CN108397213A - 沿空留巷3d打印巷旁墙体机器人及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沿空留巷3D打印巷旁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、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、储料系统及支护系统，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。本发明实现了沿空留巷3D打印巷旁墙体，无需模板，打印机器人可自行走，提高了井下混凝土作业机械化程度，提高了施工速度，适用于煤矿、冶金矿山、地下工程和隧道工程等领域。

Description

沿空留巷3D打印巷旁墙体机器人及施工方法

技术领域

本发明属于煤矿机械及无煤柱开采技术领域，具体涉及一种沿空留巷3D打印巷旁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掘巷无煤柱开采。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。沿空留巷最常用的方式是浇筑巷旁充填体，充填体采用模板，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留巷浇筑巷旁混凝土墙的施工机械化水平，节省模板，提高混凝土施工速度，提高安全水平，需要研发一种沿空留巷3D打印巷旁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留巷提供无需模板、提高巷旁混凝土墙体施工机械化程度与施工速度、减少采空区侧作业人员、具有行走功能的沿空留巷3D打印巷旁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：

沿空留巷3D打印巷旁墙体机器人，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、支护系统，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；

支护系统包括2-3组立柱及2-3根平行布置的走向梁，每组立柱2根，立柱底部与平板平台连接，走向梁两端分别与每组立柱顶部连接。

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。

沿空留巷3D打印巷旁墙体机器人的施工方法，包括如下步骤：

1)安装设备：回采工作面超前顺槽内的干料输送设备及输送管安装到位，3D打印巷旁墙体机器人置于端头支架后方的沿空留巷内；

2)采煤工作面割煤回采；

3)边回采边在顺槽端头支架后方采空区侧采用钢板、木点柱、金属网进行挡矸，避免采空区矸石串入沿空留巷，同时沿空留巷内采用单体配合π型梁进行临时支护；

4)按1)和2)的步骤回采一定段长后，3D打印巷旁墙体机器人移动到待打印墙体一侧附近就位；

5)3D打印巷旁墙体机器人打印墙体：三维直角坐标打印机通过内置程序控制喷嘴运行轨迹，逐层打印形成巷旁墙体，待墙体接近顶时，喷嘴水平旋转90度，喷嘴伸入待接顶墙体与顶板之间的空隙，从采空区往巷内方向，打印待接顶墙体与顶板之间的空隙，形成接顶的巷旁墙体；

6)在进行步骤5)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；

7)重复步骤2)至6)，完成整个回采工作面巷旁墙体的3D打印，形成沿空留巷；

8)待沿空留巷稳定后，拆除临时支护的单体。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明提供的沿空留巷3D打印巷旁墙体机器人及施工方法，为井下沿空留巷巷旁墙体施工提供了一种新方法，具有无需模板、自行走、临时支护、提高机械化程度及施工速度等特点。本发明可广泛应用于煤矿、冶金矿山、地下工程、隧道工程和国防工程等领域。

附图说明

图1是本发明沿空留巷3D打印巷旁墙体机器人主视图；

图2是本发明沿空留巷3D打印巷旁墙体机器人平面图；

图3是本发明沿空留巷3D打印巷旁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-混凝土输送软管；16-墙体；17-立柱；18-走向梁；19-端头支架；20-沿空留巷；21-采空区；22-钢板；23-木点柱；24-金属网；25-单体；26-π型梁。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做出进一步的说明。

如图1至图3所示，本发明提供的沿空留巷3D打印巷旁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、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、支护系统，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，液压行走系统由旋转履带底盘1、平板平台2、液压系统3、刹车系统、操作系统4组成，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；储料系统由储料箱5、升降油缸组成6，储料箱5一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控制储料箱5的倾斜角度；搅拌挤料系统由搅拌机7、螺旋挤出机8组成，搅拌机7置于螺旋挤出机8上方，搅拌机7下部开口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连接；三维直角打印机由X向梁9、Y向梁10、Z向梁11、驱动电机、传动带、导轨、滑块12组成，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，驱动电机的转动带动传动带运动，传动带带动导轨上的滑块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夹持喷嘴14，喷嘴14与混凝土输送软管15连接，混凝土输送软管15另一端与螺旋挤出机8的出料口连接。

