一种适用于立井智能化施工的砌壁模板的制作方法

本发明涉及一种立井井筒混凝土施工中使用的砌壁模板，尤其是一种适用于立井智能化施工的砌壁模板。

背景技术：

立井智能化施工指利用现代通信技术、信息技术、计算机网络技术和实时监控技术等，通过对立井施工过程进行自动检测与优化控制、信息资源的优化管理，以满足立井施工全过程的监控、管理和信息共享需求，进而实现立井施工的无人化、自动化及高效化目标。其核心包括智能化多臂液压伞钻打眼、智能化全液压抓岩机出矸、智能化砌壁模板砌壁以及井内悬吊设备受力实时监测与自动控制等。

在煤矿的立井井筒建设施工中，主要有三大工序，分别是掘进、砌壁和安装。其中砌壁是一道非常重要的工序，它不仅决定着整个井筒的质量，而且影响着矿井整体施工的快速性。砌壁的工作步骤包括立模、浇筑混凝土、等待混凝土凝固、脱模和移模，可见模板在整个砌壁过程中起到了至关重要的作用。

我国砌壁模板的发展历程可概述分为金属模板替代其他材料模板；多缝式发展为单缝式，脱模液压化，段高随掘进水平提高不断增加，独立迈步化等几个阶段，但目前独立迈步技术至今尚未成熟和推广应用。然而，随着我国立井井筒建设深度向800~1 200 m延伸，开挖荒径达9.0~15.0 m发展，目前的模板结构型式以及施工工艺均难以满足实际工程需求。主要表现在模板段高不足（通常<5 m）；悬吊固定困难且调节操作复杂；立模调平对中困难以及功能单一等。另外，传统整体金属模板在井壁混凝土浇筑工程应用中的主要缺点还包括重量大、与混凝土摩擦力大（脱模阻力大）以及易锈蚀等。其支脱模过程虽已实现液压油缸作动，但仍需要投入大量的人员进行辅助调整，且模板只能作为混凝土浇筑的围挡结构，功能相对单一。因此，无论从材料、结构型式抑或是功能系统等各方面来讲，传统整体金属模板根本不涉及任何信息与控制技术，无法满足立井智能化施工的要求。由此，急需从模板材料、结构型式、自动调整和功能多元化等方面重新研发一种新型智能砌壁模板，以解决井壁浇筑质量不可评估、工人劳动强度高，工作环境恶劣，安全风险高等问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，克服现有技术存在的缺陷，提出了一种适用于立井智能化施工的砌壁模板。采用质轻、润滑、不粘的聚四氟乙烯（特氟龙）面板材料，在不改变现有钢模结构基础上，在钢模围板表面喷涂特氟龙涂料，从而变钢板与混凝土的接触为特氟龙涂层与混凝土摩擦，减小脱模阻力。

本发明一种适用于立井智能化施工的砌壁模板，由核心框架筒1、曲线滑轨2和分片滑模3三部分组成，其中核心框架筒1为模板对中、调平及调圆提供基准参考，同时也是分片滑模3寄生母体。曲线滑轨2则不仅提供了分片滑模3的纵向上下行走路径，也实现了其径向收缩的可能，进而实现模板的支立和脱模动作。分片滑模3则主要起到混凝土浇筑支护及质量评估作用。

其中，核心框架筒1为圆柱筒，其直径小于立井井筒内径，分为上、中、下三个段；在上段的上部和下部各设置一圈对中定位导梁8，每圈对中定位导梁8沿圆周均匀分布四支对中定位油缸13。核心框架筒1悬吊固定在下层吊盘9上。

所述核心框架筒1通过悬吊油缸12悬吊固定在下层吊盘9上。

曲线滑轨2分为四组，每组曲线滑轨分别对应一个分片滑模3。每组曲线滑轨均由两个上曲轨和两个下曲轨组成，两个上曲轨相互平行纵向设置在核心框架筒1的中段外表面，两个下曲轨相互平行纵向设置在核心框架筒1的下段外表面。

