基于TRIZ理論的許疃礦南翼探水巷底鼓控制技術(shù)研究

姚韋靖，劉雨姍，王成軍，龐建勇，張金松

(1.安徽理工大學(xué) 安徽省創(chuàng)新方法推廣應(yīng)用與示范基地，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；3.安徽理工大學(xué) 礦山建設(shè)工程安徽省高校重點實驗室，安徽 淮南 232001)

巷道在采掘生產(chǎn)過程中受到各種擾動，圍巖應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，頂板及兩幫圍巖擠進內(nèi)移，底板常表現(xiàn)為向上隆起變形，稱為底鼓現(xiàn)象[1，2]。薄弱支護甚至不支護的底板首先遭受集中應(yīng)力破壞，水平應(yīng)力作用于底板圍巖，軟弱破碎的圍巖擠壓涌入巷道，繼而產(chǎn)生變形較大的擠壓流動性底鼓破壞[3]。許多專家及工程技術(shù)人員在底鼓治理方面做了大量工作，馮利寧等以羊東礦-850軌道大巷底板破壞工程實際為背景，提出了巷道底板鋼管混凝土樁抗滑移底鼓控制技術(shù)[4]。張勇等針對大強煤礦0908運輸巷底鼓破壞現(xiàn)象，提出了NPR錨索為核心，錨桿、反底拱、底板注漿錨索相結(jié)合的一體化底鼓控制對策[5]。熊懷鑫等以赤峪煤礦北一采區(qū)北翼4#底抽巷為背景，提出了底板鋼管混凝土柱底鼓治理方案，有效增強底板圍巖支護強度，抑制底板圍巖滑移，防治地下水滲透[6]。郭東明等以興安煤礦四水平南18層軌道巷為工程背景，提出了聯(lián)排反底拱-底板樁的底鼓控制技術(shù)[7]。針對桑北煤礦采區(qū)水泵房強烈底鼓難題，桑培淼等提出了“硐室斷面擴修+底板錨注支護+頂幫補強支護”的控制方案[8]。閆莉等針對麥垛山煤礦18-2#大巷水平石門硐室，根據(jù)主、被動支護相協(xié)調(diào)的理念，提出的底鼓控制方案為“一次砌筑+錨梁、錨桿+二次砌筑”[9]。王文利等以胡底礦盤區(qū)水泵房工程為依托，采用UDEC模擬分析了底板變形特征及影響因素，研發(fā)了一種新型防水錨固劑，較好的提高了錨桿(索)在富水環(huán)境中使用的錨固效果[10]。劉泉聲等根據(jù)顧北煤礦南翼11-2巷道軟巖破碎的工程實際，提出了混凝土反拱地坪、深淺孔注漿、高預(yù)應(yīng)力組合錨索的底鼓綜合治理技術(shù)[11]?？梢?，當前底鼓控制技術(shù)繁多，如何根據(jù)現(xiàn)場實際條件，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)水平，選擇既經(jīng)濟有效又安全合理的底鼓控制措施是維持礦井安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。

TRIZ理論意為發(fā)明問題的解決理論，前蘇聯(lián)科學(xué)家阿奇舒勒于1964年創(chuàng)立，他認為發(fā)明創(chuàng)造是有章可循的，技術(shù)發(fā)展遵循一定客觀規(guī)律，類似的問題與解決辦法在不同的工業(yè)及科學(xué)領(lǐng)域交替出現(xiàn)，經(jīng)過研究和整理數(shù)以萬計的專利文獻，建立起一套以解決發(fā)明問題為主要目的，并具有很強實用性的理論和方法體系，被譽為20世紀最偉大的發(fā)明[12]。它的優(yōu)點是引導(dǎo)發(fā)明者創(chuàng)造性地解決問題，不回避、不采取折中或妥協(xié)的做法，以最低成本、最小缺陷獲得理想的解決問題的方法，自20世紀90年代引入國內(nèi)以來，在工業(yè)、機械、化工、信息技術(shù)、建筑、醫(yī)療、管理、能源等諸多學(xué)科領(lǐng)域均有應(yīng)用，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(zhì)量的創(chuàng)新產(chǎn)品，是實現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計和概念設(shè)計的最有效方法[13，14]。

本研究針對淮北礦區(qū)許疃煤礦33采區(qū)南翼探水巷底鼓治理難題，基于TRIZ理論視角解決工程實際問題，通過功能組件模型和因果軸分析底鼓控制問題存在的根本原因，同時運用物-場分析、技術(shù)矛盾等方法優(yōu)化底鼓控制措施，提出適宜的底鼓控制技術(shù)改進方案，實施效果較好，是TRIZ理論在煤礦井巷支護措施優(yōu)化的全新嘗試。

