一种地下空洞智能化充填方法与流程

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。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供一种地下空洞智能化充填方法，自动化程度高，可以在实现对地下空洞内部进行有效支护的前提下实现节省资源、降低充填成本，特别适用于地下空洞的充填治理作业。

为实现上述目的，所使用的地下空洞智能化充填系统包括探测机器人单元、3d打印机器人单元和集中电控单元；

所述的探测机器人单元包括全地形行走底盘、探测机械臂和车载电控装置；全地形行走底盘设置在探测机器人单元的底部，全地形行走底盘包括电控驱动机构和转向控制机构；探测机械臂的底端安装在全地形行走底盘上，探测机械臂的顶端设有探测装置，探测装置包括探测头，探测头包括距离传感器、扫描仪、陀螺仪、探测头角度定位控制驱动，探测头角度定位控制驱动至少包括沿左右水平方向为中轴线旋转移动的a坐标旋转驱动机构和沿前后水平方向为中轴线旋转移动的b坐标旋转驱动机构；车载电控装置固定安装在全地形行走底盘上，车载电控装置包括工业控制计算机、探测机器人行走控制回路、探测头探测角度控制回路，工业控制计算机分别与全地形行走底盘的电控驱动机构和转向控制机构电连接，工业控制计算机与探测头的探测头角度定位控制驱动电连接；

所述的3d打印机器人单元包括全地形行走底盘、打印机械臂、打印材料输入装置和打印电控装置；全地形行走底盘设置在3d打印机器人单元的底部，全地形行走底盘包括电控驱动机构和转向控制机构；打印机械臂安装在全地形行走底盘上，打印机械臂包括打印机械臂驱动，打印机械臂驱动至少包括控制打印机械臂左右水平方向移动的x坐标驱动机构、控制打印机械臂前后水平方向移动的y坐标驱动机构、控制打印机械臂竖直方向移动的z坐标驱动机构，打印机械臂的末节上设有3d打印装置，3d打印装置包括3d打印喷头；打印材料输入装置包括打印材料泵入机构，打印材料泵入机构的输入端与打印材料供给子单元连接，打印材料供给子单元供应打印材料，打印材料泵入机构的输出端与3d打印喷头通过打印材料输出管路连接；打印电控装置固定安装在全地形行走底盘上，打印电控装置包括工业控制计算机、3d打印机器人行走控制回路、3d打印喷头位置控制回路、打印材料泵入机构控制回路，工业控制计算机分别与全地形行走底盘的电控驱动机构和转向控制机构电连接，工业控制计算机分别与打印机械臂驱动、打印材料泵入机构电连接；

所述的集中电控单元包括中央控制计算机、探测控制回路、数据建模回路、探测机器人位置反馈修正回路、3d打印控制回路，中央控制计算机分别与探测头的距离传感器、扫描仪、陀螺仪电连接，中央控制计算机分别与车载电控装置的工业控制计算机和打印电控装置的工业控制计算机电连接；

充填方法具体包括以下步骤：

a.充填准备：通过地质雷达探测地下空洞的大概位置后，在保证掘进贯通点附近的原始岩层的支护强度较大的前提下选择合适的掘进贯通点，通过掘进机经掘进贯通点掘进出与地下空洞贯通的巷道并对该巷道进行有效支护，然后将探测机器人单元和3d打印机器人单元置于与地下空洞连通的巷道内；

b.地下空洞内腔扫描：集中电控单元控制探测控制回路、探测机器人位置反馈修正回路、数据建模回路开始工作，中央控制计算机发出指令使车载电控装置的工业控制计算机控制探测机器人单元向地下空洞内部步进并对地下空洞的内腔进行扫描后坐标回退至初始位置，中央控制计算机将平面扫描数据进行同一基准的拟合并三维建模后生成地下空洞三维空间模型，然后进行存储；

