CN108374675A - 沿空掘巷3d打印顺槽墙体机器人及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种沿空掘巷3D打印顺槽墙体机器人及施工方法，包括液压行走系统、储料系统、搅拌挤料系统、三维直角打印机、喷嘴及控制系统等，液压行走系统的上方依次为搅拌挤料系统、储料系统，三维直角打印机位于液压行走系统一侧，由控制系统控制搅拌挤料系统搅拌挤送混凝土，同时控制三维直角打印机及喷嘴打印混凝土三维体。顺槽打印完成后，下个工作面顺槽沿墙体掘进形成沿空掘巷。本发明实现了沿空掘巷3D打印顺槽墙体，无需模板，3D打印机器人可自行走，提高了井下混凝土作业机械化程度及施工速度，适用于煤矿、冶金矿山、地下工程和隧道工程等领域。
Description
技术领域
本发明属于煤矿机械及无煤柱开采技术领域，具体涉及一种沿空掘巷3D打印顺槽墙体机器人及施工方法。
背景技术
无煤柱开采是绿色开采的重要研究方向。无煤柱开采包括沿空留巷无煤柱开采和沿空留巷无煤柱开采。沿空留巷可以为每个工作面节省一条顺槽、回收煤柱、缓解采掘紧张关系，同时可以实现Y型通风解决上隅角瓦斯超限难题，对煤矿扭亏为盈、提质增效、安全高效生产具有重要意义。由于沿空留巷承受两次采动影响，巷道不易保留，难度较大。沿空掘巷承受一次采动影响，巷道压力及变形较小，容易维护，因而使用较多。小煤柱沿空掘巷是在工作面回采采空区矸石冒落压实后，滞后工作面一定距离，保留窄小煤柱进行掘巷。但小煤柱掘巷窄小煤柱易压碎，导致巷道变形大及易漏风，维护成本高。目前有采用模板浇筑顺槽墙体，然后沿墙体掘巷的技术。墙体浇筑时采用模板，模板需要支模、拆模，易漏浆，施工速度慢，工人劳动强度大。
3D打印，即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统以及其他领域都有所应用。目前，3D打印混凝土已经用于地面建房，此混凝土与普通混凝土的材料配比不同，其中添加了改性水泥及外加剂。
为了进一步提高沿空掘巷浇筑顺槽墙体的施工机械化水平，节省模板，提高施工速度，需要研发一种沿空掘巷3D打印顺槽墙体机器人及施工方法。
发明内容
本发明的目的是为煤矿井下沿空掘巷提供无需模板、提高顺槽墙体施工机械化程度与施工速度、具有行走功能的沿空掘巷3D打印顺槽墙体机器人及施工方法。
本发明采用如下技术方案来实现的：
沿空掘巷3D打印顺槽墙体机器人，包括液压行走系统、储料系统、搅拌挤料系统、三维直角打印机、喷嘴夹持器、喷嘴、支护系统及控制系统，液压行走系统的上方依次为搅拌挤料系统、储料系统、三维直角打印机位于液压行走系统一侧，由控制系统控制搅拌挤料系统搅拌挤送混凝土，同时控制三维直角打印机及喷嘴打印混凝土三维体；其中，
液压行走系统包括旋转履带底盘、平板平台、液压系统、刹车系统和操作系统，平板平台置于旋转履带底盘之上，液压系统用于为液压行走系统、储料系统和搅拌挤料系统提供动力，操作系统用于控制液压行走系统的动作，刹车系统用于为液压行走系统制动；
储料系统包括储料箱和升降油缸，储料箱底部的一端与液压行走系统上的平板平台上的支腿铰接，另一端与升降油缸铰接，升降油缸的缸套底端与平板平台连接，升降油缸用于控制储料箱的倾斜角度；
搅拌挤料系统包括搅拌机和螺旋挤出机，搅拌机置于螺旋挤出机上方，搅拌机出料口与螺旋挤出机入料口连接，螺旋挤出机出料口与混凝土输送软管的一端连接；
