一种CMS探测仪的测量辅助系统

摘要

本发明提出一种CMS探测仪的测量辅助系统，所述测量辅助系统包括横杆（1）、前支架和后立杆（3），所述前支架包括四根支柱（11）围成的梯形体或锥形体的脚架，以及脚架顶部固定的U型槽（10）；所述U型槽底板上设置有倒扣于U型槽底板上的弧形杆或弧形槽（24），且所述弧形杆或弧形槽（24）轴线与所述U型槽（10）轴线垂直。本发明的CMS探测仪测量辅助系统利用独特的前支架、微调升降器等结构设计，减少顶板碎石坠落造成的安全隐患，提高了支架系统的平衡和安全性能，避免支架系统失稳倾倒，且安装快捷方便；此外，该测量辅助系统还进一步地对其中的测量基线系统进行改进，扩大了CMS探测仪在各种测量环境下的适用性。

说明书

技术领域

本发明涉及采矿领域中测量仪器的辅助系统，特别涉及一种CMS探测仪的测量辅助系统。

背景技术

空场采矿法、分段充填采矿法、阶段充填采矿法是广泛应用的采矿方法，采用该类采矿方法时要求矿山必须准确掌握已回采空区的三维形态，以确保该采场矿量正常回收并开展下一步充填设计、相邻采场采矿作业、以及区域稳定性分析等；部分矿山存在大量溶洞区，掌握其内部形态以便采取相应处理措施对实现矿山安全高效化开采尤为重要，但由于空区围岩稳定性差，严禁人员进入空区。

空区激光探测系统(Cavity Monitoring System，简称CMS)因其能准确测定井下危险采空区及其它硐室空间的三维形态而被广泛应用于国外金属地下矿山，已经成为探测地下采场和空区的主要手段之一。

CMS探测系统由主机系统和测量辅助系统——测量基线系统、支架系统构成。在测量基线系统中，将觇标通过2个铆钉（25）固定在卡套于横杆的梯形架（21）上，为系统提供测点；支架系统中主要包括前立杆（6），后立杆（3）和横杆（1），实际测量步骤如下：安装前立杆（6），后立杆（3），将两立杆两端牢固固定在巷道顶、底板之间，并把托盘（5）和压套（2）分别安装在前立杆和后立杆上，2节横杆（1）连接放在托盘（5）上将压套（2）压紧，后将CMS仪器探头（8）固定在横杆（1）上，边连接横杆边向前移动，将CMS仪器探头（8）送入采空区，对采场顶板（7）和侧壁进行实测。参见附图1。

CMS探测系统具有数据采集效率高、采空区形状测量准确、采集点分布规律利于后期处理等优点，但是测量装置组装过程费时费力，主要有如下几方面的不足：

（1）  在测量基线系统中，觇标标牌通过2个铆钉（25）固定在卡套于横杆的梯形架（21）上，无法自由旋转，全站仪只能架设到标牌正后方。井下狭小的活动空间使全站仪架设位置受限，有时甚至导致部分区域无法测量；同时测量时由于所需空间大，也容易影响周围车辆过往，对正常生产造成影响，见附图6。

（2）  前后立杆每根高度均只有4.5m，其自带的卡尺升降器属于刚性升降系统，尺距固定，不能做微量调整，巷道断面超过4.5m时（例如从4.0m增高至4.8m），立杆有时不能与巷道顶板（7）紧密接触，需要外加垫片来补充高度完成测量，但实际工作量大且与顶板的接触效果不理想。

（3）  前立杆的固定托盘（5）防滑措施差，致使横杆左右摆动影响立杆稳定性，为CMS探测仪带来一定安全风险。

（4）  横杆由多个节点通过卡扣连接，运输过程中占用空间大，安装时需逐节通过卡扣组装到仪器，长期使用后因连接机构变形，易导致难于拆卸。

（5）      CMS探测仪架设机构复杂，架设过程耗时长且人员需求量大（至少4人）。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术缺陷之一，对CMS探测仪的测量辅助系统的支架系统和测量基线系统进行改造。

本发明提出一种CMS探测仪的测量辅助系统，其特征在于，所述测量辅助系统包括横杆（1）、前支架和后立杆（3），所述前支架包括四根支柱（11）围成的梯形体或锥形体的脚架，以及脚架顶部固定的U型槽（10）；所述U型槽底板上设置有倒扣于U型槽底板上的弧形杆或弧形槽（24），且所述弧形杆或弧形槽（24）轴线与所述U型槽（10）轴线垂直。

