基于T R IZ 理論的深部巷道圍巖控制技術改進

文/姚韋靖 王成軍 龐建勇

（1.美亞高新材料股份有限公司；2.安徽理工大學安徽省創(chuàng)新方法推廣應用與示范基地；3.安徽理工大學土木建筑學院)

TRIZ 理論由蘇聯(lián)科學家阿奇舒勒所建立，意為“發(fā)明問題解決理論”，是用系統(tǒng)化的流程來解決特殊問題或矛盾的創(chuàng)新方法。采用這種理論，能夠幫助設計者系統(tǒng)地分析問題，快速找到問題的本質，準確發(fā)現(xiàn)設計中需要解決的問題，找到具有創(chuàng)新性的解決方案，縮短發(fā)明周期，提高發(fā)明成功率[1]。TRIZ 理論傳入國內后，經過一段時間的發(fā)展與推廣，目前已經廣泛應用于軍事、機械、化工、信息技術、管理、土建等諸多學科領域。實踐證明，TRIZ 理論有助于加快發(fā)明創(chuàng)造的進程，得到高質量的創(chuàng)新產品，是實現(xiàn)創(chuàng)新設計和概念設計的最有效方法[2]。

針對煤礦深埋巷道面臨高地壓圍巖穩(wěn)定難以控制的技術難題，筆者運用TRIZ 理論精確發(fā)現(xiàn)巷道圍巖控制技術設計中需要解決的問題，以新視角嘗試解決深埋巷道圍巖控制難題，通過功能組件分析和因果軸分析，解析問題的根本原因，同時運用解決技術矛盾、物理矛盾和物- 場分析多種方法來優(yōu)化圍巖控制技術，為相關工程提供參考。

一、 巷道圍巖控制技術系統(tǒng)分析

1.問題描述

煤炭長期支持中國經濟快速穩(wěn)定發(fā)展。隨著深部開采呈常態(tài)化，深埋高應力巷道愈加普遍[3]。目前，對圍巖壓力不大的巷道常常采用錨網(wǎng)噴支護，對圍巖壓力較大的巷道更為廣泛地采用U 型鋼可縮性支架。但我國的U 型鋼支架可縮量小于巷道斷面的20%，不能有效地控制巷道變形；此外，深埋巷道中由于較大的側壓力和圍壓分布不均勻使支架失去穩(wěn)定性、可縮性，減弱了支架本身優(yōu)越的力學性能[4]。總之，巷道圍巖穩(wěn)定控制是圍巖變形與支護抗力的矛盾技術體系，迫切需要支護強度高于錨網(wǎng)噴支護結構、而支護成本低于U 型鋼支架結構的輕便支護形式。

2.功能組件分析

通過功能組件分析可知，技術系統(tǒng)為巷道支護措施，主要功能為維持巷道圍巖穩(wěn)定。系統(tǒng)組件包括錨桿、錨索、鋼筋網(wǎng)、U 型鋼支架、噴射混凝土、注漿漿液等，與之相對應的超系統(tǒng)組件和子系統(tǒng)組件見表1。

表1 功能組件分析

據(jù)此分析，繪制了圖1 的功能組件模型。由圖1可見，以鋼筋網(wǎng)和U 型鋼兩種常用支護手段作為支護體系的核心，其他的支護手段均對其產生定位、緊固、提高等有益作用，對防止圍巖垮落、提高自承載能力起到輔助作用。圍巖的頂板和兩幫對人員安全產生危害，而圍巖的底板則妨礙運輸生產。分析可知，造成圍巖變形破壞的原因是支護不足以支撐圍巖體，但若用U 型鋼過度支護，則經濟上又不合適；底板由于產生人、機破壞較少，在工程上不受重視，缺乏支護。

圖1 功能組件模型圖

3.因果分析

因果分析思路如圖2 所示。由圖2 可見，造成巷道圍巖變形大的主要原因是支護措施支撐力不足，而巷道斷面擴大、長度延長、圍巖所處的復雜環(huán)境不可控制，但支護強度、施工質量與施工方法是造成支護力不足的主要原因。

