的巷道，若处于应力增高区，将承受较大的集中应力而遭到破坏；处于应力降低区，则易于维护。根据采矿工作面不断移动的特点以及巷道系统优化布置的原则，可在巷道上方的煤层工作面进行跨采，使巷道经历一段时间的高应力作用后，长期处于应力降低区内。跨采的效果主要取决于巷道与上方跨采工作面的相对位置，即巷道与上部回采煤层间的法向距离Z，巷道与上部回采煤层煤柱（体）边缘的水平距离X。 2． 跨巷回采的应用及矿压显现规律 （1） 回采工作面纵跨岩石集中平巷 （2） 回采工作面横跨石门平巷 （3） 工作面跨越上山回采
工作面跨越上山回采时，是否保留区段煤柱及跨越上山回采的顺序不同，对上山巷道的矿山压力显现影响极大。常见的跨越上山回采方式有以下三种：
① 上山一侧的采煤工作面，在另一侧的采煤工作面距上山较远时就跨越上山，下区段工作面回采时将区段间保留煤柱全部回收。 ② 跨采方法同上，但区段间保留煤柱。 ③ 一侧工作面先采至上山煤柱处停采，然后另一侧工作面再跨越上山回采，保留区段煤柱。 二、巷道围岩开槽卸压及松动卸压
1．巷道周边开槽（孔）对围岩应力分布的影响
在岩体中开掘巷道后，在地应力较高，围岩较松软的情况下，围岩破坏的范围比较大。导致高的集中应力向未遭破坏的围岩深部转移，在巷道周边的围岩形成应力降低区。这种方式的卸压过程是以巷道周边岩体的完整结构被破坏为代价的，在卸压的同时巷道围岩的塑性变形区范围以及该区内遭破坏岩体的塑性变形、扩容膨胀变形明显增大。
采用边界元法对巷道周边切缝前后围岩中的应力分布进行数值计算分析。在圆形巷道侧压系数λ＝0.5条件下，巷道周边不切缝、两帮切缝、顶底切缝、顶底及两帮同时切缝四种情况，巷道周边切向应力分布计算结果如图7-15所示。切缝部位周边围岩中切向应力 显著降低，巷道其它部位的切向应力也有一定程度的降低。
图7-15 切缝对圆形巷道周边应力分布的影响
1—无切缝；2—两帮切缝；3—顶底切缝；4—两帮及顶底同时切缝
2．巷道围岩开槽（孔）卸压法的应用
钻孔卸压的机理与开槽卸压基本相同，钻孔卸压的效果主要取决于孔径、孔距、孔深等参数。一般情况下，钻孔直径为150～350mm，钻孔间距为钻孔直径的1.5～1.7倍，孔深为6～10m。卸压应尽可能紧跟掘进工作面，滞后距离一般不宜超过5～10m；或者超前回采工作面，削弱回采工作面超前支承压力的影响。在巷道围岩中开槽，不仅使支承压力峰值向巷道围岩深部转移，巷道处于应力降低区；卸压槽（缝）还为巷道围岩变形提供了补偿空间，从而使巷道围岩变形量减小。通常采用垂直切槽防治底臌，卸压效果主要决定于卸压槽的宽度b、深度h，对于中硬岩层，槽宽b＝200～300mm，对于软岩层b＞200～300mm。 3．巷道围岩松动爆破卸压法的应用
利用钻孔孔底药壶爆破方法进行限制性爆破，在围岩体中形成一个连续的松散、破碎带，
将支承压力峰值转移到围岩深部。同时，已经松散、破碎的围岩体具有缓冲垫层作用。确定松动爆破技术参数应以不破坏巷道与松散、破碎带之间的围岩完整性和支架的稳定性为原则。钻孔松动爆破卸压技术已在国内外煤矿进行了大量实践，取得较好效果。图7-20为我国芦岭矿采用钻孔松动爆破卸压的钻孔布置。 单纯依靠松动爆破卸压，一般来说效果是不理想的，如果将松动爆破卸压与松动圈的围岩加固结合起来，则可以取得很好的巷道维护效果。加固的方法可以采用水泥注浆、化学注浆、锚喷支护、支架支护等。松动爆破卸压-加固的方法已在我国煤矿中获得广泛应用，现场观测表明，卸压-注浆方法可使巷道底板岩石的移近量平均减小90％，松动爆破与打封混凝土反拱联合控制巷道底臌也取得了同样效果。 三、利用卸压巷硐进行巷道卸压
