CN115434711B - 岩爆智能监测及主动防治机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种岩爆智能监测及主动防治机器人，包括行走系统和设置于所述行走系统上的岩爆智能监测系统、岩爆主动防治系统、机器人自防系统和控制系统，所述岩爆主动防治系统包括喷淋机构、钻进‑注浆机构和柔性防护网机构；本发明具有自动行驶、远程操控，主动监测和防控、处治岩爆的功能，可在岩爆高危区替代现场人员对岩爆进行监测及防控处治。
Description
技术领域
本发明涉及隧道及地下空间工程、工程防灾减灾技术领域，特别是一种岩爆智能监测及主动防治机器人。
背景技术
在大埋深及高应力硬岩水利水电、交通和矿山等隧道开挖过程中受高应力影响，隧道将产生岩爆破坏，对现场施工人员和设备造成极大的危害。岩爆问题已经成为制约深部岩石工程安全和进步的关键问题之一。目前，针对高地应力硬岩隧道，防治岩爆常用的方法是提高岩体的储能能力或吸收围岩释放的能量，对强岩爆基于爆破卸压地应力快速释放、通过对围岩进行支护来达到预防岩爆的目的。主要采用的结构形式以吸能支护、柔性支护、刚性支护或二者结合的方式为主。目前，实际工程中无论是改善围岩条件或者地应力快速释放的施工措施，还是支护措施，均是在高危环境下由人工完成，给人、设备均造成了巨大的安全威胁。
针对高地应力环境下的水工、交通和矿山等地下工程，特别针对穿越板块活动带、横断山脉等造山带的川藏铁路、滇藏铁路等高地应力、极高地应力隧道，发明一种岩爆隧道智能监测及主动防治机器人，进而实现自动行驶、远程操控，岩爆智能监测及主动防治，且在岩爆高危区替代现场技术、科研和施工人员对岩爆进行监测及主动防治工作，进而减少人身财产损失、提高川藏铁路智能建造水平具有重要的意义。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种岩爆智能监测及主动防治机器人，本发明具有自动行驶、远程操控，主动监测和防控、处治岩爆的功能，可在岩爆高危区替代现场人员对岩爆进行监测及防控处治。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种岩爆智能监测及主动防治机器人，包括行走系统和设置于所述行走系统上的岩爆智能监测系统、岩爆主动防治系统、机器人自防系统和控制系统，所述岩爆主动防治系统包括喷淋机构、钻进-注浆机构和柔性防护网机构。
作为本发明的进一步改进，所述行走系统包括设置于履带上的车架底盘、电动机、蓄电池组和LED照明装置。
作为本发明的进一步改进，所述机器人自防系统包括设置于所述车架底盘上的钢制机器人车体以及设置于所述钢制机器人车体顶部的弹射气囊。
作为本发明的进一步改进，所述喷淋机构包括设于与所述钢制机器人车体相连的可转动底盘上的高压水喷淋机械手和设于所述高压水喷淋机械手上的高压水喷嘴。
作为本发明的进一步改进，所述钻进-注浆机构包括设于与所述钢制机器人车体相连的可转动底盘上的钻进-注浆机械手、设于所述钻进-注浆机械手上的预应力锚杆钻进-注浆头、以及设于钢制机器人车体上的用于注浆的混凝土湿喷嘴接口，所述钻进-注浆机械手由液压系统驱动。
作为本发明的进一步改进，所述柔性防护网机构包括索网网筒、弹座仓、射网器、高压压缩空气筒和可升降多管射钉器，所述弹座仓设于所述钢制机器人车体的中部，所述索网网筒设于所述弹座仓内，所述射网器设于所述弹座仓的底部，且与所述索网网筒连接，所述高压压缩空气筒与所述射网器连接；所述可升降多管射钉器设于所述钢制机器人车体上柔性防护网机构的外围。
