一种自适应异形断面的液压伸缩式充填挡墙系统及构筑方法与流程

本技术涉及矿山安全开采、膏体智能化充填装备与自动化施工工艺交叉，尤其涉及一种自适应异形断面的液压伸缩式充填挡墙系统及构筑方法。

背景技术：

1、在矿山自动化充填开采生产线中，采空区前端密闭挡墙是保障膏体充填连续稳定作业的核心工装。充填作业全过程挡墙持续承受膏体侧向静压力与瞬时料浆冲击荷载，挡墙边缘与巷道围岩必须实现无间隙连续密封，一旦出现缝隙渗漏，会造成大量胶结膏体浪费、井下巷道淤堵，极端工况下挡墙受力失衡鼓包坍塌，引发井下伤人安全事故。

2、现阶段国内矿山充填挡墙主要分为现浇静态挡墙、刚性拼装钢挡墙两大体系，两类设备均存在底层技术缺陷；同时现有相关专利仅对密封或支撑单一结构优化，无法满足深部复杂异形断面智能化充填需求。

3、现浇混凝土或砌块静态挡墙技术缺陷：

4、（1）静态构筑挡墙：主要包括混凝土挡墙以及砌块挡墙，此类构筑方法本质上是一次性的施工方法，该方法主要缺陷在于方法僵化、适用性差，具有工序繁琐、周期较长的特点，同时一次性构筑的挡墙无法复用且成本较高；（2）机械拼接类挡墙：主要包括钢框架挡墙以及预制板拼装挡墙，此类技术可以实现构建复用，但存在调整能力差、匹配精度低，且密封较为被动，在挡墙受到料浆产生的压力时容易变形，容易导致密封密封失效。

5、综上所述，现有技术是基于固定结构或离散拼接的静态、被动构筑方法，缺乏对充填工作面复杂几何形态的动态感知能力与自适应调整能力，更无法在充填这一动态过程中实现密封性能的闭环维持。随着矿山开采向深部、复杂地质条件推进，断面形态愈发多变，对充填作业的自适应及智能化提出了迫切需求。

6、因此，亟待发明一种自适应的充填挡墙系统工作方法，能够实现从断面识别、自适应构型、动态密封到过程维稳的全流程智能化控制，以提升充填作业的效率、质量与安全性。

技术实现思路

1、为解决或部分解决相关技术中存在的问题，本技术提供一种自适应异形断面的液压伸缩式充填挡墙系统及构筑方法，能够解决挡墙对复杂异形断面无法实现快速、精准形态匹配与连续密封的难题，实现充填全过程中挡墙状态的实时感知与动态调控，以应对膏体料浆的冲击与压力变化，确保施工安全。

2、本技术提供一种自适应异形断面的液压伸缩式充填挡墙构筑方法，采用自适应异形断面液压伸缩充填挡墙系统实施，所述系统包括可伸缩挡本体、感知模块、控制与驱动模块、作业与监测模块；所述可伸缩挡墙本体包含多段铰接主承载框架、矩阵式多级液压伸缩杆组、弹性密封单元，所述作业监测模块设有压力传感器与位移传感器；所述构筑方法为感知、决策、执行、反馈、复位一体化闭环控制流程，包括以下步骤：

3、s1：断面数字化建模：将挡墙整机转运至采空区入口作业面后，启动移动式三维扫描装置对巷道断面开展360°环形高密度点云扫描，完整采集顶板、两侧帮壁、底板空间轮廓数据；扫描数据实时传输至控制单元，控制单元内置算法自动完成点云去噪、轮廓拼接、异形特征识别，区分梯形、拱形、斜顶、局部凸帮或凹坑断面类型，生成带空间坐标参数的数字三维断面模型；

4、s2：挡墙自适应构型：控制单元读取数字三维断面模型，通过匹配算法解算各区域液压杆差异化伸缩行程，输出非对称伺服控制指令，驱动矩阵布置、独立控制的多级液压伸缩杆组做分段伸缩运动，带动多段铰接主承载框架可控形变，使所述主承载框架的工作面形态与所述断面轮廓自适应匹配；

