[发明专利]一种地下空洞智能化充填方法

说明书

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。

技术领域

本发明涉及一种充填方法，具体是一种针对如煤矿井下煤炭采空区、煤炭地下气化过程中形成的大面积煤层燃空区等人为岩土活动产生的地下空洞或者天然地质运动在地表下产生的一系列空洞等自然地下空洞的智能化充填系统的充填方法，属于地下工程技术领域。

背景技术

地下空洞是指地表以下被岩层覆盖的空间，一般是指空间较大的地下空腔。人为岩土活动如在煤矿开采中地下开采占世界煤矿生产的60％，而地下开采过程中将地下煤炭或煤矸石等开采完成后往往留下大面积的煤炭采空区形成地下空洞；煤炭地下气化实质是只提取煤中含能组分、变物理采煤为化学采煤，是将处于地下的煤炭进行有控制地燃烧，通过对煤的热作用及化学作用产生可燃气体的过程，煤炭地下气化技术不仅可以回收矿井遗弃的煤炭资源，而且还可以用于开采井工难以开采或开采经济性、安全性较差的薄煤层、深部煤层、“三下”压煤和高硫、高灰、高瓦斯煤层，虽然煤炭地下气化燃烧后的灰渣留在地下，但煤炭地下气化过程中也会形成的大面积煤层燃空区地下空洞；另外，天然地质运动在地表下也会产生一系列地下空洞。

随着我国经济建设的快速发展，地下资源开采和地下空间开发利用的重要性日益凸显，地下空洞的存在使得地下资源的安全开采、地下空间的开发利用面临着严重的安全问题。特别是随着地下岩土工程人为岩土活动的向深部进行，在矿体开采后采场的原始应力状态被破坏，从而致使应力重新分布，在上覆压力和地下水等因素的作用下，地下空洞极易发生如片帮、冒顶、突水、地震、岩爆、冲击地压、地面塌陷、地面沉降、地裂缝以及由其导致的滑坡、泥石流、地表植被破坏等多种形式的地质灾害，地下空洞已经成为制约地下工程发展的一个重要难题。

现阶段我国对于地下空洞治理通常采取全部垮落法、充填法、支撑封闭处理法。其中全部垮落法和支撑封闭处理法均会造成一定程度的地表塌陷，因此全部垮落法和支撑封闭处理法治理地下空洞的使用条件较严格，通常要求：①地下空洞的矿石或围岩极稳固，矿体厚与延深不大，埋藏不深，地表允许崩落；②埋藏较深的分散孤立的地下空洞，需离主要矿体或生产区较远、且上部无作业区。而充填法则适用于地表不允许大面积塌陷的情形，充填法是用充填料支撑围岩以减缓或阻止围岩的变形、保持围岩的相对稳定。充填法是目前地下空洞治理最常用的方法。

现有的针对地下空洞的充填方法通常是利用地表中露天剥离的废石、开采废石或选矿尾砂作为主要充填骨料，建立充填系统，然后通过地下空洞的钻孔、天井或充填管道将充填料自流(或加压)充填至地下空洞，将地下空洞的空腔进行完全充填。虽然这种传统的充填方式能够实现保持围岩相对稳定的目的，但一方面，传统自流方式的充填方式无法控制充填质量，而传统加压充填方式通常采用占用空间较大的输送设备和夯实设备，且均需操作人员人工操作控制充填和夯实，充填效率较低；另一方面，传统的干式充填的方式充填后充填骨料颗粒之间依然存在一定的间隙，而传统的湿式充填的方式充填后充填体通常会存在一定的压缩沉降，因此传统的充填方式阻止岩石移动的能力有限；再一方面，根据地下空洞的具体位置及形状、应力情况进行数据分析的结果，往往只需对应力集中点位置进行相应方向的支护即可满足支护要求、无需进行空腔的完全充填进行支护，鉴于充填法本身就存在施工难度大、成本高、作业安全性差等缺点，因此盲目地进行完全充填势必造成资源的浪费和成本的提高，同时，完全充填的方式使地下空洞的空腔空间无法进行利用。

发明内容