分片滑模3由四片相同的分片组成，四片分片合拢构成圆筒，圆筒的直径等于立井井筒的内径，高度等于核心框架筒1下段的高度。分片滑模3外表面喷涂特氟龙材料4。

所述分片滑模3的各个分片在上部和下部分别设置定长连杆机构6，定长连杆机构6分别通过滑块安装到对应的上曲轨和下曲轨上，以实现分片滑模3上下纵向行走以及一定量值的径向收缩。

所述定长连杆机构6，由两根定长连杆构成，两个定长连杆的一端同轴铰接在分片滑模3的分片上，另一端均通过滑块（或滑轮、滚轮等）装配在曲线滑轨2的上曲轨或下曲轨上。

分片滑模3的各个分片均通过行走油缸7悬吊在对中定位导梁8上。分片滑模3沿曲线滑轨2的各曲轨行走的动力由行走油缸7提供。

另外为实现模板的姿态可调，在两对中定位导梁8间沿圆周均布设置三支激光测距传感器18，以测定核心框架筒1不同圆周位置与已浇筑完成井壁之间的距离，进而实现模板的整体对中。同时，在核心框架筒1中段沿圆周均布设置四支倾角传感器17，为模板调平提供定量数据参考。模板的姿态调整顺序为先进行水平度调整后再进行对中调整，而由于核心框架筒1的整体刚度保证，本发明模板无需进行调圆动作。

对于已浇筑混凝土质量实时动态评估，在分片滑模3外表面沿模板高度设置上中下三层压力温度传感器14、水分传感器15以及超声探头16。分片滑模3的每一分片上均布设一组传感器，合计四组十二测点。

本发明模板所有姿态调整以及质量评估传感器均通过有线的方式连接至放置于吊盘9上的智控平台19，通过既定的算法伺服调整模板姿态，并基于一定的数学模型评价已浇筑混凝土质量发展演化。

本发明模板的基本功能仍然是作为立井混凝土浇筑围护结构，但不同于传统整体金属模板通过液压油缸对模板进行环向收缩以实现支脱模，其支脱模动作通过分片滑模3沿曲线滑轨2移动来实现。

曲线滑轨2的设置为上部间距大，下部间距小。当分片滑模3沿曲线滑轨2移动至核心框架筒1最下方时，由于曲线滑轨2在下部间距最小，两定长连杆之间的夹角相应的也变小，定长连杆与模板铰接点21构成的等腰三角形顶点至底边的高度达到最大值D，模板被完全撑开实现支模动作。而当分片滑模3沿曲线滑轨2移动至核心框架筒1中段时，由于曲线滑轨2在上部间距最大，两定长连杆之间的夹角相应的也变大，定长连杆与模板铰接点21构成的等腰三角形顶点至底边的高度达到最小值d，模板沿径向被拉近进而实现了脱模动作。

而为了避免分片滑模3的四块分片同时产生收缩发生闭锁，设计采用将模板分块且将导轨2曲线段设置在不同高度的办法来对向错开解决。相邻两组曲线滑轨2位置错开设定的高度。

本发明模板的工作流程：第N段高混凝土浇筑完成且N+1段高清理浮矸结束后，下放核心框架筒1，与此同时分片滑模3通过行走油缸7的作动沿曲线滑轨2由核心框架筒1的下段向中段行进，经过设置在不同高度上的曲线滑轨2曲线段实现分片滑模3分片沿径向产生收缩，也即模板脱模。在核心框架筒1下放至N+1浇筑段的浮矸上，并进行模板姿态调整后，分片滑模3通过行走油缸7的作动由中段反向位移至下一浇筑段（下段），即可重新实现模板的支立，进行第N+1段高的浇筑，如此往复实现立井井壁混凝土浇筑。