三维直角打印机包括X向梁、Y向梁、Z向梁、驱动电机、传动带、导轨和滑块，导轨布置在X向梁、Y向梁及Z向梁上，Z向梁与平板平台连接，X向梁一端与Z向梁通过滑块滑移连接，Y向梁两端与两根X向梁通过滑块滑移连接，驱动电机的转动能够带动传动带运动，传动带能够带动导轨上的滑块运动；
喷嘴夹持器与Y向梁通过滑块滑移连接，喷嘴夹持器用于夹持喷嘴，喷嘴与混凝土输送软管的另一端连接。
本发明进一步的改进在于，储料仓出料口处设置有计量螺旋，用于控制混凝土的出料量。
本发明进一步的改进在于，螺旋挤出机为单螺旋或双螺旋。
本发明进一步的改进在于，喷嘴夹持器与Y向梁铰接，且能够水平旋转90°。
本发明进一步的改进在于，旋转履带底盘能够替换为轮式底盘。
沿空掘巷3D打印顺槽墙体机器人的施工方法，包括如下步骤：
1)安装设备：回采工作面超前100-500m的顺槽内的依次安装干料输送设备、输送管及3D打印顺槽墙体机器人；
2)采煤工作面割煤回采，移动工作面的液压支架；
3)3D打印顺槽墙体机器人移动到待打印顺槽墙体一侧就位，顺槽墙体贴近顺槽副帮布置；
4)3D打印顺槽墙体机器人打印顺槽墙体：三维直角坐标打印机通过内置程序控制喷嘴运行轨迹，逐层打印形成顺槽墙体，待顺槽墙体接近顶时，喷嘴水平旋转90度，喷嘴伸入待接顶顺槽墙体与顶板之间的空隙，从副帮往巷内方向，打印待接顶顺槽墙体与顶板之间的空隙，形成接顶的顺槽墙体；
5)在进行步骤4)时，储料箱的打印干料用完后，通过干料输送设备经由输送管将干料输入储料箱内，保证储料箱中有干料；
6)重复步骤2)至5)，完成整个顺槽墙体)的3D打印，形成贴顺槽副帮的一道连续顺槽墙体；
8)待本工作面回采且采空区矸石冒落压实后，滞后本工作面设定距离紧贴上述3D打印的顺槽墙体掘进下工作面的一条顺槽，这条顺槽即为沿空掘巷。
本发明具有如下有益的技术效果：
本发明提供的沿空掘巷3D打印顺槽墙体机器人及施工方法，为井下沿空掘巷顺槽墙体施工提供了一种新思路，具有无需模板、自行走、提高机械化程度及施工速度等特点。
附图说明
图1是本发明沿空掘巷3D打印顺槽墙体机器人主视图；
图2是本发明沿空掘巷3D打印顺槽墙体机器人平面图；
图3是本发明沿空掘巷3D打印顺槽墙体机器人施工平面图。
图中：1-旋转式履带底盘；2-平板平台；3-液压系统；4-操作系统；5-储料箱；6-升降油缸；7-搅拌机；7-1-搅拌机出料口；8-螺旋挤出机；8-1-螺旋挤挤出机入料口；8-2-螺旋挤挤出机出料口；9-X向梁；10-Y向梁；11-Z向梁；12-滑块；13-喷嘴夹持器；14-喷嘴；15-输送软管；16-顺槽墙体；17-液压支架；18-顺槽；19-采空区；20-本工作面；21-下工作面；22-沿空掘巷。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做出进一步的说明。
如图1至图3所示，本发明提供的沿空掘巷3D打印顺槽墙体机器人，包括液压行走系统、储料系统、搅拌挤料系统、三维直角打印机、喷嘴夹持器13、喷嘴14、支护系统及控制系统，液压行走系统的上方依次为搅拌挤料系统、储料系统、三维直角打印机位于液压行走系统一侧，由控制系统控制搅拌挤料系统搅拌挤送混凝土，同时控制三维直角打印机及喷嘴打印混凝土三维体；其中，液压行走系统包括旋转履带底盘1、平板平台2、液压系统3、刹车系统和操作系统4，平板平台2置于旋转履带底盘之上1，液压系统3用于为液压行走系统、储料系统和搅拌挤料系统提供动力，操作系统用于控制液压行走系统的动作，刹车系统用于为液压行走系统制动；储料系统包括储料箱5和升降油缸6，储料箱5底部的一端与液压行走系统上的平板平台2上的支腿铰接，另一端与升降油缸6铰接，升降油缸6的缸套底端与平板平台2连接，升降油缸6用于控制储料箱5的倾斜角度；