c.充填数据建模：中央控制计算机根据输入的地下空洞外围环境地质数据对地下空洞三维空间模型的外部进行施加应力计算分析，并对地下空洞三维空间模型的稳定性、应力、位移、裂隙、渗透性、声特性、光特性、电特性、磁特性和结构特性参数的演化过程进行计算分析，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地下空洞三维空间模型内部表面的应力集中点位置构建支护模型生成地下空洞空间三维支护模型并存储坐标位置信息，然后中央控制计算机进行3d打印路径规划和打印基准坐标规划，并存储3d打印路径和打印基准坐标；

d.3d打印充填：3d打印控制回路开始工作，中央控制计算机发出指令使打印电控装置的3d打印机器人行走控制回路开始工作，打印电控装置的工业控制计算机根据3d打印路径控制3d打印机器人单元的全地形行走底盘的电控驱动机构和转向控制机构动作使3d打印机器人单元坐标移动至地下空洞内部对应空间三维支护模型坐标位置的设定位置，然后3d打印喷头位置控制回路开始工作，打印电控装置的工业控制计算机根据3d打印路径控制打印机械臂的打印机械臂驱动动作使3d打印喷头坐标移动至打印基准坐标位置，打印材料泵入机构控制回路开始工作，打印电控装置的工业控制计算机控制打印材料输入装置的打印材料泵入机构动作使泵出的打印材料经3d打印喷头输出，然后打印电控装置的工业控制计算机控制打印机械臂的打印机械臂驱动动作使3d打印喷头根据3d打印路径坐标移动进行3d打印，至3d打印路径终点时完成空间三维支护模型的实体打印，3d打印机器人单元回退至初始位置。

作为本发明的进一步改进方案，步骤b探测机器人单元向地下空洞内部步进并对地下空洞的内腔进行扫描的过程中，中央控制计算机首先发出指令使车载电控装置的探测头探测角度控制回路开始工作，车载电控装置的工业控制计算机控制探测头的探测头角度定位控制驱动动作使探测头的扫描仪在基点扫描平面内360°范围内旋转进行以初始位置为参照坐标原点的基点平面扫描，探测头的扫描仪同时将该基点平面扫描数据发送至中央控制计算机、同时探测头的陀螺仪将参照坐标原点位置的扫描仪坐标位置数据发送至中央控制计算机，中央控制计算机将基点平面扫描数据和参照坐标原点位置的扫描仪坐标位置数据进行存储；

然后中央控制计算机发出指令使车载电控装置的探测机器人行走控制回路开始工作，车载电控装置的工业控制计算机控制探测机器人单元的全地形行走底盘的电控驱动机构和转向控制机构动作使探测机器人单元整体以初始位置为参照坐标原点向地下空洞内部坐标移动步进一个设定步距并停止，然后探测头的陀螺仪首先将该步进位置的扫描仪坐标位置数据发送至中央控制计算机，然后中央控制计算机进行存储的同时将该步进位置的陀螺仪反馈的扫描仪坐标位置数据将与参照坐标原点位置的扫描仪坐标位置数据进行比较、计算该步进位置的扫描仪坐标位置与参照坐标原点位置的扫描仪坐标位置之间的坐标偏差并存储，然后中央控制计算机根据该坐标偏差发出指令使车载电控装置的探测头探测角度控制回路再次工作，车载电控装置的工业控制计算机控制探测头的探测头角度定位控制驱动动作使该步进位置的探测头旋转并定位至该步进位置的扫描仪的扫描平面平行于基点扫描平面的位置，然后车载电控装置的工业控制计算机控制探测头的探测头角度定位控制驱动动作使扫描仪在修正后的扫描平面内360°范围内旋转进行第一步距平面扫描，探测头的扫描仪将第一步距平面扫描数据发送至中央控制计算机，中央控制计算机根据存储的坐标偏差将第一步距平面扫描数据与基点平面扫描数据进行同一基准的拟合并三维建模后进行存储；