模板姿态自动调整

本发明模板，除作为混凝土浇筑围护结构的基本功能外，还基于多种测试传感技术具有姿态自动调整以及浇筑混凝土质量动态评估的新功能。

调平功能：本发明模板的调平功能实现主要依靠安装在核心框架筒1中段的四支倾角传感器17测定和悬吊油缸12作动，在核心框架筒1随下层吊盘9下放至N+1浇筑段的浮矸上后，四支倾角传感器17对模板的的竖直度进行综合测定，并将测试数据反馈至智控平台19，智控平台19依据既定算法经液压泵站10驱动伺服调整四支悬吊油缸12的不同进程，以达到模板姿态的竖直。

对中功能：本发明型模板的对中功能实现主要依靠安装在核心框架筒1两对中定位导梁8间的三支激光测距传感器18测定和安装在对中定位导梁8上的八支对中定位油缸13作动，同样在核心框架筒1随下层吊盘9下放至N+1浇筑段的浮矸上后，三支激光测距传感器18对模板圆周均分的三点与已浇筑完成井壁之间的相对距离进行测定，并将测试数据反馈至智控平台19，智控平台19依据既定算法经液压泵站10驱动伺服调整八支对中定位油缸13的不同进程，以实现模板圆心的对中。

模板的姿态调整顺序为先进行调平后再进行对中调整，二者之间可能会产生一定的相互影响，由此需要通过既定的算法多次交替调整。另一方面，新型模板的核心框架筒1作为模板主体，设计具有很大的整体刚度，进而以此为寄生母体的模板无需进行调圆动作。

混凝土质量实时动态评估

根据混凝土养护期间质量评估的相关指标要求，在分片滑模3外表面沿模板高度设置上中下三层压力温度传感器14、水分传感器15以及超声探头16。分片滑模3的各分片上均布设一组传感器，合计四组十二测点。所有传感器通过有线的方式连接到智控平台19，按一定的数学模型评估已浇筑混凝土的强度发展并对可能存在的裂缝进行探测，由此指导下一段高混凝土浇筑工艺的及时调整。

本发明模板，结构简单，动作可靠，支模脱模快捷，工作效率高。相较传统整体金属模板主要在材料、结构和控制三个方面进行了全面创新，首先模板的面板材料选定为聚四氟乙烯特氟龙材料，该新型材料具有质轻、易滑、耐腐蚀等诸多优点，从而极大地减小了模板的脱模阻力。其次，变传统直接径向收缩脱支模的方式为依附曲线滑轨沿纵向上下行走间接脱支模，其显著优势为充分保证了模板的圆度不变形，且核心框架筒的增加对新型模板的整体支护质量奠定了基础。最后，新型模板基于多种传感测试技术，增加了模板姿态自动调整以及混凝土浇筑质量实时动态评估功能。

新型模板材料新颖，结构合理，功能多样化，极大地减少了井下作业人员数量，降低劳动强度，提高工作效率，缩短工期，提高施工质量，节约成本，增加效益。

附图说明

图1为本发明适用于立井智能化施工的砌壁模板的整体结构示意图。

图2为分片滑模沿曲线滑轨行走原理图。

图3为本发明适用于立井智能化施工的砌壁模板支立过程示意图。其中，图a是定长连杆机构收缩（模板支立时）状态结构示意图，图b是定长连杆机构展开（模板脱模时）状态结构示意图，图c是分片滑模脱模平面图，图d是完成分片滑模支立平面图。

图4为曲线滑轨沿核心框架筒圆周布置平面展开图。

图5为本发明适用于立井智能化施工的砌壁模板工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明提出的一种适用于立井智能化施工的砌壁模板，包括核心框架筒1、分片滑模3和曲线滑轨2三部分组成。其中核心框架筒1为模板对中、调平及调圆提供基准参考，同时也是分片滑模3寄生母体。曲线滑轨2则不仅提供了分片滑模3的纵向上下行走路径，也实现了其径向收缩的可能，进而实现模板的支立和脱模动作。分片滑模3则主要起到混凝土浇筑支护及质量评估作用。

