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基于TRIZ创新方法中的矛盾矩阵对爆破振动控制的分析探讨

发布时间：2017年04月05日阅读次数：次

                                                                                              王  员  胡小勇
                                                                (四川宇泰特种工程技术有限公司，四川成都，610035)
摘要：本文分析总结了影响爆破振动强度的因素，提出了矛盾矩阵这一创新方法，将爆破振动中存在的问题转化为TRIZ中相应的技术矛盾，并构建了爆破振动矛盾矩阵，最终结合40个发明原理寻求相应的解决方案。探讨了利用TBIZ创新方法来分析如何降低爆破振动，提高作业生产率。

关键词：TRIZ；矛盾矩阵；爆破振动；控制

l  引言
爆破以工程建设为目的，它作为工程施工的一种手段，直接为国民经济建设服务。随着爆破技术应用范围的不断扩大，工程爆破带来的危害日益凸显。在工程爆破施工中，会产生因爆破作用引起的振动、空气冲击波、噪声、有毒气体及露天爆破引起的飞石等爆破危害。爆破振动是一种比较严重的危害，它会对爆破周围的建筑物结构产生不良影响，对当地居民的人身安全带来不必要的威胁。爆破地震波中衡量爆破振动大小的因素非常复杂，主要参数是爆破振动速度和频率，如何降低爆破振动速度，减少爆破振动带来的损害，成为了当今爆破界一大研究重点，而且目前也取得了很大的进展和突破。本论文就是结合TRIZ创新理论中的技术矛盾及40个发明原理来寻求降低爆破振动的最佳良策。
2 TRIZ创新方法中的技术矛盾及其解决原理
2．1 39个通用参数及40节发明原理
TRIZ英译为发明问题解决理论，由苏联的根里奇·阿奇舒勒于1964年创立，它成功揭示了创造发明的内在规律和原理，着力于澄清和强调系统中存在的矛盾，其目标是完全解决矛盾，获得最终的理想解。
TRIZ认为考虑问题不仅要考虑当前系统的过去和未来，还要考虑当前子系统和超系统的过去和未来，从9个层面来考虑问题，寻找解决问题的办法。但是由于系统中各子系统不均衡的演变导致了系统矛盾。系统矛盾是TRIZ的另一个核心概念，指隐藏在问题背后的固有矛盾。如果要改进系统的某一部分属性，必然引起其他的某些属性恶化，就像在产品的结构设计中，结构的质量与强度构成了一对冲突，减轻结构的质量就必然削弱结构的强度，这就是TRIZ中阐述的技术矛盾。
对于技术矛盾问题，通常的的解决方案是采用折中的办法，而TRIZ则强调运用创造性的思维把冲突彻底消除。阿奇舒勒对大量的发明专利研究发现，尽管它们所属技术领域不同，处理的问题千差万别，但是隐含的系统冲突数量是有限的，并整理归纳出引起系统冲突和矛盾的39个重要参数(见表1)。在问题的定义、分析过程中，可以选择39个通用工程参数中相适宜的来描述系统的性能，将具体问题用TRIZ通用语言表述出来，进而通过矛盾矩阵寻找相应的解决方案。

阿奇舒勒从几百万个专利中进行筛选，来寻找发明性问题以及它们是如何解决的，从具有发明性的专利中提炼出了解决冲突或矛盾的40条发明原理(见表2)，利用这些发明原理来寻找解决问题的可能方案。

