一种地下空洞智能化充填方法

• 摘要：

  本发明公开了一种地下空洞智能化充填方法,包括充填准备、地下空洞内腔扫描、充填数据建模、3D打印充填等步骤.在探测机器人单元完成对地下空洞的扫描后构建地下空洞三维空间模型,集中电控单元的中央控制计算机对其外部进行施加应力场计算分析,并以地下空洞三维空间模型为基础、根据施加应力场计算分析结果和输入的安全系数依次对其内部表面的应力集中点位置构建支护模型生成空间三维支护模型,并生成3D打印路径和打印基准坐标,然后3D打印机器人单元在地下空洞内部3D打印空间三维支护实体,可以实现可控的支护质量和可控的充填量、较高的充填效率和较高的安全性,甚至可以实现空间再利用,特别适用于地下空洞的充填治理作业.

• 专利类型：

  发明专利

• 申请/专利号：

  CN201810403685.2

• 申请日期：

  2018.04.28

• 公开/公告号：

  CN108772937A

• 公开/公告日：

  2018-11-09

• 发明人：

  马占国 龚鹏 唐军华 张亮 韩卓鹏 刘飞 王强 张帆 马云靖 成世兴

• 申请人：

  中国矿业大学

• 主分类号：

  B28B1/00(2006.01)I,B,B28,B28B,B28B1

• 分类号：

  B28B1/00(2006.01)I,B29C64/141(2017.01)I,B29C64/393(2017.01)I,B33Y10/00(2015.01)I,B33Y30/00(2015.01)I,B33Y50/02(2015.01)I,B,B28,B29,B33,B28B,B29C,B33Y,B28B1,B29C64,B33Y10,B33Y30,B33Y50,B28B1/00,B29C64/141,B29C64/393,B33Y10/00,B33Y30/00,B33Y50/02

• 主权项：

  1.一种地下空洞智能化充填方法,所使用的地下空洞智能化充填系统包括探测机器人单元(1)、3D打印机器人单元(2)和集中电控单元(3);所述的探测机器人单元(1)包括全地形行走底盘、探测机械臂(11)和车载电控装置(12);全地形行走底盘设置在探测机器人单元(1)的底部,全地形行走底盘包括电控驱动机构和转向控制机构;探测机械臂(11)的底端安装在全地形行走底盘上,探测机械臂(11)的顶端设有探测装置,探测装置包括探测头(13),探测头(13)包括距离传感器、扫描仪、陀螺仪、探测头角度定位控制驱动,探测头角度定位控制驱动至少包括沿左右水平方向为中轴线旋转移动的A坐标旋转驱动机构和沿前后水平方向为中轴线旋转移动的B坐标旋转驱动机构;车载电控装置(12)固定安装在全地形行走底盘上,车载电控装置(12)包括工业控制计算机、探测机器人行走控制回路、探测头探测角度控制回路,工业控制计算机分别与全地形行走底盘的电控驱动机构和转向控制机构电连接,工业控制计算机与探测头(13)的探测头角度定位控制驱动电连接;所述的3D打印机器人单元(2)包括全地形行走底盘、打印机械臂(21)、打印材料输入装置(22)和打印电控装置(23);全地形行走底盘设置在3D打印机器人单元(2)的底部,全地形行走底盘包括电控驱动机构和转向控制机构;打印机械臂(21)安装在全地形行走底盘上,打印机械臂(21)包括打印机械臂驱动,打印机械臂驱动至少包括控制打印机械臂左右水平方向移动的X坐标驱动机构、控制打印机械臂前后水平方向移动的Y坐标驱动机构、控制打印机械臂竖直方向移动的Z坐标驱动机构,打印机械臂(21)的末节上设有3D打印装置,3D打印装置包括3D打印喷头(24);打印材料输入装置(22)包括打印材料泵入机构,打印材料泵入机构的输入端与打印材料供给子单元连接,打印材料供给子单元供应打印材料,打印材料泵入机构的输出端与3D打印喷头(24)通过打印材料输出管路连接;打印电控装置(23)固定安装在全地形行走底盘上,打印电控装置(23)包括工业控制计算机、3D打印机器人行走控制回路、3D打印喷头位置控制回路、打印材料泵入机构控制回路,工业控制计算机分别与全地形行走底盘的电控驱动机构和转向控制机构电连接,工业控制计算机分别与打印机械臂驱动、打印材料泵入机构电连接;所述的集中电控单元(3)包括中央控制计算机、探测控制回路、数据建模回路、探测机器人位置反馈修正回路、3D打印控制回路,中央控制计算机分别与探测头(13)的距离传感器、扫描仪、陀螺仪电连接,中央控制计算机分别与车载电控装置(12)的工业控制计算机和打印电控装置(23)的工业控制计算机电连接;其特征在于,充填方法具体包括以下步骤:a.充填准备:通过地质雷达探测地下空洞的大概位置后,在保证掘进贯通点附近的原始岩层的支护强度较大的前提下选择合适的掘进贯通点,通过掘进机经掘进贯通点掘进出与地下空洞贯通的巷道并对该巷道进行有效支护,然后将探测机器人单元(1)和3D打印机器人单元(2)置于与地下空洞连通的巷道内;b.地下空洞内腔扫描:集中电控单元(3)控制探测控制回路、探测机器人位置反馈修正回路、数据建模回路开始工作,中央控制计算机发出指令使车载电控装置(12)的工业控制计算机控制探测机器人单元(1)向地下空洞内部步进并对地下空洞的内腔进行扫描后坐标回退至初始位置,中央控制计算机将平面扫描数据进行同一基准的拟合并三维建模后生成地下空洞三维空间模型,然后进行存储;c.充填数据建模:中央控制计算机根据输入的地下空洞外围环境地质数据对地下空洞三维空间模型的外部进行施加应力计算分析,并对地下空洞三维空间模型的稳定性、应力、位移、裂隙、渗透性、声特性、光特性、电特性、磁特性和结构特性参数的演化过程进行计算分析,并以地下空洞三维空间模型为基础、根据施加应力场计算分析结果和输入的安全系数依次对地下空洞三维空间模型内部表面的应力集中点位置构建支护模型生成地下空洞空间三维支护模型并存储坐标位置信息,然后中央控制计算机进行3D打印路径规划和打印基准坐标规划,并存储3D打印路径和打印基准坐标;d.3D打印充填:3D打印控制回路开始工作,中央控制计算机发出指令使打印电控装置(23)的3D打印机器人行走控制回路开始工作,打印电控装置(23)的工业控制计算机根据3D打印路径控制3D打印机器人单元(2)的全地形行走底盘的电控驱动机构和转向控制机构动作使3D打印机器人单元(2)坐标移动至地下空洞内部对应空间三维支护模型坐标位置的设定位置,然后3D打印喷头位置控制回路开始工作,打印电控装置(23)的工业控制计算机根据3D打印路径控制打印机械臂(21)的打印机械臂驱动动作使3D打印喷头(24)坐标移动至打印基准坐标位置,打印材料泵入机构控制回路开始工作,打印电控装置(23)的工业控制计算机控制打印材料输入装置(22)的打印材料泵入机构动作使泵出的打印材料经3D打印喷头(24)输出,然后打印电控装置(23)的工业控制计算机控制打印机械臂(21)的打印机械臂驱动动作使3D打印喷头(24)根据3D打印路径坐标移动进行3D打印,至3D打印路径终点时完成地下空洞空间三维支护模型的实体打印,3D打印机器人单元(2)回退至初始位置.