所述核心框架筒1的高度约为三倍混凝土浇筑段高（≥15 m），核心框架筒1为圆柱筒，其直径小于立井井筒内径，分为上、中、下三个段。在筒顶部以及上1/3高度位置处（上段）各设置一两圈对中定位导梁8（分别是上中定位导梁和下中定位导梁），每圈中定位导梁8上沿圆周均匀分布四支对中定位油缸13。核心框架筒1通过钢丝绳悬吊固定在下层吊盘9上，每根钢丝绳与核心框架筒1的连接点为两个，总共八个连接点在核心框架筒1上中定位导梁的圆周方向上等分分布。另外每根悬吊钢丝绳通过人字形汇合后经悬吊油缸12连接到下层吊盘9，合计设置四支悬吊油缸12以实现新型模板的整体调平。

分片滑模3由四片相同的分片组成，四片分片合拢构成圆筒，圆筒的直径等于立井井筒的内径。分片滑模3的高度等于井壁混凝土浇筑段高（≥5 m），分片滑模3外表面喷涂特氟龙材料4。

分片滑模3的各个分片均通过行走油缸7用钢丝绳悬吊在下对中定位导梁8上。

曲线滑轨2分为四组，每组曲线滑轨分别对应分片滑模的一个分片。每组曲线滑轨均由两个上曲轨和两个下曲轨组成，两个上曲轨相互平行纵向设置在核心框架筒1的中段外表面，两个下曲轨相互平行纵向设置在核心框架筒1的下段外表面。

所述定长连杆机构6，由两根定长连杆构成，两个定长连杆的一端同轴铰接在分片滑模3的分片上，另一端均连接一个滑块20。

在分片滑模3的各个分片的上部设置两个定长连杆机构6-1，定长连杆机构6-1的两个定长连杆的滑块分别滑配在对应的上曲轨上。在分片滑模3的各个分片的下部也设置两个定长连杆机构6-2。定长连杆机构6-2的两个定长连杆的滑块分别滑配在对应的下曲轨上，以实现分片滑模上下纵向行走以及一定量值的径向收缩。

所有对中定位油缸13以及行走油缸7均通过高压胶管11连接至放置于吊盘9上的液压泵站10。

另外为实现模板的姿态可调，在两个对中定位导梁8间沿圆周均布设置三支激光测距传感器18，以测定核心框架筒1不同圆周位置与已浇筑完成井壁之间的距离，进而实现模板的整体对中。同时，在核心框架筒1中段沿圆周均布设置四支倾角传感器17，为悬吊油缸12进行模板调平提供定量数据参考。模板的姿态调整顺序为先进行水平度调整后再进行对中调整，而由于核心框架筒1的整体刚度保证，新型模板无需进行调圆动作。

对于已浇筑混凝土质量实时动态评估，在分片滑模3外表面沿模板高度设置上中下三层压力温度传感器14、水分传感器15以及超声探头16。分片滑模3的每一分片上均布设一组传感器，合计四组十二测点。

本发明模板所有姿态调整以及质量评估传感器均通过有线的方式连接至放置于吊盘9上的智控平台19，通过既定的算法伺服调整模板姿态，并基于一定的数学模型评价已浇筑混凝土发展演化。

本发明模板的基本功能：

本发明模板的基本功能仍然是作为立井混凝土浇筑围护结构，但不同于传统整体金属模板通过液压油缸对模板进行环向收缩以实现支脱模，其支脱模动作通过分片滑模3沿曲线滑轨2移动来实现，原理如图2和图3所示。