圖2 因果軸分析

二、巷道圍巖控制技術優(yōu)化

1. 技術沖突表達

通過前述功能組件和因果軸分析可知，產生問題的原因是經濟有效的支護方式與圍巖大變形的矛盾。雖然錨網(wǎng)噴支護經濟成本較低，但僅能防止碎石垮落、強度低，而U 型鋼支護成本高，且當圍巖變形強烈時，可縮性達不到要求，另外底板不進行支護是造成底臌量普遍較大的原因。

運用TRIZ 發(fā)明原理予以解決，認為“強度- 形狀”構成了矛盾，改善參數(shù)為強度，惡化參數(shù)為形狀，查詢得發(fā)明原理為10、30、35、40。通過對以上發(fā)明原理分析并綜合考慮[5]，采用30 號柔性殼體原理或薄膜原理，使用柔性殼體或薄膜代替標準結構，或將物體與環(huán)境隔離。受此概念設計啟發(fā)，可以將支護結構設計為柔性結構，借鑒地面網(wǎng)殼柔性結構質量輕、穩(wěn)定性強的優(yōu)勢，研發(fā)出適于礦井巷道的新型半剛性網(wǎng)殼襯砌結構。

半剛性網(wǎng)殼襯砌支護結構由鋼筋網(wǎng)架和噴射混凝土組成，鋼筋網(wǎng)架如圖3 所示。由圖3 可見，該結構為用鋼筋在地面焊接而成的板殼結構，外表面自成一層鋼筋網(wǎng)，可承托圍巖表面，內部是立體縱橫交叉的鋼筋網(wǎng)架支撐著外層鋼筋網(wǎng)。每塊構件由主弧筋、次弧筋、橋形架、連接筋縱橫立體連接而成，構件的兩端焊接著帶有螺栓孔的連接板，每架支架由數(shù)塊構件對頭拼接，用螺栓連接。支架本身有一定的柔性讓壓性能，此外，還可以在對接處嵌入木墊板，使支架有一定的可縮性。該種網(wǎng)殼支架是一架緊接著一架進行安裝的，架間不留間隔，架設完畢后，其承載體不是鋼筋梁拱，而是眾多縱橫相連的小跨度雙向鋼筋拱殼，可充分削弱鋼筋的彎曲變形，增強支架的三向承載能力。

圖3 鋼筋網(wǎng)殼支架及網(wǎng)殼錨噴支護

針對該種新型半剛性網(wǎng)殼支護結構，采用理論分析、數(shù)值計算、室內試驗和現(xiàn)場試驗等方法，制定出完備的設計方法、加工質量標準、施工工藝流程，測定出其最大承載能力。這種結構有兩個顯著特點，一是混凝土被包圍在眾多小跨度雙向鋼筋拱殼之內，噴層所受的拉剪應力被明顯削弱，抗壓強度得到充分利用，因而支撐能力比普通配筋噴層大大提高；二是施噴混凝土既能與圍巖共同變形，又對圍巖提供了更強的支撐力。所以這種結構既能在初期支護實現(xiàn)讓壓大變形的柔性支護效果，又能在永久支護中提供強有力的剛性支護能力。這種結構代替普通的鋼筋網(wǎng)可大幅度提高錨網(wǎng)噴結構的支撐能力，不需要使用型鋼支架、錨索、圍巖注漿等手段進行加固就能有效地支護高地壓大變形巷道、動壓巷道、沖擊地壓巷道及大斷面硐室等。支護工程量與普通錨網(wǎng)噴支護相同，支護成本略高于普通錨網(wǎng)噴支護，但遠低于錨網(wǎng)噴加其他支護手段的聯(lián)合支護方式[6-8]。

2.物理沖突表達

由系統(tǒng)功能分析可知，在支護完成后希望提供高強的支護強度，因而需要大型復合支護系統(tǒng)；在支護施工過程中，又希望便于安裝、減輕勞動強度，而且要求系統(tǒng)質量與精度高。因此，使用時間分離原理解決問題，聯(lián)想到采用預制裝配、機械施工的方法提高支護系統(tǒng)質量與精度，從而提高強度，降低勞動量，解決施工精度低造成的強度不足問題。