然后中央控制计算机发出指令使车载电控装置的工业控制计算机控制探测机器人单元整体以上一步进位置的坐标点为参照坐标点再次向地下空洞内部坐标移动步进一个设定步距并停止，以此类推，探测机器人单元每步进一步，探测头的陀螺仪首先将该步进位置的扫描仪坐标位置数据发送至中央控制计算机，然后中央控制计算机进行存储的同时将该步进位置的陀螺仪反馈的扫描仪坐标位置数据与上一步进位置的陀螺仪反馈的扫描仪坐标位置数据进行比较、计算该步进位置的扫描仪坐标位置与上一步进位置的扫描仪坐标位置之间的坐标偏差并存储，然后中央控制计算机根据该坐标偏差发出指令使该步进位置的探测头旋转并定位至该步进位置的扫描仪的扫描平面平行于上一步进位置的扫描仪的扫描平面的位置，然后车载电控装置的工业控制计算机控制探测头的探测头角度定位控制驱动动作使扫描仪在修正后的扫描平面内360°范围内旋转进行步距平面扫描，探测头的扫描仪将步距平面扫描数据发送至中央控制计算机，中央控制计算机根据存储的坐标偏差将该步进位置的步距平面扫描数据与上一步进位置的步距平面扫描数据进行同一基准的拟合并三维建模后进行存储，直至根据探测头的距离传感器的反馈完成整个地下空洞内腔的扫描，中央控制计算机将最终的地下空洞三维空间模型进行存储。

作为本发明的进一步改进方案，地下空洞智能化充填系统的探测机械臂包括探测机械臂驱动，探测机械臂驱动至少包括控制探测机械臂左右水平方向移动的x坐标驱动机构、或控制探测机械臂前后水平方向移动的y坐标驱动机构、或控制探测机械臂竖直方向移动的z坐标驱动机构；车载电控装置还包括探测机械臂控制回路，车载电控装置的工业控制计算机与探测机械臂的探测机械臂驱动电连接；集中电控单元还包括扫描间距控制回路；

步骤b探测机器人单元每步进一步，中央控制计算机根据该坐标偏差发出指令使该步进位置的探测头旋转并定位至该步进位置的扫描仪的扫描平面平行于上一步进位置的扫描仪的扫描平面的位置后，中央控制计算机同时根据该坐标偏差发出指令使车载电控装置的探测机械臂控制回路工作，车载电控装置控制探测机械臂驱动动作使该步进位置的扫描仪的扫描平面与上一步进位置的扫描仪的扫描平面之间的间距调整至设定距离，然后车载电控装置的工业控制计算机控制探测头的探测头角度定位控制驱动动作使扫描仪在修正后的扫描平面内360°范围内旋转进行步距平面扫描。

作为本发明的进一步改进方案，地下空洞智能化充填系统的打印机械臂驱动还包括沿左右水平方向为中轴线旋转移动的a坐标旋转驱动机构或沿前后水平方向为中轴线旋转移动的b坐标旋转驱动机构，或者还包括沿左右水平方向为中轴线旋转移动的a坐标旋转驱动机构和沿前后水平方向为中轴线旋转移动的b坐标旋转驱动机构。

作为本发明的进一步改进方案，地下空洞智能化充填系统的打印喷头上还设有模式识别传感器，集中电控单元还包括3d打印实体修正回路，中央控制计算机与模式识别传感器电连接；

步骤d空间三维支护模型的实体打印过程中，3d打印实体修正回路工作，模式识别传感器实时向中央控制计算机反馈3d打印实体的形体尺寸数据，中央控制计算机将该3d打印实体的形体尺寸数据与存储的地下空洞空间三维支护模型上对应部分的模型数据进行比较，若3d打印实体的形体尺寸数据小于地下空洞空间三维支护模型上对应部分的模型数据，则中央控制计算机发出指令控制3d打印喷头中断3d打印路径、并根据地下空洞空间三维支护模型上对应部分的模型数据按照此部分的3d打印路径重复进行此部分3d打印路径的3d打印，直至3d打印实体的形体尺寸数据大于或等于地下空洞空间三维支护模型上对应部分的模型数据，然后中央控制计算机再发出指令控制3d打印喷头继续按规划的3d打印路径进行3d打印。