5、s3：动态密封协同控制：在所述主承载框架构型的过程中及构型完成后，同步控制分布式设置于框架铰接处及接触边缘的弹性密封单元，调节其内部压力或形变量，以填充所述主承载框架与巷道围岩之间因匹配而产生的动态间隙，形成连续密封界面；

6、s4：充填过程智能调控：通过所述挡墙上的充填口进行膏体灌注，并基于实时监测的挡墙受力与形变数据，动态反馈调节所述多级液压伸缩杆组的伸缩状态和/或所述弹性密封单元的压力，以维持充填过程中挡墙的结构稳定性与密封可靠性；

7、s5：循环转移步骤，当充填体初步固化后，控制所述多级液压伸缩杆组同步收缩，使挡墙与充填体脱离，同时将所述弹性密封单元减压复位，并将挡墙移出至下一作业面。

8、可选的，在一些方案中，所述的s1中三维数字断面模型包含巷道顶板宽度、底板宽度、侧帮倾角、凹凸位置、凹凸深度几何参数；

9、所述的s2中多级液压伸缩杆组为矩阵式分区布置，每一根液压杆均由伺服控制阀独立驱动，可实现单段框架单独微调，所述非对称伺服控制指令被配置为：针对梯形断面，控制位于挡墙上部的液压杆组的伸出量大于位于下部的液压杆组；针对拱形断面，控制位于挡墙中部的液压杆组的伸出量小于位于两侧的液压杆组。

10、可选的，在一些方案中，在s3中，所述弹性密封单元包括沿框架铰接缝、迎料面边缘分布式布设的充气式密封气囊；所述调节其内部压力是通过一个独立的压力调节子系统实现的，该系统能够接收所述控制单元的指令，对各个或各分区的所述密封气囊进行独立或分组的精准气压控制。

11、可选的，在一些方案中，在s4中，所述动态反馈调节遵循预设的闭环控制算法：当监测到局部区域的压力值超过第一阈值时，控制对应区域的液压杆进行微幅伸张以释放应力，并同时提升该区域密封单元的压力；当监测到位移数据异常或存在泄漏风险时，提升对应区域密封单元的压力至第二阈值；第一阈值为预警应力阈值，触发后同步释放应力、小幅补强密封，第二阈值为泄漏临界阈值，触发后气囊满压密封，同时声光报警提示现场人员。

12、可选的，在一些方案中，在s5中，挡墙复位转运时，可剥离迎料面可拆卸挡墙薄膜层，清理膏体残渣后直接投入下一轮作业，无需整体拆解框架。

13、一种用于实现所述构筑方法的自适应异形断面液压伸缩充填挡墙系统，包括：可伸缩挡墙本体、感知模块、控制与驱动模块、作业监测模块；

14、所述可伸缩挡墙本体包括多段通过铰接轴组件连接的主承载框架、用于驱动所述框架变形的多级液压伸缩杆组、以及设于所述框架上的弹性密封单元；

15、所述感知模块包括移动式三维激光扫描装置，用于执行s1断面数字化建模；

16、所述控制与驱动模块包括内置闭环控制算法的控制单元、液压伺服系统、压力调节子系统；所述液压伺服系统接收控制单元指令驱动多级液压伸缩杆组，压力调节子系统独立调控各分区弹性密封单元气压；

17、所述作业与监测模块包括安装于框架关键节点的压力传感器、位移传感器，实时采集挡墙受力形变数据反馈至控制单元。

18、可选的，在一些方案中，所述弹性密封单元为充气密封气囊，沿主承载框架铰接轴线、迎料边缘分区布置，各组气囊独立通过高压管路连通压力调节子系统。

19、可选的，在一些方案中，所述多级液压伸缩杆组采用矩阵分区排布，每根液压杆配套独立伺服控制阀，控制单元可单独输出伸缩控制信号；主承载框架、液压系统、控制模块全部采用模块化结构，配套液压、电气快速连接接头。