搅拌挤料系统包括搅拌机7和螺旋挤出机8，搅拌机7置于螺旋挤出机8上方，搅拌机出料口7-1与螺旋挤出机入料口8-1连接，螺旋挤出机出料口8-2与混凝土输送软管15的一端连接；三维直角打印机包括X向梁9、Y向梁10、Z向梁11、驱动电机、传动带、导轨和滑块12，导轨布置在X向梁9、Y向梁10及Z向梁11上，Z向梁11与平板平台2连接，X向梁9一端与Z向梁11通过滑块12滑移连接，Y向梁10两端与两根X向梁9通过滑块12滑移连接，驱动电机的转动能够带动传动带运动，传动带能够带动导轨上的滑块12运动；喷嘴夹持器13与Y向梁10通过滑块12滑移连接，喷嘴夹持器13用于夹持喷嘴14，喷嘴14与混凝土输送软管15的另一端连接。
其中，储料仓5出料口处设置有计量螺旋，用于控制混凝土的出料量。螺旋挤出机8为单螺旋或双螺旋。喷嘴夹持器13与Y向梁10铰接，且能够水平旋转90°。此外，旋转履带底盘1能够替换为轮式底盘。
工作时，首先通过储料箱5下部出料口的计量螺旋控制出料，干料漏到搅拌机7后，加水搅拌，然后，搅拌好的混凝土湿料进入螺旋挤出机8的螺旋挤出机入料口8-1，通过螺旋的旋转挤出混凝土，经由混凝土输送软管15到达喷嘴14，在控制系统默认的移动轨迹下，挤出混凝土逐层打印混凝土墙体16，待混凝土墙体16接近顶时，水平旋转喷嘴90°，喷填打印混凝土墙体16与顶部的空间，形成能够接顶的混凝土墙体16。此外，通过管道输送干料至储料箱5。
本发明提供的沿空掘巷3D打印顺槽墙体机器人的施工方法，包括如下步骤：
1)安装设备：回采工作面超前100-500m的顺槽18内的依次安装干料输送设备、输送管及3D打印顺槽墙体机器人；
2)采煤工作面割煤回采，移动工作面的液压支架17；
3)3D打印顺槽墙体机器人移动到待打印顺槽墙体16一侧就位，顺槽墙体16贴近顺槽18副帮布置；
4)3D打印顺槽墙体机器人打印顺槽墙体16：三维直角坐标打印机通过内置程序控制喷嘴14运行轨迹，逐层打印形成顺槽墙体16，待顺槽墙体16接近顶时，喷嘴14水平旋转90度，喷嘴14伸入待接顶顺槽墙体16与顶板之间的空隙，从副帮往巷内方向，打印待接顶顺槽墙体16与顶板之间的空隙，形成接顶的顺槽墙体16；
5)在进行步骤4时，储料箱5的打印干料用完后，通过干料输送设备经由输送管将干料输入储料箱5内，保证储料箱5中有干料；
6)重复步骤2)至5)，完成整个顺槽墙体16的3D打印，形成贴顺槽18副帮的一道连续顺槽墙体16；
8)待本工作面20回采且采空区19矸石冒落压实后，滞后本工作面20设定距离紧贴上述3D打印的顺槽墙体16掘进下工作面21的一条顺槽，这条顺槽即为沿空掘巷22。
综上所述，本发明提供的沿空掘巷3D打印顺槽墙体机器人及施工方法，沿空掘巷时施工顺槽墙体无需模板，提高了混凝土施工机械化程度及施工速度，适用于煤矿、冶金矿山、地下工程、隧道工程等领域。
Claims (6)
1.沿空掘巷3D打印顺槽墙体机器人，其特征在于，包括液压行走系统、储料系统、搅拌挤料系统、三维直角打印机、喷嘴夹持器(13)、喷嘴(14)、支护系统及控制系统，液压行走系统的上方依次为搅拌挤料系统、储料系统、三维直角打印机位于液压行走系统一侧，由控制系统控制搅拌挤料系统搅拌挤送混凝土，同时控制三维直角打印机及喷嘴打印混凝土三维体；其中，
