激光指向仪在一期矿石井工程中的实际应用

激光指向仪在一期矿石井工程中的实际应用

李琦

李琦

玉溪矿业有限公司大红山铜矿测绘技术部云南玉溪653405

摘要：阐述了激光指向仪在大红山铜矿一期矿石溜井检修加固工程扩刷及混凝土浇筑施工中的应用及其安装调试方法、精度评定,结合生产实际提出竖井施工新的测量方案。

关键词：激光指向仪;竖井;安装精度;垂直度

1、激光指向仪的构造简介

激光指向仪主要由激光器，光学系统，防爆壳体和悬挂调节螺旋等部件组成。激光指向仪是用激光器产生的光源进行指向的仪器。由于激光具有方向性、单色性好和亮度高等许多优点，因此成为理想的光学仪器光源。运用激光指向仪指示巷道的掘进方向，具有使用方便、效率高、中线和腰线一次定位等许多优点。目前已广为各类矿山所应用。

2、光指向仪的安装及使用

2.1、激光指向仪的安装位置有多种方法

(1)可安放在竖井中央的封口平台(I25工字钢)上；

(2)或安放在用四根锚杆固定的框架上；

(3)也可安放在竖井两帮的井臂上；

(4)可根据施工现场的实际情况选用最佳安置方式。井筒掘进至一定距离后(20-30m),即可安装激光指向仪。在井口封口平台上安装一个仪器操作平台,仪器操作平台通过斜爬梯与井口封口平台连通,在仪器操作平台上方2米处架设I25工字钢，I25工字钢的架设用于激光指向仪机座的安装固定。仪器机座用一块5㎜钢板和4根直径Ф18㎜钢筋焊接在I25工字钢上，仪器机座的钢板和钢筋用螺丝固定，螺丝的用途用于初步调节钢板水平面高低。

2.1.1、激光指向仪的使用需要全站仪的配合

用全站仪放出井筒井心坐标，在仪器操作平台上，井筒两侧帮埋设两个控制点（A点、B点），A点和B点两点之间用工程线(直线)连接，分别用A点和B点到井心距离控制井心位置的偏移，A点到井心的距离S1，B点到井心的距离S2，S1和S2就确定了井心的位置。还可以用另外一种方法确定井筒井心位置，那就是用全站仪放出井筒井心坐标，在井筒两侧帮埋设四个控制点（A点、B点、C点、D点），用A点和B点两点之间的直线与C点和D点两点之间的直线相交的十字中心确定井心位置。

2.2、在安装激光指向仪时仪器中心必须与井筒中心重合

在操作平台上,根据井筒控制点的距离跟十字中心基准线把井筒井心投测到井口封口平台上并进行精确定位,安装仪器时,操作人员站在操作平台上进行安装,手不可用力压仪器机座,以免造成仪器机座轻微变形。

每次使用激光指向仪前，首先应对激光指向仪的电源、发光情况以及各调节部件进行检查。检查合格后，方可用于方向的给定。激光指向仪应安装在距掘进工作面不小于30m的地方，以免放炮爆破作业造成损坏或发生震动位移。若利用它来指示巷道中线和腰线时，必须使光束在水平面内位于巷道的中线方向上，在倾斜面内位于巷道的腰线方向上。安置时必须根据全站仪标定的中线、腰线点来确定。

3、激光指向仪在大红山铜矿一期矿石井检修加固工程中的实际应用

(1)大红山铜矿一期矿石溜井检修加固工程工作量大；主要包括掘进扩刷、砼支护、钢结构制安等方面的内容，工序多而全，加固工作量大。安全威胁大；由于工序多而全，各项工序交叉作业，集中在同一井筒内，物的不安全状态、人的不安全行为同在，造成高坠、物体打击、触电、通风等危险因素共存，对安全生产威胁较大。工期紧、质量高，因此，要求对整个施工过程进行质量监控，以确保工程施工进度和质量达到规定要求。