作为本发明的进一步改进，所述柔性防护网机构还包括设于所述钢制机器人车体上的红外线定位装置，用于定位索网的发射位置。
作为本发明的进一步改进，所述控制系统包括遥控操作装置和遥控接收天线。
作为本发明的进一步改进，所述岩爆智能监测系统包括设于行走系统上的自升式红外触发高速高清摄像头、车载电脑、数据存储和传输模块。
作为本发明的进一步改进，所述行走机构上还设有爆闪/蜂鸣报警器。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过现场开展视频监测和岩石形迹的监测，对岩爆发生规模、形态和发展趋势预测结果提高了预测结果准确性，使得获取的相关指标更加简便，具有成本低、时间短、试验结果准确性高等优点，并通过车载电脑进行计算分析，实现了岩爆智能化、自动化和无人化安全监测的目的。
2、本发明中机器人顶部设有自动弹射气囊，当强烈岩爆发生且机器人受到石块冲击时可自动弹出并覆盖整个车体，与车体一起起到保护作用，极大的增加了岩爆智能监测及主动防治机器人的安全系数。
3、本发明具有自动行驶、远程操控的功能，在岩爆高危区段代替人工作业，同时不占用掌子面有限的空间，减少人工工作量，具有一定的经济性和施工便利性。
4、本发明将岩爆主动预防、监测和预测预警融为一体，可在岩爆高危区替代现场及科研人员对岩爆进行分析和预测预报工作，提高了安全性。
附图说明
图1为本发明实施例的整体结构示意图；
图2为本发明实施例中柔性防护网机构的结构示意图；
图3为本发明实施例中索网展开后的结构示意图；
图4为本发明实施例中岩爆隧道支护结构示意图；
图5为本发明实施例中自动弹出气囊后的整体防护示意图。
附图标记：
1、弹射气囊，2、钢制机器人车体，3、车架底盘，4、履带，5、电动机，6、蓄电池组，7、LED照明装置，8、遥控接收天线，9、自升式红外触发高速高清摄像头，10、数据存储和传输模块，11、车载电脑，12、钻进-注浆机械手，13、预应力锚杆钻进-注浆头，14、高压水喷淋机械手，15、高压水喷嘴，16、红外线定位装置，17、锚钉仓，18、柔性防护网机构，181、索网网筒，182、弹座仓，183、射网器，184、高压压缩空气筒，19、混凝土湿喷嘴接口，20、可升降多管射钉器，21、爆闪/蜂鸣报警器，22、液压系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
实施例
如图1所示，一种岩爆智能监测及主动防治机器人，包括行走系统和设置于所述行走系统上的岩爆智能监测系统、岩爆主动防治系统、机器人自防系统和控制系统，所述岩爆主动防治系统包括喷淋机构、钻进-注浆机构和柔性防护网机构18。
如图1和图2所示，具体地，本实施例包括弹射气囊1、钢制机器人车体2、车架底盘3、履带4、电动机5、蓄电池组6、LED照明装置7、遥接收天线8、自升式红外触发高速高清摄像头9、数据存储和传输模块10、车载电脑11、钻进-注浆机械手12、预应力锚杆钻进-注浆头13、高压水喷淋机械手14、高压水喷嘴15、红外线定位装置16、锚钉仓17、柔性防护网机构18、索网网筒181、弹座仓182、射网器183、高压压缩空气筒184，混凝土湿喷嘴接口19、可升降多管射钉器20，爆闪/蜂鸣报警器21、液压系统22。
所述机器人自防系统包括弹射气囊1、钢制机器人车体2；行走系统包括包括车架底盘3、履带4、电动机5、蓄电池组6、LED照明装置7；控制系包括遥控操作装置及遥控接收天线8；