优选地，所述弧形杆或弧形槽（24）外表面设置有防滑层（13）。

优选地，所述弧形杆或弧形槽（24）为半圆形杆或半圆形槽。

优选地，所述前支架中两两支柱之间设置有支撑梁（12a、12b）。

优选地，所述支撑梁中其中两根对应的支撑梁各分为两节，节间采用铰链（14）连接，并安装有固定卡扣（15）。

优选地，所述U型槽与所述脚架顶部通过旋转连接机构进行可旋转连接。

优选地，所述后立杆（3）底部设置有微调升降器，所述微调升降器包括后立杆底托（16）以及后立杆底托（16）下部的千斤顶（17），所述后立杆底托（16）为底部封闭的筒状结构，筒状结构的内径大于后立杆（3）外径，千斤顶的升降杆与后立杆底托（16）的外底面中心固定连接。

优选地，在所述千斤顶（17）上设置有一个压力指示表（22）和一个过载泄压装置（23）；所述千斤顶底部焊接四个千斤顶支柱（18）。

优选地，所述支柱（11）和支撑梁（12）均采用白钢管制成；所述横杆（1）为伸缩式碳纤管杆。

优选地，所述测量辅助系统还包括觇标（9）和卡套于横杆上的梯形架（21），所述觇标（9）位于所述梯形架（21）上部，所述觇标（9）底座中心和所述梯形架（21）中心位置分别开设有对应的通孔，螺丝（20）穿过所述通孔并利用螺母（19）进行紧固。

采用本发明的CMS探测仪测量辅助系统至少具备以下有益效果：利用前支架为横杆提供前支撑点，既满足架设测量仪器的需要，又不与巷道顶板接触，减少顶板碎石坠落造成的安全隐患；前支架中U型槽内的独特设计，保证横杆无论是在水平方向还是倾斜方向，都可以稳固地与其中的弧形钢管外表面相切，避免支撑点不平衡导致设备损坏；采用微调升降器补偿后立杆与顶板之间的小间隙，无需采用外加垫片，不仅快捷方便，还可以充分保证后立杆的稳定性；同时通过压力指示表和过载泄压装置的设置，防止测量人员误操作，避免后立杆弯曲变形或支架系统失稳倾倒；此外，本发明的CMS探测仪测量辅助系统还通过测量基线系统的改进，使全站仪在井下受限空间的应用更为灵活、便捷，扩大了CMS探测仪在各种测量环境下的适用性。

附图说明

图1为现有技术中的CMS探测仪的测量辅助系统示意图。

图2为本发明中的CMS探测仪的测量辅助系统示意图。

图3为本发明中的横杆的结构示意图。

图4（a）为本发明中的前支架正视图；图4（b）为本发明中的前支架侧视图。

图5为本发明中的微调升降器的结构示意图。

图6为现有技术中的测量基线系统示意图。

图7（a）和7（b）为本发明中测量基线系统的正视图和剖面示意图。 

图8（a）和8（b）为实施例一中支撑梁上的的正视图和俯视图。

图9为实施例一中可旋转连接机构示意图。

附图标记：

（1）横杆；（2）压套；（3）后立杆；（4）巷道顶板；（5）托盘；（6）前立杆；（7）采场顶板；（8）CMS探测仪探头；（9）觇标；（10）U型槽；（11）支柱；（12）支撑梁；（13）防滑层；（14）铰链；（15）卡扣；（16）后立杆底托；（17）千斤顶；（18）千斤顶支柱；（19）螺母；（20）螺丝；（21）梯形架；（22）压力指示表；（23）过载泄压装置；（24）弧形槽；（25）铆钉；（26）转轴轴套；（27）转轴。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下面参考说明书附图描述根据本发明实施例的CMS探测仪的测量辅助系统。该CMS探测仪的测量辅助系统主要是对测量基线系统和支架系统进行改造，改造后的测量装置不仅架设省时省力，安全度高，也能够满足各种狭窄环境下的测量要求。