(2)一期矿石溜井位于大红山铜矿B60-62线之间，高程：506m-640m,井筒垂直高度134米，这给矿山的测量技术指导工作造成了不小的压力，仅靠传统的人工测量放线技术已经难以为继。为确保一期矿石溜井加固工程稳健推进及顺利开展，为了大红山铜矿井下生产的需要，近日，我矿引进了曲靖野阳测绘公司自制的3台激光指向仪。主要用于大型井巷工程、天溜井、巷道等掘进工程的指向、定位，目前，激光指向仪已经安装调试完毕并正式投入生产应用。首次使用曲靖野阳测绘公司自制的激光指向仪的应用主要用于大红山铜矿一期矿石溜井工程检修加固，确保大红山铜矿一期矿石溜井前期安全处理阶段的扩刷及后期混凝土浇筑在施工设计范围内。

(3)在井巷工程施工中,由于井下地质条件差，作业环境恶劣的情况下，竖井工程是一项施工难度大,精度要求高的工程。测量方法及测量仪器的选择直接关系着竖井的施工质量和施工进度。竖井测量的传统方法在现有竖井施工中,通常做法是在井筒中心用钢丝绳悬挂重锤（井筒中心铅垂线）作为施工的依据。该法虽然简单,能保证测量精度,但是存在一些弊端。当井筒较深时需加大悬挂重锤重量,因垂线太长,摆动幅度较大,垂线单摆周期加长,需较长时间稳定才能找到井筒中心,而且十分不稳定,稍触即动,增加了施工人员的劳动强度。因此,传统方法影响施工进度和质量。

近年来，随着激光技术的不断发展，激光指向仪在地下工程中已经得到了广泛的应用。在井巷工程中合理使用激光指向仪，能大大提高井巷工程施工质量和速度。激光指向仪的使用价值具有价格低廉、安装调试简单、发射可见光、使用方便等特点,可以快速准确地标定井巷工程中线、腰线位置,从而有效地控制巷道的超挖、欠挖现象。在井巷工程中合理使用激光指向仪,能大大地提高井巷施工质量和速度。用常规方法进行井巷工程测量时，需要作业现场内停工、通风并加强照明，占用了现场施工的宝贵时间。如何快速、及时、准确地对井巷工程放样是一道关键步骤，它直接影响到衬砌质量和施工成本费用，放样时间的长短也直接影响到施工进度。利用常规方法对井巷断面进行放样时，每次放样时都需要架设仪器，其放样时间一般为30-40分钟，甚至更长；而利用激光指向仪对井巷断面进行放样，不需要每次放样均架设仪器，只需定期进行复核检查即可，同时减少了测量人员的工作量。激光指向比传统人工放线定向更具适时性、精确性和稳定性，能有效降低环境条件误差和观测误差，从而提高了劳动生产率，以往至少4个人才能完成的作业面放线工作，现在1个人便可操作完成，有效地降低了生产成本针对上述传统测量方法的缺点,技术人员在竖井施工中引用了激光指向仪,并结合传统测量方法(垂线法)共同指导施工。在整平仪器后接通电源可向下发射一束铅垂激光线。利用此激光线即可进行天底投点测量。使用激光指向仪指导施工,方便灵活,提高了精度,降低了劳动强度,节省了工作时间,提高了工作效率。

4、激光指向仪的检验与校正

4.1、长水准器的检验与校正

激光指向仪长期使用一段时间后,由于在运输过程中或使用搬运过程中,水准管固定螺丝会逐渐松动因而使长水准轴与仪器竖轴不垂直,水准管轴与仪器竖轴夹角为90°+a。致使调平水准管后,仪器竖轴不能竖直向下而与铅垂线产生一个夹角α,见图1,以此施工,必将导致误差出现,因此,有必要定期对长水管轴进行校正。激光束与仪器竖轴是否同轴度的检验与校正仪器在井下用久了或搬运中的震动,使仪器激光束与仪器竖轴不重合,两轴之间产生一个夹角β,如图2所示。校验方法:将激光指向仪安置好精确调平后,具体的调试方法同经纬仪长水准气泡调试方法一样。