所述岩爆监测系统主要包括：自升式红外触发高速高清摄像头9、数据存储和传输模块10；
所述岩爆主动防治系统：高压水喷淋机械手14及高压水喷嘴15(20m射程)，柔性防护网机构18，预应力锚杆钻进-注浆头13，钻进-注浆机械手14和混凝土湿喷嘴接口19组成。
高压水喷淋机械手14位于机器人前端，并通过现场布置管道与掌子面施工区域的水管连接，通过对掌子面进行高压水喷淋，一定程度上改善围岩应力。
现有技术中，申请号为202111111274.4的中国专利公开了一种智能化围岩分级机器人系统及方法，包括：岩石试件夹持装置，包括机械臂和设于机械臂一端的夹爪，所述夹爪将岩块置于岩石试件承载装置上；岩石试件承载装置，包括岩石试件承载板和岩块试件固定装置，所述岩石试件承载板上设有岩块试件固定装置，所述岩块试件固定装置将岩块夹紧；点荷载加压装置，包括加压头、液压缸和伸缩杆，伸缩杆调整加压头与岩块的间距，所述液压缸提供破坏岩块的压力，所述加压头将压力施加在岩块上。
对比可见，现有技术只是为了简化室内测量岩石单轴抗压强度的流程，仅解决了岩爆预测中常用的Rb/σ1(强度应力比)指标中强度的问题，而对如何测试应力没有涉及；其次，在仅有强度而无地应力数据的情况下，按目前的预测方还无法对岩爆进行准确预测，而本实施例基于岩石力学理论基础和基本实验方法，较好的解决了上述问题；最后，现有技术没有考虑对岩爆高危环境下设备和人的安全因素，而本实施例充分考虑上述因素，并与其他技术相组合，创新并构建了岩爆条件下设备的保护和无人化施工。
如图2-图3所示，所述柔性防护网机构18由索网网筒181、弹座仓182、射网器183、高压压缩空气筒184、可升降多管射钉器20组面，索网网筒181位于弹座仓182里，并以网筒形式存储，具有体积小、重量轻、韧性强、不易损坏等特点，通过击发开关可在极短的时间内发射一张网体到需处治区域，更换索网网筒181以后，再发射另外一张网体，柔性防护网网体展开面积可达：2.0m×2.0m。
所述弹座仓182位于机器人中部，所述高压压缩空气筒184以高压压缩空气为动力，通过红外线定位装置16定位后，启动系统开关，向岩爆破裂和弹射区域发射索网(5m射程)，所述索网发射后的索网网筒181可自动弹出，具有定位准、易操作、连续发射时间短的特点。
所述可升降多管射钉器20可自动升降，并通过红外线定位装置16定位，在索网发射的同时，由发射口发射出锚钉，将岩爆柔性防护网临时固定在洞壁上，起到及时防护岩爆落石和飞石的作用；
如图3所示，所述岩爆主动防治机器人岩爆柔性防护网系统最终在隧道不同位置形成由钢丝索网、支撑绳，临时固定长钉和锚杆组成，钢丝索网和支撑绳间通过卡扣固定，钢丝绳网与支撑绳之间通过缝合绳连接；所述钻进-注浆机械手12用于锚杆钻孔，所述涨壳锚头、中空锚杆配涨壳锚头选用高强度钢材加工而成；涨壳式中空注浆锚杆通过涨壳与锚杆孔内壁的挤压摩擦产生锚固力，并可以施加预应力，将中空锚杆体固定在锚孔正中的装置；所述混凝土湿喷嘴接口19用于注浆，浆液包裹涨壳式锚杆体进而有效地防止杆体锈蚀致使锚杆失效，同时，浆液充填裂隙，改良围岩。
如图3-图4所示，所述安装完成涨壳式锚杆后，将支撑绳与涨壳式锚杆之间通过外露套环固定连接，所述涨壳式锚杆交错布置，四周及中心锚杆通过钻孔安装，深入围岩锚固。钢丝绳网及支撑绳可进行预张，进而对整个岩面形成连续支撑；最终锚杆、柔性防护网、喷射混凝土形成隧道支护结构，实现岩爆防治。