作为本发明的进一步改进方案，步骤b探测机器人单元向地下空洞内部步进并对地下空洞的内腔进行扫描的过程中，探测头的扫描仪的扫描方式采用基于无线传电的非接触电位测量方式。

作为本发明的进一步改进方案，步骤c中央控制计算机根据输入的地下空洞外围环境地质数据对地下空洞三维空间模型的外部进行施加应力场计算分析后，中央控制计算机首先以地下空洞三维空间模型为基础在地下空洞三维空间模型的内部表面拟合生成表面支护层模型，然后在表面支护层模型的基础上再根据施加应力场计算分析结果和输入的安全系数依次在表面支护层模型的内表面上对应地下空洞三维空间模型的应力集中点的位置构建支护模型生成地下空洞空间三维支护模型并存储地下空洞空间三维支护模型坐标位置信息，然后中央控制计算机先规划表面支护层模型的打印路径、再规划支护模型的打印路径；步骤d空间三维支护模型的实体打印过程中，3d打印机器人单元先对地下空洞的内表面进行3d打印表面支护层模型实体、再在地下空洞内部进行3d打印支护模型的实体。

作为本发明的进一步改进方案，步骤c进行3d打印路径规划和打印基准坐标规划过程中，中央控制计算机以3d打印机器人单元的初始位置为参照坐标原点、按照地下空洞空间三维支护模型中应力集中由大至小的顺序进行3d打印路径规划和打印基准坐标规划。

作为本发明的进一步改进方案，所述的步骤c生成地下空洞空间三维支护模型的过程中，针对地下空洞内的即有支撑柱，在即有支撑柱的外部构建支护加固层。

作为本发明的打印材料输入的一种实施方式，所述的打印材料包括石料废弃物粉末；打印材料供给子单元设置在地面，打印材料供给子单元包括原料配制装置和延伸至地下并与打印材料泵入机构的输入端连通连接的输送管道，步骤d中打印材料的输入方式采用地上配制并输入地下的方式；或者打印材料供给子单元设置在地下巷道内，打印材料供给子单元与集中电控单元的中央控制计算机电连接，打印材料供给子单元包括原料配制装置，原料配制装置包括破碎机，破碎机将石料废弃物进行现场破碎，步骤d中打印材料的输入方式采用地下现场配制并输入的方式。

与现有技术相比，本地下空洞智能化充填系统由于包括探测机器人单元、3d打印机器人单元和集中电控单元，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根据输入的地下空洞地理位置数据和围岩数据等地下空洞外围环境地质数据对地下空洞三维空间模型的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地下空洞三维空间模型内部表面的应力集中点位置构建支护模型生成地下空洞空间三维支护模型，并进行3d打印路径规划和打印基准坐标规划生成3d打印路径和打印基准坐标，3d打印机器人单元依照3d打印路径和打印基准坐标可在地下空洞内部直接3d打印地下空洞空间三维支护模型的实体，经过应力计算的地下空洞空间三维支护模型实体是具有满足支护强度的针对性支护，在完全满足支护强度的前提下可以实现可控的支护质量和可控的充填量，较传统的完全充填方式能够实现较低的充填成本，而且由于不需设置占用空间较大的输送设备和夯实设备，因此具有较高的充填效率和较高的安全性，甚至可以在地下空洞内部进行有效支护的前提下实现富余空间的再利用，特别适用于地下空洞的充填治理作业。

附图说明

图1是地下空洞智能化充填系统的结构示意图；

图2是使用本发明进行充填前的地下空洞结构示意图；

图3是使用本发明进行充填后的地下空洞结构示意图。

图中：1、探测机器人单元，11、探测机械臂，12、车载电控装置，13、探测头，2、3d打印机器人单元，21、打印机械臂，22、打印材料输入装置，23、打印电控装置，24、3d打印喷头，3、集中电控单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，地下空洞智能化充填系统包括探测机器人单元1、3d打印机器人单元2和集中电控单元3。

