礦山用智能砌墻機的設計與研究

曾芳成 孟福杰

〔摘 要〕分析了當前礦山開采中，采用人工砌筑巷道擋墻的現狀及弊端，根據井下巷道類型和擋墻形態，自主研發了一種適應井下巷道等受限空間工作環境的、自動化程度高、能砌筑多種擋墻類型的智能砌墻機，并對該設備的主要部件及功能以及工作流程進行了詳細分析。實踐證明，該設備可以大幅降低工人勞動強度，減少現場作業人工數量，提高砌筑效率，進而降低施工成本，提高擋墻砌筑機械化、自動化程度，提高礦山作業安全性。

〔關鍵詞〕智能砌墻機；礦山開采；井下作業；受限空間；擋墻砌筑

中圖分類號：TU653? ? 文獻標志碼：B? ? ?文章編號：1004-4345（2024）01-00２6-0４

Design and Research of Intelligent Wall Laying Machine for Mines

ZENG Fangcheng1， MENG Fujie2

（1.Jiangxi Nerin Equipment Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330032， China; 2. Jinchuan Group Co.， Ltd.， Jinchang， Gansu 737103，China）

Abstract? An analysis was conducted on the current situation and drawbacks of using manual masonry to build drift retaining walls in current mining operations. Based on the types of underground drifts and shapes of retaining walls， an intelligent wall laying machine with high automation level and the ability to build a variety of retaining walls was independently researched and developed， which is suitable for working environments in confined spaces such as underground drifts. The main components， functions， and workflow of the equipment were analyzed in detail. Practice has proven that this equipment can significantly reduce the labor intensity of workers， reduce the number of on-site operators， improve masonry efficiency， thereby reducing construction costs， improving the mechanization and automation level of retaining wall masonry， and enhancing the safety of mine operations.

Keywords? intelligent wall laying machine; mining operations; underground operation; confined space; retaining wall masonry

０ 引言

礦山進路充填擋墻的墻體砌筑通常由人工操作砌成，井下擋墻砌筑環境復雜，空間狹窄，工作環境惡劣，勞動強度大，安全性差[1]。近些年來，隨著科學技術的不斷進步，越來越多的自動或半自動砌筑設備進入研究階段，但使用效果仍不盡如人意[2]。例如，國內某種履帶式砌磚機器人，可用于建筑行業的砌墻作業，設備可以移動且實現墻體堆砌，但是設備需要人工逐塊上磚，完全沒有達到減人工的目的[3]；國內另一種帶升降機構的砌磚機器人，也僅僅是通過類似三坐標結構實現磚塊的移位，設備移動還依賴人工，沒有實用價值[4]；美國某公司研發的砌磚機器人，可以通過機器人實現磚塊的砌筑，并利用軌道實現機器人的直線移動，但是設備龐大，靈活性差，在礦山等這類受限空間內無法使用[5]?？梢?，國內外雖然有企業做過常規砌墻機器人的研發設計，但由于設備功能很單一，基本只能實現磚塊搬運功能；同時，由于設備使用條件高，大多仍停留在研究階段，并未投入實際使用；少數做出的樣機，也都存在自動化程度低、只能砌筑直墻、成本高等局限性能。用于受限空間，可實現自動砌筑的成功案例更是沒有。為了解決如上問題，江西瑞林裝備有限公司（以下簡稱“瑞林裝備”）大膽創新，自主研發了一種適用于礦山的智能砌墻機。該設備高度集成了設備移動、智能掃描、自動定位、供磚、供漿、取磚、抹漿、砌磚及壓實等墻體砌筑所需的一系列功能，且設備緊湊，轉運便捷，智能化程度高。本文擬針對該設備總體方案、關鍵結構及特點進行分析。

1? ?設備運行工況

根據礦井的巷道類型，需要砌墻機適應的典型擋墻砌筑工況有5種，具體如圖1所示。在此5種工況下，巷道的截面類型主要為直墻半圓拱巷道和矩形巷道2種，如圖2所示。其中，巷道截面尺寸普遍為寬4.0～5.0 m，高4.0～4.5 m。巷道中需要砌筑的擋墻形態分為直擋墻、外拱擋墻、內拱擋墻3種，如圖3所示。實際砌筑時，需根據不同的擋墻類型和作業需求，選擇合適的擋墻形態。

