研制后，經(jīng)初步研究后，入井試驗(yàn)效果。

技術(shù)路線：調(diào)研實(shí)際業(yè)務(wù)剛性需求、相關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀→分析改進(jìn)及實(shí)際需要重點(diǎn)情況→提出項(xiàng)目實(shí)施技術(shù)方案→方案研討審查→協(xié)作單位加工研制→現(xiàn)場(chǎng)試用→總結(jié)驗(yàn)收。

2.2 現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)及條件

（1）南屯煤礦地測(cè)科擁有一支成建制規(guī)范化專業(yè)地測(cè)隊(duì)伍，有多年地測(cè)經(jīng)驗(yàn)，各種技術(shù)技能人才完備，具備國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)硬素質(zhì)，能較平穩(wěn)開(kāi)展全礦地測(cè)業(yè)務(wù)工作。一方面可以滿足南屯煤礦井下測(cè)量工作和安全生產(chǎn)的需求，另一方面多年來(lái)的井下地測(cè)工作為項(xiàng)目實(shí)施提供了物質(zhì)基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支持。

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

2.3 主要研究、試驗(yàn)內(nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)

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

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

2.4 目標(biāo)指標(biāo)及裝置基本構(gòu)造

（1）目標(biāo)：研制新型激光指向測(cè)距儀，實(shí)現(xiàn)井下巷道激光指向、測(cè)距和坡度測(cè)量功能。

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

激光指向測(cè)距裝置基本構(gòu)造如圖1所示。

圖1 激光指向測(cè)距裝置基本構(gòu)造圖

3 激光指向測(cè)距裝置在南屯煤礦中的應(yīng)用

3.1 裝置樣機(jī)測(cè)試

針對(duì)研發(fā)的新裝置，本次對(duì)9個(gè)方面進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果均合格。

（1）工作時(shí)間測(cè)試。

電池供電，連續(xù)工作超過(guò)10 h；實(shí)測(cè)超過(guò)13 h。

（2）激光垂直微調(diào)測(cè)試。

功能正常，可通過(guò)激光指向裝置測(cè)光指向測(cè)距裝置的垂直齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕微調(diào)實(shí)現(xiàn)。

（3）激光水平微調(diào)測(cè)試。

功能正常，可通過(guò)激光指向裝置測(cè)光指向測(cè)距裝置的水平齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕微調(diào)實(shí)現(xiàn)。

（4）測(cè)距垂直微調(diào)測(cè)試。

功能正常，可通過(guò)激光指向裝置激光測(cè)距儀的垂直微調(diào)旋鈕微調(diào)實(shí)現(xiàn)。

（5）測(cè)距水平微調(diào)測(cè)試。

功能正常，可通過(guò)激光指向裝置激光測(cè)距儀的水平微調(diào)旋鈕微調(diào)實(shí)現(xiàn)。

（6）激光指向主要技術(shù)指標(biāo)測(cè)試。

激光束：紅色，目測(cè)良好；

指向距離：200 m（光斑＜Φ40 mm），目測(cè)良好；

工作電壓：DC3 V（R65號(hào)干電池2節(jié)），萬(wàn)用表測(cè)試。

（7）現(xiàn)場(chǎng)激光測(cè)距指標(biāo)測(cè)試。

測(cè)距范圍：0～200 m，目測(cè)良好；最小分辨率：0.001 m，目測(cè)良好。

測(cè)量范圍：0.5～1.0 m；誤差：±0.100 m；被測(cè)：0.05 m；實(shí)測(cè)：0.531 m；

測(cè)量范圍：0.5～1.0 m；誤差：±0.100 m；被測(cè)：5 m；實(shí)測(cè)：4.982 m；

測(cè)量范圍：10～50 m；誤差：±0.50 m；被測(cè)：10 m；實(shí)測(cè)：10.25 m；

測(cè)量范圍：10～50 m；誤差：±0.50 m；被測(cè)：505 m；實(shí)測(cè)：49.95 m。

（8）現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證照片。

現(xiàn)場(chǎng)微調(diào)、測(cè)距測(cè)試；現(xiàn)場(chǎng)激光指向、測(cè)距、測(cè)坡度測(cè)試。

（9）水平坡度測(cè)試。

功能正常，可通過(guò)激光指向裝置上指向儀“水準(zhǔn)管”與激光測(cè)距儀開(kāi)機(jī)“水平角度”實(shí)現(xiàn)。

3.2 裝置在南屯煤礦中的應(yīng)用

該裝置一次性兩臺(tái)套，在南屯煤礦地面和井下分別試用，試用樣機(jī)如圖2所示。

圖2 測(cè)試試用樣機(jī)

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

3.3 問(wèn)題及建議

建議該裝置持續(xù)改進(jìn)，盡量控制遠(yuǎn)距離光斑大小，提高準(zhǔn)確度；增加數(shù)據(jù)智能存儲(chǔ)功能，開(kāi)發(fā)配套軟件，按照需求自動(dòng)導(dǎo)入成圖，不斷改進(jìn)，持續(xù)提升用戶體驗(yàn)感。