所述的探测机器人单元1包括全地形行走底盘、探测机械臂11和车载电控装置12；全地形行走底盘设置在探测机器人单元1的底部，全地形行走底盘包括电控驱动机构和转向控制机构；探测机械臂11的底端安装在全地形行走底盘上，探测机械臂11的顶端设有探测装置，探测装置包括探测头13，探测头13包括距离传感器、扫描仪、陀螺仪、探测头角度定位控制驱动，探测头角度定位控制驱动至少包括沿左右水平方向为中轴线旋转移动的a坐标旋转驱动机构和沿前后水平方向为中轴线旋转移动的b坐标旋转驱动机构；车载电控装置12固定安装在全地形行走底盘上，车载电控装置12包括工业控制计算机、探测机器人行走控制回路、探测头探测角度控制回路，工业控制计算机分别与全地形行走底盘的电控驱动机构和转向控制机构电连接，工业控制计算机与探测头13的探测头角度定位控制驱动电连接。

所述的3d打印机器人单元2包括全地形行走底盘、打印机械臂21、打印材料输入装置22和打印电控装置23；全地形行走底盘设置在3d打印机器人单元2的底部，全地形行走底盘包括电控驱动机构和转向控制机构；打印机械臂21安装在全地形行走底盘上，打印机械臂21包括打印机械臂驱动，打印机械臂驱动至少包括控制打印机械臂左右水平方向移动的x坐标驱动机构、控制打印机械臂前后水平方向移动的y坐标驱动机构、控制打印机械臂竖直方向移动的z坐标驱动机构，打印机械臂21的末节上设有3d打印装置，3d打印装置包括3d打印喷头24；打印材料输入装置22包括打印材料泵入机构，打印材料泵入机构的输入端与打印材料供给子单元连接，打印材料供给子单元供应打印材料，打印材料泵入机构的输出端与3d打印喷头24通过打印材料输出管路连接；打印电控装置23固定安装在全地形行走底盘上，打印电控装置23包括工业控制计算机、3d打印机器人行走控制回路、3d打印喷头位置控制回路、打印材料泵入机构控制回路，工业控制计算机分别与全地形行走底盘的电控驱动机构和转向控制机构电连接，工业控制计算机分别与打印机械臂驱动、打印材料泵入机构电连接。

所述的集中电控单元3包括中央控制计算机、探测控制回路、数据建模回路、探测机器人位置反馈修正回路、3d打印控制回路，中央控制计算机分别与探测头13的距离传感器、扫描仪、陀螺仪电连接，中央控制计算机分别与车载电控装置12的工业控制计算机和打印电控装置23的工业控制计算机电连接。

本地下空洞智能化充填系统在使用前，针对天然地质运动产生的地下空洞，通过地质雷达探测地下空洞的大概位置后，在保证掘进贯通点附近的原始岩层的支护强度较大的前提下选择合适的掘进贯通点，通过掘进机经掘进贯通点掘进出与地下空洞贯通的巷道并对该巷道进行有效支护。而针对煤矿采空区地下空洞或煤层燃空区地下空洞等人为岩土活动形成的地下空洞由于人为岩土活动形成的地下空洞均具有与地下空洞贯通的巷道，因此可以省略该步骤。

以煤矿采空区为例，本地下空洞智能化充填系统充填操作前，如图2所示，将探测机器人单元1和3d打印机器人单元2置于与煤矿采空区连通的巷道内，然后集中电控单元3控制探测控制回路、探测机器人位置反馈修正回路、数据建模回路开始工作，中央控制计算机首先发出指令使车载电控装置12的探测头探测角度控制回路开始工作，车载电控装置12的工业控制计算机控制探测头13的探测头角度定位控制驱动动作使探测头13的扫描仪在基点扫描平面内360°范围内旋转进行以初始位置为参照坐标原点的基点平面扫描，探测头13的扫描仪同时将该基点平面扫描数据发送至中央控制计算机、同时探测头13的陀螺仪将参照坐标原点位置的扫描仪坐标位置数据发送至中央控制计算机，中央控制计算机将基点平面扫描数据和参照坐标原点位置的扫描仪坐标位置数据进行存储；

