激光指向測距裝置在南屯煤礦中的應用研究

（兗州煤業股份有限公司南屯煤礦，山東鄒城 273500）

傳統的煤礦用激光指向儀由激光器、光學系統、電源和安裝調整結構幾個部分組成。激光器采用的多為氦氖氣體激光器，發射橙紅色可見光束，光波的波長為632.8 μm，發射角一般為3′左右。光學系統是一個自準直望遠鏡系統，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壓和倍壓整流系統。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、測量數據量較大且數據互相關聯的綜合性測圖要求?，F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、高產高效等發展趨勢極不匹配，亟須技術研發。

1 國內外研究進展

1.1 目的及意義

激光指向測距裝置是結合激光指向技術和激光測距技術為一體，研發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起步描述以及巷道掘進時方向控制、巷道寬度控制，實現智能化、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 國內外同類技術發展狀況及發展趨勢

（1）目前國內外同類技術發展狀況：現階段國內外常用的傳統指向儀器并不具備測距功能，無法測量坡度。傳統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）發展趨勢優點：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，代替部分常規專業測量儀器功能，相關專利檢索查新暫未發現專利沖突情況。

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：通過充分調研礦井測圖等工作技術現狀，與管理技術人員交流，采納市場先進做法，與協作單位交流對接，技術人員改進等開展項目實施。裝置研制后，經初步研究后，入井試驗效果。

技術路線：調研實際業務剛性需求、相關技術現狀→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→協作單位加工研制→現場試用→總結驗收。

2.2 現有技術基礎及條件

（1）南屯煤礦地測科擁有一支成建制規范化專業地測隊伍，有多年地測經驗，各種技術技能人才完備，具備國家一級標準化過硬素質，能較平穩開展全礦地測業務工作。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基礎和數據支持。

（2）協作單位是國家級的高新企業，專業從事防爆安全技術、裝備的開發與生產。

2.3 主要研究、試驗內容及關鍵技術

（1）主要研究內容：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、絞齒中軸及回旋調節機構，實現激光指向測距裝置上下平穩調節；通過液壓阻尼云臺，可實現激光指向測距裝置水平、垂直平穩旋轉；角度、坡度、測距均可數顯。

（2）關鍵技術、創新點：激光指向測距裝置是結合激光指向技術和激光測距技術為一體研發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造

（1）目標：研制新型激光指向測距儀，實現井下巷道激光指向、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，連續工作超過10 h；②高精度激光測距模塊，測量精確，數據存儲查看；③電子坡度測量，直觀準確方便；④專業攝影三腳架，采用碳纖維設計，輕便堅固；⑤絞齒中軸設計，方便上下調節云臺；⑥專用液壓云臺，可全方位進行方向調配；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內實現便攜式激光指向測距一體化。

激光指向測距裝置基本構造如圖1所示。

圖1 激光指向測距裝置基本構造圖

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

針對研發的新裝置，本次對9個方面進行了測試，結果均合格。

（1）工作時間測試。

電池供電，連續工作超過10 h；實測超過13 h。

（2）激光垂直微調測試。

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動旋鈕微調實現。

（3）激光水平微調測試。

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動旋鈕微調實現。

（4）測距垂直微調測試。

功能正常，可通過激光指向裝置激光測距儀的垂直微調旋鈕微調實現。

（5）測距水平微調測試。

功能正常，可通過激光指向裝置激光測距儀的水平微調旋鈕微調實現。

（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），萬用表測試。

（7）現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）現場驗證照片。

現場微調、測距測試；現場激光指向、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。

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

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