液压行走系统包括旋转履带底盘(1)、平板平台(2)、液压系统(3)、刹车系统和操作系统(4)，平板平台(2)置于旋转履带底盘之上(1)，液压系统(3)用于为液压行走系统、储料系统和搅拌挤料系统提供动力，操作系统用于控制液压行走系统的动作，刹车系统用于为液压行走系统制动；
储料系统包括储料箱(5)和升降油缸(6)，储料箱(5)底部的一端与液压行走系统上的平板平台(2)上的支腿铰接，另一端与升降油缸(6)铰接，升降油缸(6)的缸套底端与平板平台(2)连接，升降油缸(6)用于控制储料箱(5)的倾斜角度；
搅拌挤料系统包括搅拌机(7)和螺旋挤出机(8)，搅拌机(7)置于螺旋挤出机(8)上方，搅拌机出料口(7-1)与螺旋挤出机入料口(8-1)连接，螺旋挤出机出料口(8-2)与混凝土输送软管(15)的一端连接；
三维直角打印机包括X向梁(9)、Y向梁(10)、Z向梁(11)、驱动电机、传动带、导轨和滑块(12)，导轨布置在X向梁(9)、Y向梁(10)及Z向梁(11)上，Z向梁(11)与平板平台(2)连接，X向梁(9)一端与Z向梁(11)通过滑块(12)滑移连接，Y向梁(10)两端与两根X向梁(9)通过滑块(12)滑移连接，驱动电机的转动能够带动传动带运动，传动带能够带动导轨上的滑块(12)运动；
喷嘴夹持器(13)与Y向梁(10)通过滑块(12)滑移连接，喷嘴夹持器(13)用于夹持喷嘴(14)，喷嘴(14)与混凝土输送软管(15)的另一端连接。
2.沿空掘巷3D打印顺槽墙体机器人，其特征在于，储料仓(5)出料口处设置有计量螺旋，用于控制混凝土的出料量。
3.沿空掘巷3D打印顺槽墙体机器人，其特征在于，螺旋挤出机(8)为单螺旋或双螺旋。
4.沿空掘巷3D打印顺槽墙体机器人，其特征在于，喷嘴夹持器(13)与Y向梁(10)铰接，且能够水平旋转90°。
5.沿空掘巷3D打印顺槽墙体机器人，其特征在于，旋转履带底盘(1)能够替换为轮式底盘。
6.根据权利要求1所述的沿空掘巷3D打印顺槽墙体机器人的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)安装设备：回采工作面超前100-500m的顺槽(18)内的依次安装干料输送设备、输送管及3D打印顺槽墙体机器人；
2)采煤工作面割煤回采，移动工作面的液压支架(17)；
3)3D打印顺槽墙体机器人移动到待打印顺槽墙体(16)一侧就位，顺槽墙体(16)贴近顺槽(18)副帮布置；
4)3D打印顺槽墙体机器人打印顺槽墙体(16)：三维直角坐标打印机通过内置程序控制喷嘴(14)运行轨迹，逐层打印形成顺槽墙体(16)，待顺槽墙体(16)接近顶时，喷嘴(14)水平旋转90度，喷嘴(14)伸入待接顶顺槽墙体(16)与顶板之间的空隙，从副帮往巷内方向，打印待接顶顺槽墙体(16)与顶板之间的空隙，形成接顶的顺槽墙体(16)；
5)在进行步骤4)时，储料箱(5)的打印干料用完后，通过干料输送设备经由输送管将干料输入储料箱(5)内，保证储料箱(5)中有干料；
6)重复步骤2)至5)，完成整个顺槽墙体(16)的3D打印，形成贴顺槽(18)副帮的一道连续顺槽墙体(16)；
8)待本工作面(20)回采且采空区(19)矸石冒落压实后，滞后本工作面(20)设定距离紧贴上述3D打印的顺槽墙体(16)掘进下工作面(21)的一条顺槽，这条顺槽即为沿空掘巷(22)。
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