然后中央控制计算机发出指令使车载电控装置12的探测机器人行走控制回路开始工作，车载电控装置12的工业控制计算机控制探测机器人单元1的全地形行走底盘的电控驱动机构和转向控制机构动作使探测机器人单元1整体以初始位置为参照坐标原点向煤矿采空区内部坐标移动步进一个设定步距并停止，然后探测头13的陀螺仪首先将该步进位置的扫描仪坐标位置数据发送至中央控制计算机，然后中央控制计算机进行存储的同时将该步进位置的陀螺仪反馈的扫描仪坐标位置数据将与参照坐标原点位置的扫描仪坐标位置数据进行比较、计算该步进位置的扫描仪坐标位置与参照坐标原点位置的扫描仪坐标位置之间的坐标偏差并存储，然后中央控制计算机根据该坐标偏差发出指令使车载电控装置12的探测头探测角度控制回路再次工作，车载电控装置12的工业控制计算机控制探测头13的探测头角度定位控制驱动动作使该步进位置的探测头13旋转并定位至该步进位置的扫描仪的扫描平面平行于基点扫描平面的位置，然后车载电控装置12的工业控制计算机控制探测头13的探测头角度定位控制驱动动作使扫描仪在修正后的扫描平面内360°范围内旋转进行第一步距平面扫描，探测头13的扫描仪将第一步距平面扫描数据发送至中央控制计算机，中央控制计算机根据存储的坐标偏差将第一步距平面扫描数据与基点平面扫描数据进行同一基准的拟合并三维建模后进行存储；

然后中央控制计算机发出指令使车载电控装置12的工业控制计算机控制探测机器人单元1整体以上一步进位置的坐标点为参照坐标点再次向煤矿采空区内部坐标移动步进一个设定步距并停止，以此类推，探测机器人单元1每步进一步，探测头13的陀螺仪首先将该步进位置的扫描仪坐标位置数据发送至中央控制计算机，然后中央控制计算机进行存储的同时将该步进位置的陀螺仪反馈的扫描仪坐标位置数据与上一步进位置的陀螺仪反馈的扫描仪坐标位置数据进行比较、计算该步进位置的扫描仪坐标位置与上一步进位置的扫描仪坐标位置之间的坐标偏差并存储，然后中央控制计算机根据该坐标偏差发出指令使该步进位置的探测头13旋转并定位至该步进位置的扫描仪的扫描平面平行于上一步进位置的扫描仪的扫描平面的位置，然后车载电控装置12的工业控制计算机控制探测头13的探测头角度定位控制驱动动作使扫描仪在修正后的扫描平面内360°范围内旋转进行步距平面扫描，探测头13的扫描仪将步距平面扫描数据发送至中央控制计算机，中央控制计算机根据存储的坐标偏差将该步进位置的步距平面扫描数据与上一步进位置的步距平面扫描数据进行同一基准的拟合并三维建模后进行存储，直至根据探测头13的距离传感器的反馈完成整个煤矿采空区的扫描，中央控制计算机发出指令使探测机器人单元1坐标回退至初始位置、并将最终的采空区三维空间模型进行存储。

数据建模回路开始工作，中央控制计算机根据输入的采空区地理位置数据和围岩数据等采空区外围环境地质数据对采空区三维空间模型的外部进行施加应力场计算分析，并以采空区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采空区三维空间模型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，然后将各空间支护模型进行拟合连接构建一体结构的网格空间支护模型并存储空间三维支护模型坐标位置信息，然后中央控制计算机以3d打印机器人单元2的初始位置为参照坐标原点、按照空间三维支护模型中应力集中由大至小的顺序进行3d打印路径规划和打印基准坐标规划，并存储3d打印路径和打印基准坐标；