支护系统由3组立柱17及3根平行布置的走向梁18组成，每组立柱2根，立柱17底部与平板平台2连接，走向梁18两端分别与每组立柱17顶部连接。

所述的储料仓5出料口设置计量螺旋，用于控制混凝土的出料量。

所述的螺旋挤出机8为单螺旋或双螺旋。

所述的喷嘴夹持器13与Y向梁10铰接，可水平旋转90°。

所述的旋转履带底盘1或可为轮式底盘。

所述的沿空留巷3D打印巷旁墙体机器人的施工方法如下：

1)安装设备：回采工作面超前顺槽内的干料输送设备及输送管安装到位，3D打印巷旁墙体机器人置于端头支架19后方的沿空留巷20内；

2)采煤工作面割煤回采；

3)边回采边在顺槽端头支架19后方采空区21侧采用钢板22、木点柱23、金属网24进行挡矸，避免采空区21矸石串入沿空留巷20，同时沿空留巷20内采用单体25配合π型梁26进行临时支护；

4)按1)和2)的步骤回采15m后，3D打印巷旁墙体机器人移动到待打印墙体16一侧附近就位；

5)3D打印巷旁墙体机器人打印墙体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，逐层打印形成巷旁墙体16，待墙体16接近顶时，喷嘴14水平旋转90度，喷嘴14伸入待接顶墙体16与顶板之间的空隙，从采空区往巷内方向，打印待接顶墙体16与顶板之间的空隙，形成接顶的巷旁墙体16；

6)在进行步骤5)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；

7)重复步骤2)至6)，完成整个回采工作面巷旁墙体16的3D打印，形成沿空留巷20。

8)待沿空留巷20稳定后，拆除临时支护单体25。

综上所述，本发明提供的沿空留巷3D打印巷旁墙体机器人及施工方法，沿空留巷巷旁施工混凝土墙体无需模板，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.沿空留巷3D打印巷旁墙体机器人，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、支护系统，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；

支护系统包括2-3组立柱(17)及2-3根平行布置的走向梁(18)，每组立柱2根，立柱(17)底部与平板平台(2)连接，走向梁(18)两端分别与每组立柱(17)顶部连接。

2.沿空留巷3D打印巷旁墙体机器人及施工方法，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.沿空留巷3D打印巷旁墙体机器人及施工方法，其特征在于，螺旋挤出机(8)为单螺旋或双螺旋。

4.沿空留巷3D打印巷旁墙体机器人及施工方法，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.沿空留巷3D打印巷旁墙体机器人及施工方法，其特征在于，旋转履带底盘(1)能够替换为轮式底盘。

6.权利要求1所述的沿空留巷3D打印巷旁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：回采工作面超前顺槽内的干料输送设备及输送管安装到位，3D打印巷旁墙体机器人置于端头支架(19)后方的沿空留巷(20)内；

2)采煤工作面割煤回采；

3)边回采边在顺槽端头支架(19)后方采空区(21)侧采用钢板(22)、木点柱(23)、金属网(24)进行挡矸，避免采空区(21)矸石串入沿空留巷(20)，同时沿空留巷(20)内采用单体(25)配合π型梁(26)进行临时支护；

4)按1)和2)的步骤回采一定段长后，3D打印巷旁墙体机器人移动到待打印墙体(16)一侧附近就位；

5)3D打印巷旁墙体机器人打印墙体(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，逐层打印形成巷旁墙体(16)，待墙体(16)接近顶时，喷嘴(14)水平旋转90度，喷嘴(14)伸入待接顶墙体(16)与顶板之间的空隙，从采空区往巷内方向，打印待接顶墙体(16)与顶板之间的空隙，形成接顶的巷旁墙体(16)；

6)在进行步骤5)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；

7)重复步骤2)至6)，完成整个回采工作面巷旁墙体(16)的3D打印，形成沿空留巷(20)；

8)待沿空留巷(20)稳定后，拆除临时支护的单体(25)。