分片滑模3在圆周方向上被等分成四块（I、II、III和IV），分片滑模3的每一个分片，均通过上下各两组定长连杆机构（6-1、6-2）分别与曲线滑轨2的上下曲轨（2-1、2-2）相连，也即上组定长连杆机构6-1只沿上曲轨2-1移动，下组同理。同时曲线滑轨2的设置为上部间距大，下部间距小。当分片滑模3沿曲线滑轨2移动至核心框架筒1最下方时（下段A），由于曲线滑轨2在下部间距最小，两定长连杆之间的夹角相应的也变小，由滑块20及定长连杆与模板铰接点21构成的等腰三角形顶点至底边的高度达到最大值D，模板被完全撑开实现支模动作。而当分片滑模2沿曲线滑轨2移动至核心框架筒1中段B时，由于曲线滑轨2在上部间距最大，两定长连杆之间的夹角相应的也变大，由滑块20及定长连杆与模板铰接点21构成的等腰三角形顶点至底边的高度达到最小值d，模板沿径向被拉近进而实现了脱模动作。

而为了避免分片滑模3的四块分片同时产生收缩发生闭锁，设计采用将模板分块且将导轨2曲线段设置在不同高度的办法来对向错开解决。如图4所示，分片滑模3沿圆周向均分为I、II、III和IV共四块，其中与I和III块对应的的曲线滑轨2的曲线段在核心框架筒1上的设置高度相对于与II和IV块对应的的曲线滑轨2的曲线段相对较低一个设定的高度。由此，当核心框架筒1下放时，先进行径向收缩的是相对的I和III分块，产生收缩空间后II和IV对向块再进行脱模。

本发明型模板的工作流程示意如图5所示。第N段高混凝土22浇筑完成且N+1段高清理浮矸23结束后，下放核心框架筒1，与此同时分片滑模3通过行走油缸7的作动沿曲线滑轨2由核心框架筒1的A段向B段行进，经过设置在不同高度上的曲线滑轨2实现滑模分块沿径向产生收缩，也即模板脱模。在核心框架筒1下放至N+1浇筑段的浮矸23上，并进行模板姿态调整后，分片滑模3通过行走油缸7的作动由B段反向位移至下一浇筑段（A段）即可重新实现模板的支立，进行第N+1段高的浇筑，如此往复实现立井井壁混凝土浇筑。

模板姿态自动调整

本发明模板除作为混凝土浇筑围护结构的基本功能外，还基于多种测试传感技术具有姿态自动调整以及浇筑混凝土质量动态评估的新功能。

调平功能：新型模板的调平功能实现主要依靠安装在核心框架筒1中段的四支倾角传感器17测定和悬吊油缸12作动，在核心框架筒1随下层吊盘9下放至N+1浇筑段的浮矸23上后，四支倾角传感器17对模板的的竖直度进行综合测定，并将测试数据反馈至智控平台19，智控平台19依据既定算法经液压泵站10驱动伺服调整四支悬吊油缸12的不同进程，以达到模板姿态的竖直。

对中功能：新型模板的对中功能实现主要依靠安装在核心框架筒1两对中定位导梁8间的三支激光测距传感器18测定和安装在两对中定位导梁8上的八支对中定位油缸13作动，同样在核心框架筒1随下层吊盘9下放至N+1浇筑段的浮矸23上后，三支激光测距传感器18对模板圆周均分的三点与已浇筑完成井壁之间的相对距离进行测定，并将测试数据反馈至智控平台19，智控平台19依据既定算法经液压泵站10驱动伺服调整八支对中定位油缸13的不同进程，以实现模板圆心的对中。

模板的姿态调整顺序为先进行调平后再进行对中调整，二者之间可能会产生一定的相互影响，由此需要通过既定的算法多次交替调整。另一方面，新型模板的核心框架筒1作为模板主体，设计具有很大的整体刚度，进而以此为寄生母体的模板无需进行调圆动作。

混凝土质量实时动态评估

根据混凝土养护期间质量评估的相关指标要求，在分片滑模3外表面沿模板高度设置上中下三层压力温度传感器14、水分传感器15以及超声探头16。分片滑模3的每一分片上均布设一组传感器，合计四组十二测点。所有传感器通过有线的方式连接到智控平台19，按一定的数学模型评估已浇筑混凝土的强度发展并对可能存在的裂缝进行探测，由此指导下一段高混凝土浇筑工艺的及时调整。