激光指向儀在井巷掘進中的應用

劉 偉

（大同煤礦集團王村煤業有限責任公司， 山西 大同 037003）

引言

激光器通過光學系統聚焦發射出集中的橙紅色可見光束，通過光學系統聚焦的光束具有更強的穿透力，增加了光線的有效射程。煤礦井下具有爆炸危險性，防爆殼體是由鋁合金材質制造的防爆外殼，保護激光指向儀在井下使用時的安全。由于作業的條件和地理位置不同，激光指向儀的調整也不盡相同，通過懸掛調節機構來安置和調節指向儀光線的方向，以便指向儀適用于各種地點。在井下作業時，掘進巷道的施工期限一般比較短，為了按時保質的完成掘進任務，必須快速、精確地測量巷道的掘進方向和掘進坡度，激光經過光學系統聚焦后，可以有效地指示出巷道的掘進方向，有利于掌握工作進度。近年來，我國研制了各種型號的激光指向儀，其中有許多礦用激光指向儀用于煤礦井巷掘進工作。礦用激光指向儀是一種礦山現場測量的設備，在掘進過程中使用激光指向儀標定中腰線比用傳統方法的效率高很多，簡化了操作程序，極為便利地指導了施工的進行。

1 激光指向儀的安裝

1.1 選擇與安裝激光指向儀

巷道掘進過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雜條件，施工過程中巷道的兩邊會懸掛排風管、排水管和風筒，若將激光指向儀安置在巷道邊墻上會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，技術參數為：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；工作環境溫度-20～+40℃；儀器質量 5.5 kg。

安裝、調試激光指向儀前準備工作，第一步安裝錨桿。根據施工環境在巷道適當位置打上適當間距的兩根錨桿，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整激光指向方向，在施工巷道的中線方向采用多點一線（3個或3個以上的點）的方法確定其方向。在中線方向上布置多個控制點，各控制點的間距不得小于10 m。本文設置3個控制點，分別命名為A、B、C，通過測量確定三點坐標后就可以開始布置。調整方向使照射出來的光線通過A、B、C三點，然后調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出的光束位于同一個方向上，如圖1所示。

圖1 激光指向儀安裝平面示意

1.3 調試

調試步驟主要分為連接電源、主機水平位移調整、縱向粗調、橫向粗調、縱向微調、橫向微調幾個步驟。該型號激光指向儀的輸入電壓為交流電24～260 V，確認線路無松動和短路后，按照操作手冊上的要求和規定操作與通電；將主機調整到理想位置后鎖緊；縱向調整光線路徑到理想位置后鎖緊主機；橫向調整光線路徑到理想位置后鎖緊主機；微調階段須仔細小心，先略微松開橫向微調旋鈕，若要光斑向上調節，則縱向微調旋鈕慢慢松下緊上；若要光斑向下調節，則將縱向微調旋鈕慢慢松上緊下。若要向左調節光斑，則橫向微調旋鈕慢慢松右緊左；若要向右調節光斑，則橫向微調旋鈕慢慢松左緊右。

1.4 確定激光指向儀的坡度

激光指向儀在工作中發出的光線坡度需要按照施工要求來設置，其主要作用是測量巷道斜坡傾斜的角度，所以光束坡度應與施工設計的巷道所需斜坡角度相同。水泥控制點B點位于設置的3個測量點中心，將全站儀假設在中心位置用來測量計算。

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B點后與B點的垂直距離記為ΔHB，假設設計坡度z=±3‰（“+”代表上坡，“-”代表下坡），可以算出ΔHB。HB為B點的高程，H為激光指向儀激光頭的高程：

激光線在到達B點后在B點垂直方向上的高程為：

因此有

量取ΔHB并做好標記，調整指向儀使其發射的激光線中心對準標記處，完成對激光指向儀坡度的調整。

1.5 激光指向儀的坡度檢核

完成了激光指向儀的坡度調整后，繼續核驗指向儀坡度。在檢核時，先測量C點的高程，然后計算激光線在到達C點后在C點的高程，并以此作為檢核的依據。

量取C點站標高IC，測量C到激光指向儀的水平距離ΔDC和高差Δh1，假設C點高程為HC，如圖3所示。

激光線到達C點時在C點垂直方向上的高程為：

激光在A點垂線方向上離C點的距離ΔHC為：

圖3 激光指向儀坡度檢核

量取ΔHC，若激光沒有通過C點表示調試或安裝過程中出錯，需要進行重新核驗。若通過表示核驗成功，可以投入使用，做好標記方便在施工中觀察指向儀是否有偏移[3]。

2 使用過程注意事項

激光指向儀安裝調試結束之后，就會在施工中使用，由于井下環境比較復雜，施工過程隱患較大，所以在使用過程中需要注意保養維護，確保激光指向儀的性能。

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

2）在每次施工前，都應檢查指向儀發射的光束是否偏離正確位置，若偏離，及時找出原因進行調整。

3）井下掘進施工每進行到40～50 m，都要重新檢查測量，并根據測量結果調整巷道掘進角度。

4）為延長儀器壽命，儀器工作時應定期擦拭激光出孔的防爆玻璃上的灰塵，保證儀器的清潔，使用后要及時關閉電源。

5）儀器應保存在干燥、無腐蝕環境中以保護儀器的性能，延長使用壽命。

3 結語

該型號激光指向儀具有光斑小、亮度高、射程遠的優點。在實際使用中，每個礦井會根據實際情況選用不同型號的礦用激光指向儀，根據指示巷道掘進長度的施工要求，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、穩定的特點。