所述高压水喷淋机械手12和钻进-注浆机械手12底端固定在与机器人车体相连的可转动底盘上，所述机械手相连的伸缩杆的一端连接液压缸，并与液压系统22相连接，由车载电脑11操控实施；所述岩爆智能监测及主动防治机器人具有自动行驶、远程操控，智能监测及主动防治岩爆的功能，可在岩爆高危区替代现场技术及科研人员对岩爆进行监测及主动防治工作。
如图5所示，所述岩爆智能监测及主动防治机器人顶部设有弹射气囊1，当强烈岩爆发生且机器人受到石块冲击时可自动弹出并覆盖整个车体；岩爆智能监测及主动防治机器人配置的自升式红外触发高速高清摄像头9可对现场岩爆形迹进行实时收集分析；
如图4所示，岩爆智能监测及主动防治机器将岩爆监测和防治合为一体，将原来在高危作业环境中需要人工完成的工作整合到了岩爆智能监测及主动防治机器人上，并在现场通过高压水降低围岩应力、柔性防护网和预应力锚杆、喷射混凝土形成的组合支护体形成岩爆主动防治体系。
所述的岩爆智能监测及主动防治机器人现场监测及试验的各组数据通过车载电脑11进行计算，相关数据通过车载电脑的存储和传输模块进行存储和无线传输；所述的岩爆智能监测及主动防治机器人在于岩爆发生后的防治过程中通过爆闪/蜂鸣报警器21对现场施工人员进行警示。
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种岩爆智能监测及主动防治机器人，其特征在于，包括行走系统和设置于所述行走系统上的岩爆智能监测系统、岩爆主动防治系统、机器人自防系统和控制系统，所述岩爆主动防治系统包括喷淋机构、钻进-注浆机构和柔性防护网机构，所述行走系统包括设置于履带上的车架底盘、电动机、蓄电池组和LED照明装置，所述机器人自防系统包括设置于所述车架底盘上的钢制机器人车体以及设置于所述钢制机器人车体顶部的弹射气囊，所述柔性防护网机构包括索网网筒、弹座仓、射网器、高压压缩空气筒和可升降多管射钉器，所述弹座仓设于所述钢制机器人车体的中部，所述索网网筒设于所述弹座仓内，所述射网器设于所述弹座仓的底部，且与所述索网网筒连接，所述高压压缩空气筒与所述射网器连接；所述可升降多管射钉器设于所述钢制机器人车体上柔性防护网机构的外围。
2.根据权利要求1所述的岩爆智能监测及主动防治机器人，其特征在于，所述喷淋机构包括设于与所述钢制机器人车体相连的可转动底盘上的高压水喷淋机械手和设于所述高压水喷淋机械手上的高压水喷嘴。
3.根据权利要求2所述的岩爆智能监测及主动防治机器人，其特征在于，所述钻进-注浆机构包括设于与所述钢制机器人车体相连的可转动底盘上的钻进-注浆机械手、设于所述钻进-注浆机械手上的预应力锚杆钻进-注浆头、以及设于钢制机器人车体上的用于注浆的混凝土湿喷嘴接口，所述钻进-注浆机械手由液压系统驱动。
4.根据权利要求1所述的岩爆智能监测及主动防治机器人，其特征在于，所述柔性防护网机构还包括设于所述钢制机器人车体上的红外线定位装置，用于定位索网的发射位置。
5.根据权利要求1或4所述的岩爆智能监测及主动防治机器人，其特征在于，所述控制系统包括遥控操作装置和遥控接收天线。
6.根据权利要求5所述的岩爆智能监测及主动防治机器人，其特征在于，所述岩爆智能监测系统包括设于行走系统上的自升式红外触发高速高清摄像头、车载电脑、数据存储和传输模块。
7.根据权利要求1或6所述的岩爆智能监测及主动防治机器人，其特征在于，所述行走系统上还设有爆闪/蜂鸣报警器。
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