当水准管气泡居中后,仪器竖轴处于铅垂位置,而激光束偏离铅垂位置,即激光束发生偏斜,激光指向仪每次使用前必需进行激光束与竖轴同轴度的检验。

(1)检验与校正激光准直轴与竖轴同轴度的方法一：首先在坐标纸上画一个“十”字线,在仪器下方封口平台处,将坐标纸上的“十”字线对准激光光斑中心,然后将图纸定位固定好,再将仪器依次转动4个90°,用铅笔在坐标纸上记录下4个光斑点的位置,并成对角线量取4个铅笔点中的对角线,取最大距离d,将d/2除以深度h即得仪器同轴度精度δ:δ=±(d/2)/h式中:d为最大偏差值;h为坐标纸距仪器深度值。

(2)例如:在30m深处最大偏差值1mm将其代入公式:则(1mm/2)/30000mm=1/60000,那么,这台仪器达到标定精度六万分之一,可以使用。如果超差则用改动针拨动仪器物镜头上的三个校正螺丝,使最大偏差点的激光光斑向与其对称点移动1/2即可。在调整过程中,四个90°点的位置会不断变化互相影响,但只要仔细校正,就会逐渐消除,就会达到标定的精度,校正螺丝要松紧适度,转动仪器后,要等激光光斑完全稳定下来再用铅笔标点。

(3)检验与校正激光束与竖轴同轴度的方法二：利用全站仪控制观察激光光斑的移动情况,此种方法检校须在光线较暗的时候进行。先把激光指向仪安置好精确调平后,打开电源,射出红色光线,利用平面反射镜把竖直光线转变成水平光线,把激光光斑投射到附近的井壁或巷道两侧帮上.借助全站仪观测光斑进行调整,直到激光束偏差达到限差为止。

5、激光指向仪控制一期矿石井垂直度的精度分析

利用激光指向仪指导竖井施工,井筒垂直度的精度受着多方面条件的限制,因此,影响井筒垂直度精度的因素主要有:

(1)仪器安装时存在的误差。仪器安装时当垂球尖与激光指向仪仪器顶部的准星尖对准过程中,因垂球有微弱的摆动以及观测存在着误差,其最大误差值为±1mm。

(2)激光指向仪激光光束铅垂度存在误差。其影响因素有长水准管气泡存在误差,仪器竖轴与激光束之间存在误差,这两项误差值为六万分之一。当激光指向深度为134m时,光斑偏差值为±2.2mm。

(3)光斑中心标定误差。当激光指向深度为134m时,光斑直径约为2mm,人体肉眼观测存在误差,误差值为±2mm,即光斑中心标定误差为±2mm。

(4)综上所述，使用激光指向仪指导施工时，由于存在标定误差M标、仪器误差M仪、安装误差M安，在这三种误差共同影响下，使竖井铅垂度产生误差，这三种误差相互独立，遵循误差传播定理，激光指向仪在竖井施工中的指向误差为：M²=M标²+M仪²+M安²=1²+2.2²+2²=3²。所以,使用激光指向仪指导大红山铜矿一期矿石井施工进行激光指向,井深134m,其垂直精度误差为±3mm。

6、结束语

激光指向仪测量技术从实践证明：只要在测量过程中加强控制，将会得到更高精度的测量成果。同时我们也看到，激光指向仪的应用大大方便了矿山日常测量工作，提高了工作效率，随着科学技术的不断进步与发展，它将会给矿山测量带来更大的便利，也将在矿山测量行业得到更加广泛的推广和应用。

参考文献：

[1]吴小勇.JZY-1A激光腰线（水平）仪在巷（隧）道掘进中的应用[J]，矿山测量，2002.

[2]付金峰.等.BJZ-Ⅲ型激光指向仪的误差分析[J].矿山测量，2000.

[3]王平.等.激光指向仪在井下大压力巷道施工中的应用.煤炭技术，2003.

[4]孙玉胜.激光指向仪在竖井施工中的应用，新疆有色黄金建设公司，2006年第03期.