在鋼筋網(wǎng)殼支架支護方案中，地面預制成型后的鋼筋網(wǎng)殼支架，采用分片運輸?shù)骄鹿ぷ髅孢M行拼裝施工的工藝流程，降低了井下工作強度、簡化了安裝作業(yè)、提高了支護施工的精度與質量，實現(xiàn)了支架輕型化、立體化和連續(xù)化。

3.物-場分析

由系統(tǒng)功能分析和因果軸分析可知，底板往往疏于支護而造成底板隆起現(xiàn)象嚴重，妨礙正常的運輸生產。因此，采用一般解法2 增加第三種物質來阻止有害作用以解決該類問題。解法如圖4 所示，采用增加反底拱支護的方法以阻止底板隆起的有害作用，由此而產生了反底拱支護以遏制底板變形的設計思路。

圖4 物-場模型分析

結合發(fā)明原理30 柔性殼體原理概念，設計出格構式三維鋼筋混凝土反底拱襯砌結構，如圖5 所示。具體施工時，首先將巷道底板超挖至規(guī)定的深度，一般為200～600 mm，將反底拱襯砌結合底角錨桿安設于巷道底板，利用底角錨桿以及反底拱兩端連接于幫部支架，使反底拱固定于巷道底部。該結構可有效阻止巷道底板隆起，此外，超挖回填的混凝土或碎石也可以起到一定的緩沖作用。反拱鋼筋支架依然由主弧筋承接底板圍巖表面，次弧筋及其他若干連接筋縱橫立體交叉焊接而成，這是鋼筋網(wǎng)殼支架在使用范圍上的延伸與擴展。

圖5 格構式三維鋼筋混凝土反底拱襯砌結構

4.方案整理

綜合以上方案，既要控制頂幫圍巖大變形，又要遏制底臌的產生，因而形成半剛性全封閉鋼筋網(wǎng)殼支護結構以控制圍巖大變形的支護方案，每棚鋼筋網(wǎng)殼由1 片頂網(wǎng)殼、4 片側網(wǎng)殼和2 片底網(wǎng)殼拼裝組成。每片網(wǎng)殼依然由主弧筋、次弧筋和若干連接筋焊接而成，網(wǎng)殼兩端各焊接1 塊帶螺栓孔的連接板。頂、側和底網(wǎng)殼拼裝時，為保證支架的可縮性，在接頭處各加夾1 塊厚度為50 mm 的木墊板，再用螺栓連接。

該支護設計方案在淮南礦業(yè)集團潘三煤礦西二石門大巷得到成功應用，大巷埋深-550 m，穿過的煤層主要有砂巖和泥巖等，巷道裂隙發(fā)育、變形嚴重，采用U29 型鋼支護后巷道變形仍極為嚴重，支護困難，嚴重制約了礦井安全高效生產。在該巷道150 m 范圍內采用全封閉網(wǎng)殼錨噴支護結構，并進行兩個多月的現(xiàn)場監(jiān)測。檢測結果表明，巷道兩幫變形量被控制在20 mm 以內，底臌量被控制在15 mm 以內，證實網(wǎng)殼支架結構合理，整體性強，同時具有一定的讓壓性能，實現(xiàn)了圍巖與網(wǎng)殼的共同變形，可以有效抵抗巷道的大變形，基本實現(xiàn)巷道修復、支護一次成功[9-10]。

三、結語

基于TRIZ 理論對巷道圍巖控制系統(tǒng)進行系統(tǒng)功能分析、因果軸分析，尋找巷道圍巖出現(xiàn)大變形難以控制技術難題中的問題，并根據(jù)所得出的結論進行矛盾分析、物- 場分析，得到具體實施方案并對結構進一步優(yōu)化分析，得到的鋼筋網(wǎng)殼錨噴支護進一步優(yōu)化為半剛性全封閉鋼筋網(wǎng)殼支護結構，依托典型巷道工程，完成工業(yè)試驗與推廣應用，取得了較好的圍巖控制效果。研發(fā)過程證明了TRIZ 理論創(chuàng)新方法在求解工程問題上的可行性，擴展了優(yōu)化設計思路，為類似巷道支護工程設計提供了有益參考與借鑒。[本文系國家創(chuàng)新方法工作專項項目“安徽省創(chuàng)新方法推廣應用與示范”(項目編號：2018IM010500) 的研究成果。 ]