2．2技术的应用矛盾矩阵
技术矛盾矩阵的应用步骤为：
第一步：分析问题，找出可能存在的技术矛盾，最好能用动宾结构的词来解决表示矛盾，矛盾的表达不要过于专业化。
第二步：针对具体问题确认一对至几对技术矛盾，并将矛盾的双方转换成技术领域的有关术语，进而根据TRIZ提供的39个工程参数中选定相应的工程参数。
第三步：按照选定的改正和恶化的工程参数编号，在矛盾矩阵中找到相应的矩阵元素，即该元素为40个发明创新原理的序号。
第四步：根据已找到的发明创新原理，结合专业知识，寻找解决问题的方案。一般情况下，解决某技术矛盾的发明创新原理不止一条，应该对每一条相应的原理作解决问题方案的探索，不要轻易否认任何相应的原理。
第五步：如果第四步没有取得较好的效果，就要考虑技术矛盾的本质是否表达清楚，应重新设定技术矛盾，重复上述步骤。
3爆破振动影响因素
3．1爆破振动产生的原因
爆破是炸药能量释放、传递和做功的过程，其过程非常短暂。当炸药在固体介质中爆炸时，先是使邻近药包周围的岩石产生压缩圈，爆破冲击波和应力波将其附近的介质粉碎。当应力波通过破碎圈后，由于强度迅速衰减，再也不能引起岩石的破裂而只能引起岩石质点产生弹性振动，且以弹性振动的形式向外传播，造成地面的振动，即爆破振动。爆破所引起的地面振动与自然地震一样，是一个复杂的随机变量，其振幅、周期、振速和频率都随时间而变化，由于地震波的频率低、衰减慢、携带较多的能量，是造成地震破坏的主要原因。
目前，衡量爆破振动的物理量是非常复杂的，但是主要有质点振动位移、质点移动速度、振动加速度和频率等。以美国、德国为代表的大多数国家均采用振动速度和振动频率两个指标共同作为地震强度指标，我国《爆破安全规程》(GB 6722—1986)以质点振动速度作为判定爆破振动强度的依据，2004年实施的《爆破安全规程》(GB 6722—2003)通过振动速度和频率对爆破振动做出了相应要求。笔者将就爆破振动速度和频率两个指标来探讨如何降低爆破振动。
3．2爆破振动速度
根据《爆破安全规程》(GB 6722—2003)及国内外研究成果，我国爆破振动传播与衰减规律一般采用萨道夫斯基经验公式(见式(1))进行同归计算。

式中v——地面质点峰值振动速度，cm／s；
Q——炸药量(齐爆时为总装药量，延时爆破时为最大一段装药量)，kg；
R——观测(计算)点到爆源的距离，m；
K，a——与爆破方式、装药结构、爆破点至计算点间的地形、地质条件等有关的系数和衰减系数。
    通过爆破振动速度计算公式可以看出，影响爆破振动速度的因素主要有：
    (1)齐发爆破炸药的使用量，齐爆炸药量越大，爆破振动速度越大。
    (2)地形条件，是否高差明显的地形或者平整的地形。
    (3)地震波传播介质条件。
3．3爆破地震波频率
爆破振动受到多种因素的影响，地震波频率固然是影响爆破振动大小的重要因素。根据国内外研究成果分析总结可知，建筑物在爆破振动作用下，其破坏程度与爆破引起的地面质点振动速度成正比，与频率比(即地面振动频率与结构物自振频率之比)的常用对数成反比，自振比例与爆破引起的质点振动频率越是接近，越容易发生工作现象，破坏程度越大。据研究调查，目前建筑物的自振频率一般低于10Hz，所以爆破振动频率越小，衰减越慢，携带的能量就越多，造成建筑物破坏程度越大。
对于爆破振动频率的理论计算，目前国内外对这方面的研究较少，尚无一个被普遍接受的振动频率计算公式。目前可行的方法是依靠经验数据或者仪器检测来控制爆破振动频率，而且国家也对振动频率做出了相应的规定。但是据研究成果显示，爆破振动频率与振动速度相似，受爆破炸药量和距离的影响很大。
4爆破振动参数矛盾
在实际爆破工程中，爆破振动的影响越来越大，不仅对爆破现场作业人员的生命造成威胁，更对附近居民及建筑物造成不必要的困扰，但是爆破振动又是无可避免的，而且爆破振动是一项非常复杂的问题。本文前段详细介绍了影响爆破振动的重要因素，如何控制爆破振动已是当前亟须解决的问题。为了既不影响施工进度、施工质量，又降低爆破振动对周边建筑物的影响，笔者将从影响爆破振动的振动速度和频率两大因素并结合TRIZ中的矛盾矩阵分析法来探讨，确定了以下爆破振动参数矛盾。
4．1定义矛盾1
为了降低爆破振动对周边环境和居民的不利影响，但是又不能对施工质量、施工进度、施工成本造成损失。
改善参数：物体产生的有害因素；
恶化参数：生产率。
4．2定义矛盾2
爆破振动速度是衡量爆破振动大小的主要因素，控制爆破振动速度可以有效防止爆破振动，而炸药产，1i的做功效率将会降低。
改善参数：速度；
恶化参数：功率。
4．3定义矛盾3
根据爆破振动速度计算公式可知，有效控制齐爆炸药量可防止爆破振动的影响，但是炸药量的减少给施工也会带来不必要的损失。
改善参数：静止物体的能量；
恶化参数：生产率。  ’
5爆破振动控制
通过对影响爆破振动参数的分析，笔者根据确定的3对技术矛盾建立相应的矛盾矩阵(见表3)。