1 TRIZ理論對巷道底鼓問題的分析

1.1 問題描述

我國煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，成煤時期多樣多期，造成極軟、極破碎、超深、強烈采動響應(yīng)、強烈沖擊地壓等困難巷道較多，工程中往往盲目追求聯(lián)合支護，單純加固巷道底板卻達不到“1+1>2”的效果，必須根據(jù)巷道特定條件具體分析，尋求在治理效果、經(jīng)濟、技術(shù)上均合理可行的支護方案[15]。

許疃煤礦地處安徽省亳州市蒙城縣許疃鎮(zhèn)，屬淮北煤田南部臨渙礦區(qū)，南部至板橋斷層，北部與童莊井田毗鄰，西北與界溝煤礦相鄰，井田走向長約10 km，寬約5.5 km，占地面積約52.59 km2[16]。33采區(qū)南翼探水巷埋深-761.60～-795.70 m，長度911.60 m，巷道總體為南北走向，向東傾斜的單斜構(gòu)造，平均傾角12°。試驗巷道布置在32煤下10.5～39.0 m的泥巖、砂巖、粉砂巖層位，巖層性狀及鉆孔柱狀如圖1所示，主要充水水源為32煤層頂?shù)装迳皫r裂隙水。巷道斷面類型為直墻半圓拱結(jié)構(gòu)，凈寬×凈高=4600 mm×3600 mm，斷面面積為14.29 m2，支護形式為錨網(wǎng)索噴支護，選用?22 mm×L2600 mm型無縱肋螺紋金屬錨桿，間排距為800 mm×800 mm，選用?22 mm×L6300 mm鋼絞線錨索，間排距為1600 mm×1600 mm，金屬網(wǎng)選用?6 mm冷拔帶肋鋼筋加工網(wǎng)格，規(guī)格為100 mm×100 mm，噴漿厚度為100 mm，強度不低于C20，在遭遇圍巖裂隙段發(fā)育時，采用注漿加固補強，漿液采用單液水泥漿，注漿壓力不超過3 MPa，水灰比取0.75∶1～1∶1。

圖1 試驗巷道鉆孔柱狀

在開掘施工中發(fā)現(xiàn)，巷道圍巖表面破碎、自穩(wěn)時間短、底板快速隆起并伴隨頂板下沉和兩幫移近，底板顯著表現(xiàn)為整體剝離抬升的破壞形式，臥底后測量抬升高度達到540 mm，進一步引發(fā)巷道設(shè)備傾斜、局部錨桿失效等，嚴重影響交通運輸、施工安全和后期運營，對礦井正常安全生產(chǎn)有巨大隱患。

1.2 功能組件分析

從TRIZ理論角度進行功能組件分析，該工程問題的技術(shù)系統(tǒng)為巷道底板支護系統(tǒng)，主要功能為防止巷道底部變形[17，18]。系統(tǒng)組件包括錨桿、錨固設(shè)備、注漿材料、注漿設(shè)備等，與之相對應(yīng)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)此分析各功能組件之間的相互關(guān)系，繪制功能組件模型，如圖2所示。由圖2可知，目前常見的以錨桿、混凝土底板、底板鋼筋和注漿材料作為底板支護體系的核心，而造成巷道底鼓的幾個功能因素分別是：①混凝土底板對底部圍巖支撐不足；②圍巖對混凝土底板的有害擠壓作用；③錨桿對巷道底板的錨固力不足；④底板鋼筋網(wǎng)對巷道底板混凝土的支撐效果不足。

1.3 因果軸分析

進一步進行因果軸分析如圖3所示。由圖3可知，造成巷道底板底鼓的主要原因是：① 混凝土地坪韌性不足，底板過度變形產(chǎn)生開裂現(xiàn)象，因而引起整體剝離抬升，喪失支護強度；② 巷道圍巖地應(yīng)力過高，支護體系喪失支撐能力；③ 地下水的存在影響注漿材料加固效果。

圖3 因果軸分析

2 底鼓控制方案優(yōu)化

2.1 物-場分析

由前述功能組件和因果軸分析可知，底板在實際工程中往往疏于支護，認為造成破壞也不會引起人員的傷亡，于是工程現(xiàn)場不斷人工挖底，圍巖遭受擾動后破碎程度進一步加劇，造成松動圈持續(xù)擴大，進而導(dǎo)致底板嚴重變形且返修不斷，對正常運輸生產(chǎn)造成了阻礙[19]，問題模型如圖4所示。

