基于T R IZ 理论的深部巷道围岩控制技术改进

文/姚韦靖 王成军 庞建勇

（1.美亚高新材料股份有限公司；2.安徽理工大学安徽省创新方法推广应用与示范基地；3.安徽理工大学土木建筑学院)

TRIZ 理论由苏联科学家阿奇舒勒所建立，意为“发明问题解决理论”，是用系统化的流程来解决特殊问题或矛盾的创新方法。采用这种理论，能够帮助设计者系统地分析问题，快速找到问题的本质，准确发现设计中需要解决的问题，找到具有创新性的解决方案，缩短发明周期，提高发明成功率[1]。TRIZ 理论传入国内后，经过一段时间的发展与推广，目前已经广泛应用于军事、机械、化工、信息技术、管理、土建等诸多学科领域。实践证明，TRIZ 理论有助于加快发明创造的进程，得到高质量的创新产品，是实现创新设计和概念设计的最有效方法[2]。

针对煤矿深埋巷道面临高地压围岩稳定难以控制的技术难题，笔者运用TRIZ 理论精确发现巷道围岩控制技术设计中需要解决的问题，以新视角尝试解决深埋巷道围岩控制难题，通过功能组件分析和因果轴分析，解析问题的根本原因，同时运用解决技术矛盾、物理矛盾和物- 场分析多种方法来优化围岩控制技术，为相关工程提供参考。

一、 巷道围岩控制技术系统分析

1.问题描述

煤炭长期支持中国经济快速稳定发展。随着深部开采呈常态化，深埋高应力巷道愈加普遍[3]。目前，对围岩压力不大的巷道常常采用锚网喷支护，对围岩压力较大的巷道更为广泛地采用U 型钢可缩性支架。但我国的U 型钢支架可缩量小于巷道断面的20%，不能有效地控制巷道变形；此外，深埋巷道中由于较大的侧压力和围压分布不均匀使支架失去稳定性、可缩性，减弱了支架本身优越的力学性能[4]。总之，巷道围岩稳定控制是围岩变形与支护抗力的矛盾技术体系，迫切需要支护强度高于锚网喷支护结构、而支护成本低于U 型钢支架结构的轻便支护形式。

2.功能组件分析

通过功能组件分析可知，技术系统为巷道支护措施，主要功能为维持巷道围岩稳定。系统组件包括锚杆、锚索、钢筋网、U 型钢支架、喷射混凝土、注浆浆液等，与之相对应的超系统组件和子系统组件见表1。

表1 功能组件分析

据此分析，绘制了图1 的功能组件模型。由图1可见，以钢筋网和U 型钢两种常用支护手段作为支护体系的核心，其他的支护手段均对其产生定位、紧固、提高等有益作用，对防止围岩垮落、提高自承载能力起到辅助作用。围岩的顶板和两帮对人员安全产生危害，而围岩的底板则妨碍运输生产。分析可知，造成围岩变形破坏的原因是支护不足以支撑围岩体，但若用U 型钢过度支护，则经济上又不合适；底板由于产生人、机破坏较少，在工程上不受重视，缺乏支护。

图1 功能组件模型图

3.因果分析

因果分析思路如图2 所示。由图2 可见，造成巷道围岩变形大的主要原因是支护措施支撑力不足，而巷道断面扩大、长度延长、围岩所处的复杂环境不可控制，但支护强度、施工质量与施工方法是造成支护力不足的主要原因。

图2 因果轴分析

二、巷道围岩控制技术优化

1. 技术冲突表达

通过前述功能组件和因果轴分析可知，产生问题的原因是经济有效的支护方式与围岩大变形的矛盾。虽然锚网喷支护经济成本较低，但仅能防止碎石垮落、强度低，而U 型钢支护成本高，且当围岩变形强烈时，可缩性达不到要求，另外底板不进行支护是造成底臌量普遍较大的原因。

运用TRIZ 发明原理予以解决，认为“强度- 形状”构成了矛盾，改善参数为强度，恶化参数为形状，查询得发明原理为10、30、35、40。通过对以上发明原理分析并综合考虑[5]，采用30 号柔性壳体原理或薄膜原理，使用柔性壳体或薄膜代替标准结构，或将物体与环境隔离。受此概念设计启发，可以将支护结构设计为柔性结构，借鉴地面网壳柔性结构质量轻、稳定性强的优势，研发出适于矿井巷道的新型半刚性网壳衬砌结构。

半刚性网壳衬砌支护结构由钢筋网架和喷射混凝土组成，钢筋网架如图3 所示。由图3 可见，该结构为用钢筋在地面焊接而成的板壳结构，外表面自成一层钢筋网，可承托围岩表面，内部是立体纵横交叉的钢筋网架支撑着外层钢筋网。每块构件由主弧筋、次弧筋、桥形架、连接筋纵横立体连接而成，构件的两端焊接着带有螺栓孔的连接板，每架支架由数块构件对头拼接，用螺栓连接。支架本身有一定的柔性让压性能，此外，还可以在对接处嵌入木垫板，使支架有一定的可缩性。该种网壳支架是一架紧接着一架进行安装的，架间不留间隔，架设完毕后，其承载体不是钢筋梁拱，而是众多纵横相连的小跨度双向钢筋拱壳，可充分削弱钢筋的弯曲变形，增强支架的三向承载能力。