20、可选的，在一些方案中，所述可伸缩挡墙本体分为固定支撑单元、缓冲密封单元、驱动伸缩单元、充填作业单元；

21、所述固定支撑单元包含主承载框架、铰接轴组件、液压杆固定座、高强度固定盘、伸缩补偿密封板、斜向支撑加强件、传感器安装支架；多段主承载框架通过铰接轴组件首尾铰接拼接形成可形变整体框架，各段主承载框架背部固定焊接液压杆固定座，主承载框架四角与中部点位装配用于贴合围岩定位的高强度固定盘；相邻两段主承载框架拼接缝隙内嵌设伸缩补偿密封板，斜向支撑加强件两端分别铰接于主承载框架上下横梁构成三角抗侧压结构，主承载框架内侧横梁、竖梁焊接带布线槽的传感器安装支架；

22、所述缓冲密封单元包含耐磨耐腐橡胶层、充气密封气囊、耐磨导向密封条、金属骨架增强密封垫、自修复密封涂层、可拆卸挡墙薄膜层；耐磨耐腐橡胶层整体包覆于主承载框架迎料侧外表面，充气密封气囊卡装于主承载框架铰接缝隙与四周边缘并通过高压管路外接压力调节子系统，耐磨导向密封条嵌设在主承载框架伸缩对接边且设于充气密封气囊外侧；金属骨架增强密封垫夹装在高强度固定盘与主承载框架贴合接触面，自修复密封涂层全域喷涂于耐磨耐腐橡胶层、充气密封气囊、耐磨导向密封条外表面，可拆卸挡墙薄膜层通过卡扣可拆卸包覆于耐磨耐腐橡胶最外侧；

23、所述驱动伸缩单元包含多级液压伸缩杆组、伺服控制阀组、压力补偿器、液压油储罐、伸缩导向轨、行程限位器、快速连接接头；多级液压伸缩杆组缸筒尾部铰接安装于液压杆固定座，伸缩导向轨平行螺栓固定在主承载框架两侧，多级液压伸缩杆滑动滑块卡合于伸缩导向轨内部；行程限位器分别装配在多级液压伸缩杆最大伸出、完全收缩两端并与伺服控制阀组信号联动；液压油储罐、压力补偿器、伺服控制阀组通过液压油路依次串联，伺服控制阀组独立连通每一根多级液压伸缩杆；全部液压油路、电气控制线端部统一装配快速连接接头；

24、所述充填作业单元包含充填口、滤水口、观察口；充填口、滤水口、观察口由上至下垂直贯穿开设于主承载框架中部，开孔内壁包覆耐磨耐腐橡胶层；充填口、滤水口外侧分别设有外接管路接头，观察口外侧装配透明密封盖板。

25、可选的，在一些方案中，所述缓冲密封单元整体覆盖于主承载框架迎料面，可拆卸挡墙薄膜层覆盖耐磨耐腐橡胶层外侧，充填完成后可整体剥离清除膏体残渣；所述驱动伸缩单元两侧设置伸缩导向轨，限制框架横向偏移，行程限位器设置液压杆最大伸缩两端，防止超程损坏结构。

26、本技术提供的技术方案可以包括以下有益效果：

27、本技术形成方法与配套设备一体化保护方案，通过三维扫描建模、矩阵独立液压分段形变、分区气囊动态密封、充填全过程传感闭环调控以及整机模块化可循环复用设计，一方面可自主适配梯形、拱形、凹凸等各类异形巷道断面，彻底摒弃人工填塞密封的低效工序，从源头消除围岩间隙跑浆渗漏问题；另一方面依托两级压力阈值自动调节逻辑，能够实时释放膏体侧向冲击应力、动态补强密封性能，将挡墙鼓包、漏浆等安全隐患由事后维修转为事中自主干预，大幅提升井下充填作业本质安全；同时整机采用分层单元模块化装配结构，搭配快速拆装接头与可剥离防护薄膜，固化后可快速收拢转运、反复投入多工作面循环使用，显著削减混凝土、砌块等一次性耗材投入与井下人工操作时长，兼顾智能化作业、密封可靠性、设备耐久性与综合施工成本优势，适配深部复杂矿山常态化膏体充填工况。

28、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。