陳德炎，何曉武

(廣西華錫集團(tuán)股份有限公司銅坑礦， 廣西 河池市 547205)

CSJ型炮孔測量儀傾角測量的改進(jìn)設(shè)想

陳德炎，何曉武

(廣西華錫集團(tuán)股份有限公司銅坑礦， 廣西 河池市 547205)

介紹了CSJ型炮孔測量儀的炮孔傾角測量原理及其傾角測量功能在實(shí)際應(yīng)用中存在的缺陷，分析傾角測量誤差過大的原因，推導(dǎo)最大偏差角的計(jì)算公式 。針對(duì)該缺陷，提出了增加楔形彈片、柔性連接和電子壓力傳感器的改進(jìn)設(shè)想。預(yù)計(jì)經(jīng)過改進(jìn)后的測量儀，其導(dǎo)向管能自動(dòng)與孔壁貼伏，且貼伏程度可測，同時(shí)可測得炮孔的直徑，降低人員操作與導(dǎo)向管尺寸對(duì)炮孔傾角測量的影響，提高測量精度。

CSJ型；炮孔測量儀；傾角測量；最大偏差角

深度測量與傾角測量是炮孔測量的兩個(gè)主要方面。在炮孔測量儀未發(fā)展起來之前，國內(nèi)礦山中深孔一般采用人工插桿測量炮孔深度、量角器測量炮孔傾角的方法對(duì)炮孔行測量驗(yàn)收。此種驗(yàn)收方式不僅人工勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，還有可能危及工人人身安全。

深度測量一般是利用聲波的回聲定位原理測量炮孔的深度。1970年代，國外的?∏OC-M型炮孔電聲測深儀是較早根據(jù)此原理研制出來的儀器[1]。到70年代末期，國內(nèi)也成功開發(fā)了此類儀器并得到了應(yīng)用[2￣3]。

在傾角測量的方法與儀器方面,70年代末期，長沙礦山研究院研制出了CJ-1型數(shù)字式炮孔測角儀，利用重力擺錘和電感移相器來測量炮孔傾角，精度較低[4]。1996年，武鋼礦山設(shè)計(jì)研究所等單位一同研發(fā)出國內(nèi)首個(gè)具備深度和傾角測量功能的測量儀——WGL-1型中深孔測量儀器[5]。該儀器采用重力擺錘來感知炮孔傾角，光電編碼器記錄感知信號(hào)，再經(jīng)過微處理器轉(zhuǎn)換成傾角并顯示出來，原理與CJ-1型相近。從2006年到2011年，長沙元宇公司推出了CSJ系列智能炮孔測量儀，仍然采用聲波脈沖測量孔深，但在炮孔傾角測量方面采用了微電子傾角傳感器[6￣8]，測量精度得到了很大提高。最新型的CSJ炮孔測量儀采用微電子傾角傳感器的雙軸角度信號(hào)進(jìn)行正切運(yùn)算方法代替原單軸角度信號(hào)查表法，測角誤差進(jìn)一步減小。

1 炮孔傾角測量原理

CSJ型炮孔測量儀由核心處理儀器、電纜、探頭、塑料導(dǎo)向管和測桿組成。核心處理儀器集成了按鍵操作、信號(hào)處理、存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)顯示功能。電纜連接探頭與核心處理器，起傳輸信號(hào)的作用；探頭內(nèi)置微電子加速傳感器與聲波換能器，負(fù)責(zé)信號(hào)的發(fā)射與接收；測量時(shí)將塑料導(dǎo)向管、探頭與測桿相互連接為一體，三者軸線重合為一條直線。

炮孔傾角是炮孔中心線與地平線的夾角。測量炮孔傾角時(shí)，測量員面朝巷道的中心線站立，將塑料導(dǎo)向管完全伸入孔內(nèi)并貼伏孔壁，并將探頭的電纜接頭面向測量員，如圖1所示。此時(shí)探頭軸線與炮孔中心線平行，探頭傾角與炮孔傾角相等，儀器測量出來的角度即為炮孔傾角。

圖1 炮孔測量儀操作示意圖

2 傾角測量誤差

智能炮孔測量儀的傾角測量誤差來源于2個(gè)方面，一為探頭內(nèi)置的微電子加速傳感器精度，二為人為操作導(dǎo)致導(dǎo)向管不貼伏于炮孔壁。微電子加速傳感器技術(shù)成熟，精度高，完全滿足中深孔炮孔驗(yàn)收的精度要求，故不是主要的誤差來源。測量儀說明書中要求導(dǎo)向管外徑與炮孔直徑相等，并由礦方按照炮孔直徑自行制作。當(dāng)導(dǎo)向管外徑與炮孔直徑相等或很相近時(shí)，將導(dǎo)向管伸入炮孔中是較為困難的，且有時(shí)炮孔直徑偏小不合格時(shí)，導(dǎo)向管在理論上伸不進(jìn)去。許多礦山并不具備自行制作導(dǎo)向管的能力。所以實(shí)際上礦方使用的導(dǎo)向管的直徑與炮孔直徑相差是比較大的。在利用智能炮孔測量儀驗(yàn)收炮孔傾角時(shí)，要求測量人員站位與導(dǎo)向管位置有較高要求。巷道內(nèi)作業(yè)條件比較差，測量人員要留意腳底有無積水、坑洼地等，巷道頂板較高時(shí)難以觀察到導(dǎo)向管是否與炮孔壁貼伏，所以很難嚴(yán)格按著儀器操作規(guī)則操作儀器。由此會(huì)造成不可接受的傾角偏差。