如图2所示，CMS探测仪的测量辅助系统的支架系统包括横杆（1）、前支架、后立杆（3）和微调升降器。

如图3所示，横杆用于承载CMS探测仪（8），可以将CMS探测仪（8）固定于横杆一端，并依托前支架和后立杆提供的前、后两个支撑点，将CMS探测仪（8）递送到采空区对采场进行探测。为了方便携带和安装，本发明利用伸缩式横杆，横杆采用高强度材料制作，要求内外壁光滑，伸缩节搭接长度大于100mm，单节长度大于2000mm，总长度大于9000mm。

如图4（a）和4（b）所示，前支架整体构造为梯形体，呈八字开放状。主要包括四根支柱（11）围成的梯形体或锥形体的脚架，以及脚架顶部固定的U型槽（10）。U型槽槽内底板上设置有弧形槽（24）（即圆管沿轴向方向切除一部分），弧形槽（24）倒扣于U型槽底板上（即弧形槽的轴向切面与U型槽底板重合），且弧形槽（24）轴线与U型槽轴线垂直。所述弧形槽（24）外表面为横杆提供前支撑点，利用其支撑和托举横杆（1）时，保证横杆（1）在水平方向时或是在前倾或后倾方向时，横杆都可以与弧形槽（24）外表面相切，避免在横杆倾斜情况下直接以U型槽（10）一端的边沿为支撑，造成支架的不稳定。如图4（a）所示， U型槽槽体宽度大于横杆直径，允许横杆做微量调整同时限制其调整范围，增加了设备的可控性。同时为了增强支撑横杆的弧形槽（24）与横杆（1）的摩擦力，弧形槽（24）外表面粘贴防滑层（13），如橡胶层。

前支架脚架中各个支柱（11）可以插入基岩面作为支撑，增强脚架的稳定性，两两支柱之间设置有支撑梁（12a、12b），进一步提高脚架的稳固性。

前支架总体高度（U型槽顶端至地面的垂直高度）在2m以下，既满足架设测量仪器的需要，又不与巷道顶板（4）接触，避免现有技术中前立杆紧密压迫巷道顶板，导致顶板碎石坠落造成的安全隐患。

后立杆（3）中部设置有压套（2），可以向下按压横杆后端，为横杆提供所述后支撑点。

所述微调升降器设置于后立杆（3）底部，由千斤顶（17）与后立杆底托（16）组成，后立杆底托（16）为底部封闭的筒状结构，筒状结构的内径大于后立杆（3）外径，以便插入后立杆（3），千斤顶位于后立杆底托（16）的下部，千斤顶的升降杆与后立杆底托（16）的底面中心焊接，如图5所示。该微调升降器是用于补偿后立杆与顶板之间的小间隙，无需采用外加垫片，不仅快捷方便，还可以充分保证后立杆的稳定性。

为了提高后立杆的稳定性，千斤顶底部焊接四个千斤顶支柱（18），架设仪器时千斤顶支柱（18）可以插至巷道底板基岩面，最大程度减小巷道底板碎石对支架系统稳固性的影响，以及对测量精度的影响。

同时，为了提高系统的安全性，在千斤顶（17）上还设置了一个压力指示表（22）及一个过载泄压装置（23）。当后立杆（3）顶住巷道顶板时油压随之上升，当达到设定的油压值时停止加载，说明此时立杆已牢固固定在顶、底板间；过载泄压装置的作用是防止由于测量人员误操作，致使后立杆承受千斤顶压力过大，导致后立杆弯曲变形，不仅影响其使用寿命，也可以避免由此导致支架系统失稳倾倒而损伤。

此外，本发明的测量辅助系统还在测量基线系统上进行了改进，如图6所示，在现有技术中，觇标下部通过2个铆钉（25）固定在卡套于横杆的梯形架（21）上，无法自由旋转，全站仪只能架设到标牌正后方，因此井下狭小的活动空间使全站仪的架设位置受限。

本发明的测量辅助系统将觇标由现有技术的固定模式改造为可360旋转模式，如图7(a)和7（b）所示，在卡套于横杆的梯形架（21）中心位置和觇标（9）底座中心开设对应的通孔，将螺丝（20）由下至上，即从梯形架底部穿过开设的上述两个通孔，另一端利用螺母（19）进行紧固。调整时只需调松螺母（19），将觇标旋转至合适的位置，再次紧固螺母。

全站仪可根据需要架设在最方便的位置，只需一次架设即可获得两个测点坐标，并提高测点的精确度，使其在井下受限空间的应用更为灵活、便捷，扩大了空区探测仪在各种测量环境下的适用性。