本文所述砌墻機即是基于以上5種擋墻類型、2種巷道截面以及3種擋墻形態的砌筑工況及功能需求進行研發。

2? ?設計總體方案

根據前述設備運行工況及功能需求，該砌墻機的設計總體方案如下：在擋墻砌筑作業中，將力量消耗大、動作重復率高的動作（如抬磚、混凝土攪拌、抹漿、砌磚等）轉為機械化設備實現；保留少量人工實現精細的動作（如擋墻外扎鋼筋、設排水管等）。配以少量人工輔助，可以在較合理的投入成本的情況下，大幅降低工人勞動強度，減少現場作業人工數量，提高砌筑效率，進而降低施工成本，提高擋墻砌筑機械化、自動化程度。經總體方案研究，最終確定設備工作狀態如圖4所示，設備運輸狀態如圖5所示。

3? ? 設備主要部件及功能

設備的主要部件及功能見表1。

3.1? 砌筑平臺裝置

砌筑平臺作為設備的主要載體，用于搭載各功能部件，主要由機架，支腿、液壓系統及電氣系統等組成。其中，支腿可以展開，用于增大設備底盤尺寸，提高設備工作時的穩定性，收起后又可以減小設備體積，方便設備移動或運輸；同時，支腿可沿高度方向伸縮，通過與設備內設的姿態檢測傳感器相配合，經PLC控制，實現砌筑平臺水平度的一鍵自動調節。

3.2? 行走轉向裝置

行走轉向裝置整體位于砌筑平臺裝置下方，用于實現設備的自行走，如圖6所示，裝置由1個轉向輪和4個行走輪組成，每個行走輪獨立驅動，以適應顛簸不平的礦山地面，增大設備的行走能力。4個車輪的差速行駛，可以實現設備的全向行駛。同時，轉向輪為單獨控制，通過鋼絲繩可以驅動4個轉向輪同時轉向，從而實現行走裝置原地轉向，大幅增加了設備的機動能力，滿足設備在受限空間內移動的需要。

3.3? 砌磚裝置

砌磚裝置整體位于設備前方中部的升降臺上。該裝置從升降臺的磚跺支架上取磚，經攪拌泵送裝置的噴嘴處抹漿后，再將磚放置到需要的砌筑位置。在機器人關節末端，還設有可以感知夾具力和扭矩的智能傳感器，用于判斷砌筑前磚塊是否完整，砌筑時砌塊是否壓實。取磚裝置結構基本同砌磚裝置，本文不再贅述。砌磚裝置示意見圖７。

3.4? 磚垛定位裝置

磚跺定位裝置位于設備的左后方，為取磚裝置持續且準確地提供磚塊。定位裝置上設有導向架，為磚垛托盤導向，以保證磚垛與平臺的位置相對固定，進而保證磚塊與取磚裝置的位置相對固定。裝置下部設有調節螺桿，可以通過調節每個螺桿底腳板的高度，使4個螺桿在不平地面上也能同時著地，將重力均勻傳遞到地面。在設備行走或運輸時，磚跺定位裝置可以沿連接平臺的鉸接處進行折疊，同時用固定銷軸將裝置與平臺主體固定，以減少設備的外形尺寸，增強設備機動能力。

3.5? 上料裝置

上料裝置位于設備的右后方，主要由上料斗、卷揚機構、提升軌道、溜槽、加水裝置等組成。上料斗在接受人工送入的水泥、沙子及水等原料后，在卷揚機的牽引力作用下，沿提升軌道上升至高位。此時，上料斗底部的閥板自動打開，物料通過溜槽落入攪拌筒中。提升軌道底部設有調節螺桿，可使軌道承受的力均勻傳到不平整的地面上；同時，軌道可以折疊，以減小設備行走或運輸時的外形尺寸，使設備更小巧。

