激光指向测距装置在南屯煤矿中的应用研究

（兖州煤业股份有限公司南屯煤矿，山东邹城 273500）

传统的煤矿用激光指向仪由激光器、光学系统、电源和安装调整结构几个部分组成。激光器采用的多为氦氖气体激光器，发射橙红色可见光束，光波的波长为632.8 μm，发射角一般为3′左右。光学系统是一个自准直望远镜系统，其作用是聚焦激光光束，增加有效射程。氦氖气体激光器的启辉电压较高，正常工作电压较低，电源通常采用磁饱和稳压和倍压整流系统。通常情况下，煤矿井下的激光指向仪供电电源采用127 V和380 V两种。

南屯煤矿井下现用激光指向仪仅能指示掘进巷道方向，指向作用单一，而井下便携测距使用的激光测距仪也仅能起到测距作用。现有技术单一指向和单一测距不利于采掘工作面测量剖面图、碎部测量等工作需求以及较精确、测量数据量较大且数据互相关联的综合性测图要求。现用激光指向仪均为有线电源，携带使用受制于电源；开展测图工作往往是需要消耗大量人力、物力和时间在现场测量、记录、校核、素描等才能完成，与矿井科技化、信息化、高产高效等发展趋势极不匹配，亟须技术研发。

1 国内外研究进展

1.1 目的及意义

激光指向测距装置是结合激光指向技术和激光测距技术为一体，研发的专用激光集成测量装置，本装置主要由激光指向仪、激光测距仪、坡度测量模块、专用三脚架、绞齿中轴、液压云台等组成。适用于各种巷道进行激光指向、测距和坡度测量等测绘功能。

该装置采用轻质合金材料，重量轻、功能全、携带方便、拆装简单、测量精准，可以大幅度减轻测绘人员的工作强度，提高工作效率，增加测量精度。

本项目拟采用目前国际最新的激光指向及测距技术，实现井下激光指向、测距、坡度测量一体化，使用简单，携带方便。主要用于煤矿井下技术人员的动态起步描述以及巷道掘进时方向控制、巷道宽度控制，实现智能化、自动化操作，提高工作效率，降低职工劳动强度，改善剖面测量工作标准化形象。

1.2 国内外同类技术发展状况及发展趋势

（1）目前国内外同类技术发展状况：现阶段国内外常用的传统指向仪器并不具备测距功能，无法测量坡度。传统指向仪器采用红色光线，煤尘严重时，红光穿透力弱且分散，无法清晰准确测量。

（2）发展趋势优点：本项目可解决矿山掘进及测量工作中放线、定位、指向、碎部测量等存在的技术难题，提供准直线的测量、测距、坡度指示等。

1.3 相关专利检索查新情况

经检索“激光指向”“激光测距”“矿用”等标题和关键词，共计检索到相关专利32项，相关专利基本都是固定地点（多固定于巷道顶板）并用于掘进定向，本次研发装置主要为移动式并应用于碎步及剖面图测量，代替部分常规专业测量仪器功能，相关专利检索查新暂未发现专利冲突情况。

2 激光指向测距装置研究

2.1 采用的研究、试验方法和技术路线

研究、试验方法：通过充分调研矿井测图等工作技术现状，与管理技术人员交流，采纳市场先进做法，与协作单位交流对接，技术人员改进等开展项目实施。装置研制后，经初步研究后，入井试验效果。

技术路线：调研实际业务刚性需求、相关技术现状→分析改进及实际需要重点情况→提出项目实施技术方案→方案研讨审查→协作单位加工研制→现场试用→总结验收。

2.2 现有技术基础及条件

（1）南屯煤矿地测科拥有一支成建制规范化专业地测队伍，有多年地测经验，各种技术技能人才完备，具备国家一级标准化过硬素质，能较平稳开展全矿地测业务工作。一方面可以满足南屯煤矿井下测量工作和安全生产的需求，另一方面多年来的井下地测工作为项目实施提供了物质基础和数据支持。