圖4 物-場分析問題模型及解決思路

因此，采用物-場分析中一般解法2，即增加第三種物質(zhì)來阻止有害作用。故可以采用增加混凝土地坪加固的方法以阻止巷道底板隆起的有害作用。

2.2 技術(shù)矛盾分析

基于增加混凝土地坪治理底鼓的初步方案，結(jié)合前述功能組件和因果軸分析可知，產(chǎn)生底板底鼓的原因是混凝土地坪抵抗過大圍巖壓力與圍巖應(yīng)力而產(chǎn)生變形之間的矛盾?，F(xiàn)有的解決方法往往是簡單的增加底板厚度或布置鋼筋網(wǎng)來增強底板強度，盲目增大厚度在地應(yīng)力的作用下會形成脆性斷裂，而布置過多的鋼筋網(wǎng)也會形成超筋脆性破壞，既不經(jīng)濟也起不到加固的效果。

運用TRIZ發(fā)明原理尋找解決問題的啟示，認為“強度-形狀”構(gòu)成了矛盾，改善參數(shù)為強度，惡化參數(shù)為形狀，查找技術(shù)矛盾矩陣得到相應(yīng)可供啟示的發(fā)明原理，序號分別為10、30、35、40，具體含義及創(chuàng)新思維方向啟示見表2[20]。通過對上述發(fā)明原理提供的創(chuàng)新思維方向分析并綜合考慮，提出了一些初步的概念性想法。

表2 技術(shù)矛盾解決原理

由發(fā)明原理10預(yù)先作用原理提供的，預(yù)先對物體施加必要的改變，能否將巷道底板易發(fā)生底鼓的部位進行超挖，完成預(yù)先作用，因而可以將巷道底板做成反拱形狀，完成對巷道底鼓部分的超挖；此外，探水巷中地下水的存在也會影響底板支護效果，可以預(yù)先抽取地下水或采取封閉水措施消除對底板混凝土的影響。

由發(fā)明原理30柔性殼體或薄膜原理提供的使用柔性殼體或薄膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)，能否將混凝土底板做成殼體結(jié)構(gòu)，如在地面建筑中的飛機場、火車站所采用的鋼筋混凝土殼體結(jié)構(gòu)，增強抗變形能力。

由發(fā)明原理35物理/化學(xué)狀態(tài)改變提供的改變?nèi)岫?，以及發(fā)明原理40復(fù)合材料原理提供的用復(fù)合材料代替均質(zhì)材料，底板混凝土地坪能否采用復(fù)合材料將混凝土變形破壞特征由剛性轉(zhuǎn)為柔性，如在混凝土中摻入纖維等抗拉性能強的增強材料，達到既滿足強度要求又具有一定的抗變形能力。

2.3 底鼓控制方案

受上述概念性設(shè)計的啟發(fā)，筆者及團隊根據(jù)許疃煤礦33采區(qū)南翼探水巷工程地質(zhì)條件，采取在保留原始支護條件基礎(chǔ)上，增加反底拱底鼓控制方案，并結(jié)合防治水措施，實現(xiàn)巷道底鼓的有效控制。

首先對巷道底板進行超挖，超挖深度為400 mm，在形成的弧形空間底板施工錨桿鉆孔，鉆孔深度為2600 mm；然后，根據(jù)因果軸分析可知需消除地下水的影響，借鑒預(yù)先作用原理采用封閉水措施消除水的影響，在巷道底部鋪設(shè)隔水層封閉底板圍巖，隔水層采用干石灰粉墊層，鋪設(shè)厚度為100 mm[21]；隨后，放入預(yù)制的鋼筋網(wǎng)架反拱并用錨桿固定，錨桿使用?22 mm×L2600 mm無縱肋螺紋金屬錨桿，每架鋼筋網(wǎng)架反拱配合7根錨桿固定，錨桿沿鋼筋網(wǎng)架反拱均勻布置，要求錨固劑配合水泥漿全長錨固，即首先在打好的鉆孔內(nèi)放入2根錨固劑，再在孔內(nèi)注入水灰比1∶1的水泥漿，摻入水泥用量5%～8%的速凝劑，再進行錨桿錨固；最后，進行澆筑回填，采用C20混凝土分兩次澆筑，借鑒復(fù)合材料原理，在混凝土混凝土中摻入聚丙烯纖維，纖維摻量為0.9 kg/m3，研究表明聚丙烯纖維作為低彈性模量的柔性纖維，當混凝土裂縫發(fā)生后可以對裂縫周圍基體產(chǎn)生拉拽牽扯作用，可以有效提高混凝土底板的抗拉、抗彎和韌性，破壞后宏觀表現(xiàn)為多縫斷裂、破而不碎的破壞模式[22]，達到改變底板地坪柔度目的?；炷脸鯂姾穸葹?00 mm，初噴后進行鋼筋網(wǎng)架反拱和錨桿支護，最后復(fù)噴200 mm完成反底拱的澆筑回填。支護設(shè)計參數(shù)如圖5所示。