導(dǎo)向管外徑小于炮孔直徑時(shí)，由于人為操作所造成的最大角度偏差如圖2所示，圖中α1為儀器導(dǎo)向管中心線與水平線之間的夾角，即為測量的傾角讀數(shù)；α2是炮孔與水平線之間的夾角，為炮孔的實(shí)際傾角；e為炮孔直徑；a為導(dǎo)向管外徑；b為導(dǎo)向管長度；α為當(dāng)導(dǎo)向管前后兩端均接觸到炮孔壁時(shí)儀器測量到的傾角與炮孔實(shí)際傾角的差值，即最大角度偏差值。由圖2可知：

e≥a>0,b>0

(1)

由式(1)可知，假設(shè)炮孔直徑e為定值，a或(和)b減小時(shí)，α增大。要確保測量精度，又要考慮到人員操作的方便性，導(dǎo)向管尺寸的選擇是較為困難的。

圖2 最大角度偏差

3 測量儀的改進(jìn)設(shè)想

針對(duì)以上對(duì)儀器測量傾角誤差的分析，嘗試對(duì)儀器導(dǎo)向管以及測桿進(jìn)行以下改進(jìn)，以減小測量誤差，提高炮孔傾角測量精度，如圖3所示。

(1) 在儀器導(dǎo)向管上增加柔性彈片與彈簧構(gòu)成的楔形彈片，可使導(dǎo)向管伸入炮孔后，由于楔形彈片的彈力作用而自動(dòng)貼伏于孔壁。如此既使得探頭軸線與炮孔軸線自動(dòng)相平行，又不會(huì)對(duì)導(dǎo)向管進(jìn)出炮孔造成較大阻礙?？纱鬄闇p少人員操作與導(dǎo)向管尺寸對(duì)傾角測量的影響，適應(yīng)較大的炮孔直徑范圍。

(2) 在測桿上端增加一處柔性鏈接，此鏈接類似于臺(tái)燈燈頭與底座的鏈接，既使得測量人員站位不受過多限制，方便調(diào)整導(dǎo)向管，又可使鏈接保持一定的力度，不至于導(dǎo)向管不能插入炮孔。

(3) 在儀器導(dǎo)向管上正對(duì)于楔形彈片處增加電子壓力傳感器。當(dāng)導(dǎo)向管伸入炮孔時(shí)，兩個(gè)壓力傳感器即可受到壓力，壓力相等時(shí)說明導(dǎo)向管貼伏于炮孔孔壁，所測傾角為真實(shí)傾角。如此探頭軸線與炮孔軸線的平行程度是可測的，并且可在屏幕上顯示出來。在核心處理儀器上增加相應(yīng)的處理模塊，即使兩個(gè)壓力傳感器所受到的壓力不相等時(shí)，也可通過一定的函數(shù)糾正，得到正確的傾角。同時(shí)壓力傳感器到的壓力大小可反應(yīng)炮孔直徑的大小，即可同時(shí)測得炮孔的直徑。

圖3 炮孔測量儀改進(jìn)示意圖

4 結(jié) 論

CSJ型智能炮孔測量儀是目前國內(nèi)較為先進(jìn)的用于驗(yàn)收中深孔的儀器，該儀器一機(jī)兩用，可兼顧深度及傾角測量2種功能，大大提高了中深孔驗(yàn)收的效率和精度。但在實(shí)際使用過程中發(fā)現(xiàn)儀器存在有缺陷，特別是傾角測量的誤差較大。針對(duì)儀器的缺陷，提出了對(duì)該測量儀的改進(jìn)設(shè)想。

(1) 推導(dǎo)了最大偏差角公式;

(2) 該改進(jìn)設(shè)想使導(dǎo)向管自動(dòng)貼伏于炮孔壁，并能通過在儀器上增加的對(duì)應(yīng)處理模塊反映貼伏的程度，進(jìn)行糾正計(jì)算。減少了人為操作和導(dǎo)向管尺寸對(duì)傾角測量的影響;

(3) 該改進(jìn)設(shè)想可同時(shí)測得炮孔直徑數(shù)據(jù);

(4) 要使該改進(jìn)設(shè)想能在實(shí)際應(yīng)用中得以實(shí)踐，需要與企業(yè)的設(shè)計(jì)人員進(jìn)行探討，使改進(jìn)方案更具體化，更符合實(shí)際。

[1]B.C.雅姆?？品?李一仙.炮孔電聲測深儀在地下采礦中的應(yīng)用 [J].國外采礦技術(shù)快報(bào),1985(23):26￣28.

[2]陳壽如,陳守智.聲波探測技術(shù)在炮孔測距中的應(yīng)用[J].有色金屬(礦山部分),1983(1):44￣49,51.

[3]張永惠.聲波炮孔測深儀應(yīng)推廣使用[J].有色金屬(礦山部分),1981(2):59.

[4]長沙礦山研究院臺(tái)車自動(dòng)化組.CJ-I型數(shù)字式炮孔測角儀[J].工程機(jī)械,1980(2):47￣49.

[5]馬 彬,雷 斌,譚學(xué)軍.WGL-1型中深孔深度傾角測量儀的應(yīng)用和評(píng)價(jià)[J].黃金科學(xué)技術(shù),2005(Z1):30￣33.

[6]佟 剛,王 濤,吳志勇,等.高精度傾角傳感器在測量車載平臺(tái)變形中的應(yīng)用[J].光學(xué)精密工程,2010,18(6):1347￣1353.

[7]王 巍,李早平,王 軍,等.基于微加速度傳感器的傾角傳感器[J].儀表技術(shù)與傳感器,2010(12):12￣13,25.

[8]張維勝.傾角傳感器原理和發(fā)展[J].傳感器世界,2002,8(8):18￣21.

2014￣12￣02)