图3 钢筋网壳支架及网壳锚喷支护

针对该种新型半刚性网壳支护结构，采用理论分析、数值计算、室内试验和现场试验等方法，制定出完备的设计方法、加工质量标准、施工工艺流程，测定出其最大承载能力。这种结构有两个显著特点，一是混凝土被包围在众多小跨度双向钢筋拱壳之内，喷层所受的拉剪应力被明显削弱，抗压强度得到充分利用，因而支撑能力比普通配筋喷层大大提高；二是施喷混凝土既能与围岩共同变形，又对围岩提供了更强的支撑力。所以这种结构既能在初期支护实现让压大变形的柔性支护效果，又能在永久支护中提供强有力的刚性支护能力。这种结构代替普通的钢筋网可大幅度提高锚网喷结构的支撑能力，不需要使用型钢支架、锚索、围岩注浆等手段进行加固就能有效地支护高地压大变形巷道、动压巷道、冲击地压巷道及大断面硐室等。支护工程量与普通锚网喷支护相同，支护成本略高于普通锚网喷支护，但远低于锚网喷加其他支护手段的联合支护方式[6-8]。

2.物理冲突表达

由系统功能分析可知，在支护完成后希望提供高强的支护强度，因而需要大型复合支护系统；在支护施工过程中，又希望便于安装、减轻劳动强度，而且要求系统质量与精度高。因此，使用时间分离原理解决问题，联想到采用预制装配、机械施工的方法提高支护系统质量与精度，从而提高强度，降低劳动量，解决施工精度低造成的强度不足问题。

在钢筋网壳支架支护方案中，地面预制成型后的钢筋网壳支架，采用分片运输到井下工作面进行拼装施工的工艺流程，降低了井下工作强度、简化了安装作业、提高了支护施工的精度与质量，实现了支架轻型化、立体化和连续化。

3.物-场分析

由系统功能分析和因果轴分析可知，底板往往疏于支护而造成底板隆起现象严重，妨碍正常的运输生产。因此，采用一般解法2 增加第三种物质来阻止有害作用以解决该类问题。解法如图4 所示，采用增加反底拱支护的方法以阻止底板隆起的有害作用，由此而产生了反底拱支护以遏制底板变形的设计思路。

图4 物-场模型分析

结合发明原理30 柔性壳体原理概念，设计出格构式三维钢筋混凝土反底拱衬砌结构，如图5 所示。具体施工时，首先将巷道底板超挖至规定的深度，一般为200～600 mm，将反底拱衬砌结合底角锚杆安设于巷道底板，利用底角锚杆以及反底拱两端连接于帮部支架，使反底拱固定于巷道底部。该结构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缓冲作用。反拱钢筋支架依然由主弧筋承接底板围岩表面，次弧筋及其他若干连接筋纵横立体交叉焊接而成，这是钢筋网壳支架在使用范围上的延伸与扩展。

图5 格构式三维钢筋混凝土反底拱衬砌结构

4.方案整理

综合以上方案，既要控制顶帮围岩大变形，又要遏制底臌的产生，因而形成半刚性全封闭钢筋网壳支护结构以控制围岩大变形的支护方案，每棚钢筋网壳由1 片顶网壳、4 片侧网壳和2 片底网壳拼装组成。每片网壳依然由主弧筋、次弧筋和若干连接筋焊接而成，网壳两端各焊接1 块带螺栓孔的连接板。顶、侧和底网壳拼装时，为保证支架的可缩性，在接头处各加夹1 块厚度为50 mm 的木垫板，再用螺栓连接。

该支护设计方案在淮南矿业集团潘三煤矿西二石门大巷得到成功应用，大巷埋深-550 m，穿过的煤层主要有砂岩和泥岩等，巷道裂隙发育、变形严重，采用U29 型钢支护后巷道变形仍极为严重，支护困难，严重制约了矿井安全高效生产。在该巷道150 m 范围内采用全封闭网壳锚喷支护结构，并进行两个多月的现场监测。检测结果表明，巷道两帮变形量被控制在20 mm 以内，底臌量被控制在15 mm 以内，证实网壳支架结构合理，整体性强，同时具有一定的让压性能，实现了围岩与网壳的共同变形，可以有效抵抗巷道的大变形，基本实现巷道修复、支护一次成功[9-10]。

三、结语

基于TRIZ 理论对巷道围岩控制系统进行系统功能分析、因果轴分析，寻找巷道围岩出现大变形难以控制技术难题中的问题，并根据所得出的结论进行矛盾分析、物- 场分析，得到具体实施方案并对结构进一步优化分析，得到的钢筋网壳锚喷支护进一步优化为半刚性全封闭钢筋网壳支护结构，依托典型巷道工程，完成工业试验与推广应用，取得了较好的围岩控制效果。研发过程证明了TRIZ 理论创新方法在求解工程问题上的可行性，扩展了优化设计思路，为类似巷道支护工程设计提供了有益参考与借鉴。[本文系国家创新方法工作专项项目“安徽省创新方法推广应用与示范”(项目编号：2018IM010500) 的研究成果。 ]