3.6? 攪拌及泵送裝置

攪拌及泵送裝置位于設備的右方和中部位置，底部連接砌筑平臺裝置，由攪拌罐、驅動馬達、接料槽、砂漿泵、送漿管路及抹漿噴嘴等組成。該裝置接收上料裝置加入的水泥、沙子及水等原料，在攪拌罐正向轉動攪拌均勻后，通過攪拌罐的反向轉動，將漿料排出。排出的漿料落入泵送裝置接料槽，再經砂漿泵加壓后，泵入送漿管道，最終送至抹漿噴嘴，供砌磚裝置抓磚后進行抹漿作業。

3.7? 掃描定位系統

掃描定位系統整體位于設備前方、升降臺上方，主要由云臺、激光雷達及軟件系統組成。掃描定位系統的作用：1）在設備進行砌筑作業前，掃描礦洞輪廓，并進行三維建模，同時根據砌塊規格，搭建擋墻砌筑的數學模型，再進行砌筑路徑規劃，將各砌塊的坐標數據傳遞給PLC，以指導機器人按規劃好的路徑有序砌筑擋墻；2）在設備完成可及范圍內的擋墻砌筑且移動設備后，激光雷達再次掃描，將獲得的新礦洞點云數據及已完成的墻體點云數據與原始點云模型進行對比，解算出移位后設備在該原坐標場的新位置，指導設備繼續砌筑擋墻。

4? ?設備工作流程

設備主要工作流程如下。1）作業面清理。人工清理作業面，保證設備作業區地面基本平整。2）設備就位。設備牽引至工作區附近→外接電源→開啟液壓站→設備自行至作業區→固定支腿、調平→固定上料軌道→固定磚垛定位裝置。3）設備初始設置。掃描巷道輪廓→設置砌塊規格→設置待砌擋墻參數→擋墻自動建?！詣右巹澠鲋窂?。4）物料準備。外接水源→人工輔助上磚垛→上料斗降至低位→人工上砂子水泥等干料。5）自動砌筑。開啟自動砌筑模式→攪拌裝置開啟→空壓機開啟→上料斗提升加料→自動定量加水→砂漿拌合→攪拌罐反轉出料→砂漿泵送至噴嘴→機器人取磚→機器人抹漿→機器人砌磚→重復砌磚，直至機器人工作范圍內擋墻砌筑完成→升降臺升高→繼續砌磚，直至機器人工作范圍內擋墻砌筑完成→設備移位→再次掃描環境→設備新定位解析→繼續砌磚→重復如上工序，直至擋墻砌筑完成。6）設備清理。清洗攪拌罐及泵送管路（設備短時不工作時）。

5? ?設備參數及主要優勢

設備主要性能參數見表2。

設備主要優勢如下：1）環境適應性高。設備靈活適應各種巷道擋墻砌筑可在受限空間內完成移動、砌筑工作。2）作業效率較高。該設備砌筑速度快，與現有人工砌筑效率相當，輔助人工少，勞動強度低。3）自動化程度高。主體工作采用全自動電氣控制，不需要人工干預。4）智能化程度高。該設備采用智能掃描及定位系統，能夠適應多種巷道尺寸的擋墻砌筑；能夠自動規劃砌筑路徑，設備移位后可自動重新定位解析。5）擋墻強度高。機器人擋墻筑路徑規劃后，能夠定距離砌磚、定流量抹漿，使墻體的混凝土結構強度均勻，提高了墻體的總體強度，提高了礦山作業的安全性。

6? ?結語

本文所述的智能砌墻機實現了在空間受限的礦山巷道內，用設備代替人工的方式進行擋墻砌筑作業。設備高度集成了行走、掃描、定位、自動拌料、取磚、抹漿、砌磚等功能，實現了該技術從無到有的突破。設備具有體積小、機動靈活且智能化程度高等特點，應用于井下擋墻砌筑作業，可以大幅降低工人勞動強度，減少現場作業人工數量，提高砌筑效率，進而降低施工成本，提高擋墻砌筑機械化、自動化程度，提高礦山作業安全性。本技術也同步適用于民用建筑行業，具有較高的推廣價值。

參考文獻

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收稿日期：2023-03-29

作者簡介：曾芳成（1984—），男，高級工程師，主要從事有色冶金設備設計與研究。