3d打印控制回路开始工作，中央控制计算机发出指令使打印电控装置23的3d打印机器人行走控制回路开始工作，打印电控装置23的工业控制计算机根据3d打印路径控制3d打印机器人单元2的全地形行走底盘的电控驱动机构和转向控制机构动作使3d打印机器人单元2坐标移动至煤矿采空区内部对应空间三维支护模型坐标位置的设定位置，然后3d打印喷头位置控制回路开始工作，打印电控装置23的工业控制计算机根据3d打印路径控制打印机械臂21的打印机械臂驱动动作使3d打印喷头24坐标移动至打印基准坐标位置，打印材料泵入机构控制回路开始工作，打印电控装置23的工业控制计算机控制打印材料输入装置22的打印材料泵入机构动作使泵出的打印材料经3d打印喷头24输出，然后打印电控装置23的工业控制计算机控制打印机械臂21的打印机械臂驱动动作使3d打印喷头24根据3d打印路径坐标移动进行3d打印，应力集中由大至小的顺序可以实现首先3d打印应力集中较大的部位首先进行支护，以进一步保证后续3d打印的安全性，如图3所示，至3d打印路径终点时完成空间三维支护模型的实体打印，3d打印机器人单元2回退至初始位置即可。

针对煤矿采空区内的即有支撑煤柱、或天然地下空洞中的即有钟乳石柱，可根据应力大小及地下空洞空间三维支护模型直接在即有支撑煤柱或即有钟乳石柱的外部3d打印支护层以实现对即有支撑煤柱或即有钟乳石柱支护能力的加强。

本地下空洞智能化充填系统探测头13的扫描仪的扫描平面可以根据具体工况采用水平扫描平面或者采用竖直扫描平面，扫描方式可以采用基于雷达技术的雷达扫描、基于激光技术的激光扫描、基于红外成像的红外线扫描、基于超声波定位的超声波扫描、基于磁信号的磁性扫描等。

为了能够在对地下空洞进行扫描的同时得到地下空洞周围围岩的岩性数据，进而便于后续的应力计算，作为本发明的进一步改进方案，探测头13的扫描仪的扫描方式采用基于无线传电的非接触电位测量方式。

为了避免在3d打印实体的过程中地下空洞的顶板掉落石块造成设备损坏，同时为了保证3d打印实体的过程中空间三维支护模型的实体能够与地下空洞的表面有效融合连接，作为本发明的进一步改进方案，中央控制计算机首先以采空区三维空间模型为基础在采空区三维空间模型的内部表面拟合生成表面支护层，然后再根据施加应力场计算分析结果和输入的安全系数依次对采空区三维空间模型的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存储空间三维支护模型坐标位置信息，然后中央控制计算机先规划表面支护层的打印路径、再规划支护模型的打印路径；3d打印过程中3d打印机器人单元2先对地下空洞的内表面进行3d打印表面支护层、再在地下空洞内部进行空间三维支护模型的3d实体打印。

为了充分利用如煤矸石、废石等人为岩土活动产生的废弃物，作为本发明的进一步改进方案，所述的打印材料包括煤矸石或建筑垃圾或废石等石料废弃物粉末。

针对天然地质运动产生的地下空洞，作为本发明打印材料供给子单元的一种实施方式，打印材料供给子单元设置在地面，打印材料供给子单元包括原料配制装置和延伸至地下并与打印材料泵入机构的输入端连通连接的输送管道。

针对人为岩土活动形成的地下空洞，作为本发明打印材料供给子单元的另一种实施方式，打印材料供给子单元设置在地下巷道内，打印材料供给子单元与集中电控单元3的中央控制计算机电连接，打印材料供给子单元包括原料配制装置，原料配制装置包括破碎机，集中电控单元3的中央控制计算机控制打印材料供给子单元使破碎机直接将煤矸石进行现场破碎，避免矸石上井的额外动力消耗。