（2）协作单位是国家级的高新企业，专业从事防爆安全技术、装备的开发与生产。

2.3 主要研究、试验内容及关键技术

（1）主要研究内容：①采用小型低功耗激光指向仪，电池供电；增加激光测距功能，使其集成指向、测距功能。②采用专业碳纤维摄影三脚架，增加坡度测量模块，并通过三脚架固定、绞齿中轴及回旋调节机构，实现激光指向测距装置上下平稳调节；通过液压阻尼云台，可实现激光指向测距装置水平、垂直平稳旋转；角度、坡度、测距均可数显。

（2）关键技术、创新点：激光指向测距装置是结合激光指向技术和激光测距技术为一体研发的专用激光集成测量装置，本装置主要由激光指向仪、激光测距仪、坡度测量模块、专用三脚架、绞齿中轴、液压云台等组成。适用于各种巷道进行激光指向、测距和坡度测量等测绘。

2.4 目标指标及装置基本构造

（1）目标：研制新型激光指向测距仪，实现井下巷道激光指向、测距和坡度测量功能。

（2）主要技术指标：①小型低功耗激光指向模块，电池供电，连续工作超过10 h；②高精度激光测距模块，测量精确，数据存储查看；③电子坡度测量，直观准确方便；④专业摄影三脚架，采用碳纤维设计，轻便坚固；⑤绞齿中轴设计，方便上下调节云台；⑥专用液压云台，可全方位进行方向调配；⑦配置2对矿用井下对讲装置，可用于测量工作信息通信；⑧200 m内实现便携式激光指向测距一体化。

激光指向测距装置基本构造如图1所示。

图1 激光指向测距装置基本构造图

3 激光指向测距装置在南屯煤矿中的应用

3.1 装置样机测试

针对研发的新装置，本次对9个方面进行了测试，结果均合格。

（1）工作时间测试。

电池供电，连续工作超过10 h；实测超过13 h。

（2）激光垂直微调测试。

功能正常，可通过激光指向装置测光指向测距装置的垂直齿轮转动旋钮微调实现。

（3）激光水平微调测试。

功能正常，可通过激光指向装置测光指向测距装置的水平齿轮转动旋钮微调实现。

（4）测距垂直微调测试。

功能正常，可通过激光指向装置激光测距仪的垂直微调旋钮微调实现。

（5）测距水平微调测试。

功能正常，可通过激光指向装置激光测距仪的水平微调旋钮微调实现。

（6）激光指向主要技术指标测试。

激光束：红色，目测良好；

指向距离：200 m（光斑＜Φ40 mm），目测良好；

工作电压：DC3 V（R65号干电池2节），万用表测试。

（7）现场激光测距指标测试。

测距范围：0～200 m，目测良好；最小分辨率：0.001 m，目测良好。

测量范围：0.5～1.0 m；误差：±0.100 m；被测：0.05 m；实测：0.531 m；

测量范围：0.5～1.0 m；误差：±0.100 m；被测：5 m；实测：4.982 m；

测量范围：10～50 m；误差：±0.50 m；被测：10 m；实测：10.25 m；

测量范围：10～50 m；误差：±0.50 m；被测：505 m；实测：49.95 m。

（8）现场验证照片。

现场微调、测距测试；现场激光指向、测距、测坡度测试。

（9）水平坡度测试。

功能正常，可通过激光指向装置上指向仪“水准管”与激光测距仪开机“水平角度”实现。

3.2 装置在南屯煤矿中的应用

该装置一次性两台套，在南屯煤矿地面和井下分别试用，试用样机如图2所示。

图2 测试试用样机

在测量碎步时，两人可快速高效准确完成；剖面测绘中，以往需要3～4人耗费3～4 h测绘的剖面范围，使用本机结合对讲机，仅2人耗时1.8 h便顺利完成，提高了工作效率。

3.3 问题及建议

建议该装置持续改进，尽量控制远距离光斑大小，提高准确度；增加数据智能存储功能，开发配套软件，按照需求自动导入成图，不断改进，持续提升用户体验感。