圖5 許疃煤礦探水巷底鼓控制方案(mm)

其中，受TRIZ理論發(fā)明原理10柔性殼體原理的啟發(fā)，在傳統(tǒng)鋼筋網(wǎng)反底拱的基礎(chǔ)上進行了改進，研制了三維鋼筋網(wǎng)架反拱，獲得國家實用新型專利(ZL 201420301790.2)[23]。借鑒了地面建筑中大跨度鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，三維鋼筋網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖6所示，由主弧筋、次弧筋、橋形弧筋、主連接筋、次連接筋和加強筋焊接而成。經(jīng)過室內(nèi)模型試驗測試，結(jié)果表明主弧筋、次弧筋是反拱襯砌的主要承載受力鋼筋，其余連接筋起到連接加固的作用，施作時將混凝土噴層包裹于鋼筋，使其處于受壓狀態(tài)，能夠充分發(fā)揮混凝土抗壓能力強的優(yōu)勢，削弱其受拉和受剪作用。該種反拱襯砌結(jié)構(gòu)既是一種柔性支護，能夠在支護先期允許出現(xiàn)一定的讓壓變形，又是一種剛性支護，能夠在支護后期承受較大的地壓，屬于半剛性的支護結(jié)構(gòu)，適合工程地質(zhì)條件復(fù)雜的巷道或硐室的底鼓治理。

圖6 礦山井巷三維鋼筋網(wǎng)架反拱襯砌

3 實施效果

在探水巷100 m的試驗巷道采用上述底板治理方案，為監(jiān)測返修巷道底板變形情況，進行了為期60 d的現(xiàn)場觀測，共設(shè)立了3個監(jiān)測站，巷道變形數(shù)據(jù)如圖7(a)所示。在2號測站的三維鋼筋網(wǎng)架中安設(shè)了鋼筋應(yīng)變計，分別安設(shè)在網(wǎng)架中部的主弧筋和次弧筋測試其應(yīng)變情況，結(jié)果如圖7(b)所示。

圖7 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果

由圖7可知，分析巷道底板變形數(shù)據(jù)可知，試驗巷道在施工完成后的前20 d內(nèi)，底鼓量急劇加大，占巷道底鼓總量的70%以上，在20～40 d，巷道底板變形速率逐漸減小并趨于穩(wěn)定；40 d以后巷道底板變形逐漸不再變化，最終3個觀測點的最大底鼓量分別為55.3、53.6、48.9 mm。

經(jīng)計算所測數(shù)據(jù)鋼筋應(yīng)力均在允許的強度范圍內(nèi)，與底板變形量測試規(guī)律一致，在施工完成后的前20 d里，鋼筋應(yīng)變較為明顯，在20～40 d應(yīng)變逐漸減小并趨于穩(wěn)定，40 d以后逐漸穩(wěn)定保持不變。體現(xiàn)出反底拱底鼓控制方案能夠在先期釋放圍巖變形，經(jīng)過一段時間的讓壓變形后逐漸趨于穩(wěn)定，最終取得了較好的底鼓抑制效果，且能在較長時間內(nèi)保持穩(wěn)定，保證了探水巷的正常使用。

4 結(jié) 論

1)針對許疃煤礦33采區(qū)南翼探水巷底鼓控制難的工程實際問題，從TRIZ理論視角出發(fā)，對巷道底板支護系統(tǒng)進行功能組件分析和因果軸分析，得出造成底鼓現(xiàn)象的根本原因，通過物-場分析和矛盾分析，受預(yù)先作用、柔性殼體或薄膜、物理/化學(xué)狀態(tài)變化及復(fù)合材料原理概念性啟發(fā)，提出反底拱控制底鼓的概念性方案。

2)結(jié)合工程實際和原有支護方案，提出了“隔水層+反拱襯砌+錨桿+聚丙烯纖維混凝土地坪”底鼓綜合治理措施。首先超挖進行石灰粉墊層隔水層封閉，施作具有柔性讓壓的三維鋼筋網(wǎng)架反拱，并通過錨桿固定，最后采用混凝土底板封閉，同時在混凝土中摻入聚丙烯纖維增強韌性防止底板開裂。

3)完成反底拱施工和現(xiàn)場監(jiān)測，結(jié)果表明提出的反拱襯砌底鼓控制方案能夠顯著增強底板的受力性能，60 d的最大底鼓量小于60 mm，工程應(yīng)用效果較好。

4)TRIZ理論是一種高度有效的創(chuàng)新方法，廣泛應(yīng)用于解決各行各業(yè)實際問題，從TRIZ角度思考煤礦井巷底鼓控制問題，是一種全新的嘗試，擴展了優(yōu)化設(shè)計思路，為類似巷道支護工程設(shè)計提供了有益參考。