为了实现各扫描平面之间的均匀度、进而更准确地拟合生成采空区三维空间模型，作为本发明的进一步改进方案，所述的探测机械臂11包括探测机械臂驱动，探测机械臂驱动至少包括控制探测机械臂11左右水平方向移动的x坐标驱动机构、或控制探测机械臂11前后水平方向移动的y坐标驱动机构、或控制探测机械臂11竖直方向移动的z坐标驱动机构；车载电控装置12还包括探测机械臂控制回路，车载电控装置12的工业控制计算机与探测机械臂11的探测机械臂驱动电连接；所述的集中电控单元3还包括扫描间距控制回路。探测机器人单元1每步进一步，中央控制计算机根据该坐标偏差发出指令使该步进位置的探测头13旋转并定位至该步进位置的扫描仪的扫描平面平行于上一步进位置的扫描仪的扫描平面的位置后，中央控制计算机同时根据该坐标偏差发出指令使车载电控装置12的探测机械臂控制回路工作，车载电控装置12控制探测机械臂驱动动作使该步进位置的扫描仪的扫描平面与上一步进位置的扫描仪的扫描平面之间的间距调整至设定距离，然后车载电控装置12的工业控制计算机控制探测头13的探测头角度定位控制驱动动作使扫描仪在修正后的扫描平面内360°范围内旋转进行步距平面扫描。

为了增加打印喷头24的灵活度、实现全方位的3d打印，作为本发明的进一步改进方案，打印机械臂驱动还包括沿左右水平方向为中轴线旋转移动的a坐标旋转驱动机构或沿前后水平方向为中轴线旋转移动的b坐标旋转驱动机构，或者还包括沿左右水平方向为中轴线旋转移动的a坐标旋转驱动机构和沿前后水平方向为中轴线旋转移动的b坐标旋转驱动机构。

为了进一步准确保证3d打印的效果，作为本发明的进一步改进方案，打印喷头24上还设有模式识别传感器，集中电控单元3还包括3d打印实体修正回路，中央控制计算机与模式识别传感器电连接。3d打印过程中，3d打印实体修正回路工作，模式识别传感器实时向中央控制计算机反馈3d打印实体的形体尺寸数据，中央控制计算机将该3d打印实体的形体尺寸数据与存储的地下空洞空间三维支护模型上对应部分的模型数据进行比较，若3d打印实体的形体尺寸数据小于地下空洞空间三维支护模型上对应部分的模型数据，则中央控制计算机发出指令控制3d打印喷头24中断3d打印路径、并根据地下空洞空间三维支护模型上对应部分的模型数据按照此部分的3d打印路径重复进行此部分3d打印路径的3d打印，直至3d打印实体的形体尺寸数据大于或等于地下空洞空间三维支护模型上对应部分的模型数据，然后中央控制计算机再发出指令控制3d打印喷头24继续按规划的3d打印路径进行3d打印。

为了减少机构设置，作为本发明的进一步改进方案，探测机器人单元1和3d打印机器人单元2共用同一个全地形行走底盘。

本地下空洞智能化充填系统由于包括探测机器人单元1、3d打印机器人单元2和集中电控单元3，在探测机器人单元1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3的中央控制计算机根据输入的地下空洞地理位置数据和围岩数据等地下空洞外围环境地质数据对地下空洞三维空间模型的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地下空洞三维空间模型内部表面的应力集中点位置构建支护模型生成地下空洞空间三维支护模型，并进行3d打印路径规划和打印基准坐标规划生成3d打印路径和打印基准坐标，3d打印机器人单元2依照3d打印路径和打印基准坐标可在地下空洞内部直接3d打印地下空洞空间三维支护模型的实体，经过应力计算的地下空洞空间三维支护模型实体是具有满足支护强度的针对性支护，在完全满足支护强度的前提下可以实现可控的支护质量和可控的充填量，较传统的完全充填方式能够实现较低的充填成本，而且由于不需设置占用空间较大的输送设备和夯实设备，因此具有较高的充填效率和较高的安全性，甚至可以在地下空洞内部进行有效支护的前提下实现富余空间的再利用，特别适用于地下空洞的充填治理作业。