实施例一

本实施例中的横杆（1）采用高强度碳纤管制作，伸缩节搭接长度为110mm，节数为5，单节长度为2000mm，总长度为9560mm，即（5*2000-4*110）mm，单节的最大外径为200mm，最小外径是60mm。

前支架总体高度为2m；U型槽（10）槽宽为214mm,弧形槽（24）采用半圆形钢槽（即钢管沿轴向方向切除一半，弧度为180°），外径Φ40mm ；半圆形钢槽外表面覆盖的防滑层（13）采用表面具有条纹纹路的防滑型橡胶皮；脚架的支柱以及支柱间的支撑梁都采用白钢管制成，白钢管外径Φ10mm，壁厚2mm，利于系统在潮湿环境下矿山的使用。

如图8（a）、8（b）所示，四根支撑梁中较长的两根（12a）各分为两节，节间采用铰链（14）连接，并安装有固定卡扣（15），形成折叠式构造，使前支架的脚架可以开合，使用时将铰链（14）打开至180°，使两节支撑梁共轴，并配合使用卡扣（15）固定。利用该结构设置可以极大方便辅助系统的运输、安装和拆卸，提高工作效率。

如图9所示，为了不影响前支架的开合，U型槽与脚架顶部的固定方式为可旋转连接方式，并通过旋转连接机构实现该可旋转连接，本实施例中的旋转连接机构包括转轴套筒（26）和转轴（27）：U型槽底部外边缘焊接两根平行于U型槽轴线的钢管作为转轴套筒（26），钢管内径11mm，在两根钢管中分别插入一根钢棒作为转轴（27），钢棒外径为10mm，且钢棒两端分别露出钢管10mm，将脚架顶端焊接在钢棒的两端。

后立杆（3）可采用碳纤塑料制成，外径Φ78mm；微调升降器中的后立杆底托（16）是由底部被钢板封闭的白钢管制成，该白钢管内径Φ80mm，壁厚3mm，长度110m；微调升降器中千斤顶（17）的升降杆焊接在钢管封闭钢板的正中心，千斤顶（17）起重重量大于2吨，最大升起高度80mm，调整高度50mm。千斤顶底部焊接的千斤顶支柱（18）为短钢筋，采用Φ10mm的螺纹钢，长度30mm，呈外八字形分别焊接在千斤顶底部的四角。

在梯形架（21）中心位置和觇标（9）底座中心开设对应的通孔，将螺丝（20）由下至上穿过上述对应的通孔，另一端利用翼形螺母进行紧固。梯形架和觇标底座的通孔之间设置有垫片，方便觇标自由旋转。

变型实施例

本实施例其它技术特征与实施例一相同，其半圆形钢槽利用其它弧度的弧形槽代替，弧形槽弧度为160°，弧形槽同样倒扣于U型槽底板上，且弧形槽轴线与U型槽轴线垂直；弧形槽采用白钢材质。U型槽与前支架的脚架顶部之间的旋转连接机构为铰链。

进一步地，可以采用半圆形杆或其它弧度的弧形杆（即实心圆杆沿轴向方向切除一半或一部分）代替上述弧形槽，为横杆提供前支撑点。

本发明中CMS探测仪测量辅助系统的使用方法如下：

1)      使用CMS探测仪的测量辅助系统工作时,首先在距离采场门线1.5m以外选择顶板安全稳固的最佳位置，清理地面大石块和碎石；

2)      将前支架放在清理后的地面上，调正支架，使U型槽对准采场中心线；

3)      在距离前支架后方2m处选择后立杆位置，前支架和后立杆连线方向指向采场中心，为防止后立杆打滑，选择后立杆位置时需选择顶板平整处；

4)      组装后立杆并测量后立杆高度；

5)      将后立杆插入微调升降器的后立杆底托中，将后立杆顶部对准巷道顶板（4），缓慢水平移动微调升降器使后立杆垂直地面；

6)      启动微调升降器，使后立杆紧密接触顶板；

7)      将横杆（1）前端放于前支架中弧形槽（24）所提供的前支撑点上，并将横杆（1）后端放于后立杆中压套（2）提供的后支撑点下，形成前托后压的支撑方式，同时在横杆前端安装好CMS探测仪探头（8），拉伸横杆（1）向采场内侧移动，移动到合适位置将觇标通过梯形架（21）安装于横杆（1）上。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。