根据爆破振动技术矛盾矩阵，可知有利于控制爆破振动的原理代号有22、35、18、39、19、38、2、1、6，经过分析确定，笔者选定了原理22、35、18、39、2、1，并结合相应的原理寻求相应的改进措施。
(1)原理22——变害为利原理。该原理建议，在爆破作业过程中，为了降低爆破振动带来的破坏，可以将爆破振动有害效应转化为有利效应或者在现场通过别的因素来消除爆破振动，如微差爆破。
1)利用有害的因素(特别是环境中)获得积极的效果；
2)通过与另一个有害因素结合，来消除一个有害因素；
3)增加有害因素到一定程度，使之不再有害。
(2)原理35——参数变化。该原理建议，通过改变爆破作业参数，来达到减小振动的效果。
从爆破作业方式上分析，可采用合适的爆破类型或者能够获得最大松动的爆破设计；
从爆破作业参数上分析；
1)可选用低威力、低爆速炸药；从理论上讲，炸药的波阻抗不同，爆破振动强度也不同，波阻抗越大，爆破振动强度也越大。
2)控制一次性爆破炸药使用量；从爆破振动速度计算公式上讲，一次性爆破炸药使用量与爆破振动速度成正比，齐爆时炸药量越大，振动速度越大。
3)选择适当的装药结构；采用合理的装药结构来减少爆破振动，如不耦合装药、空气间隔装药等结构。
(3)原理18——机械振动原理。该原理建议，可通过增加爆破振动频率，减少爆破振动的影响。因为爆破振动频率越低，越接近建筑物的自振频率，容易产生共振，破坏性更大。
1)使用振动；
2)如果振动已经存在，那么增加其频率直至超音频。
(4)原理39——惰性环境原理。该原理建议，通过改变爆破振动波的传播介质来降低爆破振动的影响。例如：应用预裂爆破和开挖沟槽，在爆源和被保护物之间钻凿一排直地表孔和地震沟槽，用以中断地震波的传播，达到降低爆破振动的效果。
1)用惰性环境代替通常环境；
2)往物体中增加中性物质或添加剂；
3)在真空中实施过程。
(5)原理1——分割(分裂)。该原理建议，通过分割爆破炸药使用量，拆卸一次性炸药量，分段爆破来降低爆破振动大小。例如：微差爆破，将爆破的总药量，分组按一定的时间间隔进行爆破，这种方法可以在保证不影响爆破总装药量和爆破作业总量的条件下，降低每段爆破的药量，从而达到降低爆破振动的效果。
1)将物体分割成独立的部分；
2)使物体成为可组合的部件(易于拆卸和组装)；
3)增加物体被分割的程度。
(6)原理2——分离(移除、提取)。将物体或系统中的关键部分分离出来，或者将干扰部分移除。该原理建议，可将爆破振动的有害因素移除或者借助外力抵消有害因素。
6结论
爆破振动是工程施工中无可避免的问题，影响因素较多。这就需要了解工程爆破设计及施工过程中爆破振动产生的原因和主要影响因素，并根据具体的工程爆破现场情况，采取最佳的爆破减振方案。本文结合TRIZ中矛盾矩阵探讨了爆破减振的改进措施，得出以下结论：
(1)利用TRIZ解决此类技术矛盾非常科学可行，容易发现事物存在的本质问题，分析问题的思路非常清晰。
(2)在探讨控制爆破振动的过程中可以发现，寻求事物之间存在的多种技术矛盾，并结合不同的原理提出不同的解决方案。
(3)在控制爆破振动的多种方案中，原理35(改变参数)是降低爆破振动的最优原理，采用微差爆破是降低爆破振动的最佳良策，不仅可以保证施工进度及质量，而且可以有效地控制爆破振动。

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