利用卸压巷硐卸压方法的实质是，在被保护的巷道附近（通常是在其上部、一侧或两侧），开掘专门用于卸压的巷道或硐室。转移附近煤层开采的采动影响，促使采动引起的应力分布再次重新分布，最终使被保护巷道处于开掘卸压巷硐而形成的应力降低区内。 1．在巷道一侧布置卸压巷硐 2．在巷道顶部布置卸压巷硐 3． 宽面掘巷卸压
宽面掘巷卸压通常用于薄煤层的巷道，巷道掘进时把巷道两侧6～8m宽的煤采出，将掘巷过程中挑顶、卧底的矸石充填到巷道两侧采出的空间，在煤帮与矸石充填体、矸石充填体与巷道之间分别留有1m和1～0.5m宽的空隙。巷道掘出后，周边产生的集中应力转移到离巷道较远的煤帮，巷道位于应力降低区；煤帮与矸石充填体之间的空隙，作为煤体变形的补偿空间。对维护巷道稳定有很好效果。 四、掘前预采的应用
掘前预采是底板巷道尚未开掘之前，在预定掘巷位置上方的煤层中，先布置工作面进行回采。待开采引起的岩层移动稳定以后，在采空区下部底板岩层中开掘巷道（图7-16），巷道不仅应与煤层底板保持一定的垂距Z，而且与上部工作面煤体边缘也应保持一定的水平距离X。掘前预采与跨越回采相比，改变了巷道的应力基础环境，巷道从掘进开始在整个服务期间一直处于预采工作面所形成的应力降低区内，完全避免了开采影响。因此，掘前预采是效果最理想的卸压方法。掘前预采卸压技术在前苏联煤矿曾用于生产，我国个别矿区也进行过工业性试验。掘前预采的实践表明，此项卸压技术可使巷道围岩变形量减小4／5～5／6。前苏联煤矿曾在采空区内掘进和维护巷道也取得了令人满意的效果。
图7-16 掘前预采巷道布置示意图
第三节 巷道金属支架
一、巷道支架支护原理
1．巷道金属支架的工作特性
从总的规律看，巷道上覆岩体的重量由巷道支架承担的仅占1％～2％，其余的完全由巷道周围岩体承受。研究表明，巷道支架的工作特征与一般地面工程结构有着根本性区别，
支架受载的大小不仅取决于本身的力学特性（承载能力、刚度和结构特征），而且与其支护对象—围岩本身的力学性质和结构有密切关系，也就是“支架-围岩”相互作用关系。 2．“支架-围岩”相互作用的基本状态
① 当巷道顶板岩石与上覆岩层离层或脱落时，支架仅受到离层或脱落岩石自重压力作用，支架处于给定载荷状态。
② 当巷道顶板岩石与上覆岩层没有离层或脱落时，支架的受载和压缩变形将取决于上覆岩层的运动状态。这种情况下仅靠支架本身的支撑力无法阻止上覆岩层的运动，只有当上覆岩层下沉过程中受到采空区已冒落矸石或充填物阻挡时，支架的收缩变形才能停止，这时支架处于给定变形状态。 3．“支架-围岩”相互作用原理
现有的各种巷道支架，在“支架-围岩”力学平衡系统中，只能承担极其有限的一小部分载荷，支架在围岩内部应力平衡关系中所起的作用是微小的，更不能企图依靠支架去改变上覆岩层的运动状态。然而支架的这个微小的支撑力又是极其重要和必不可少的，支架的工作阻力，尤其是初撑力在一定程度上能相当有效地抑制直接顶板离层，控制围岩塑性区的再发展和围岩的持续变形，保持围岩的稳定。因此，巷道支架系统必须具有适当的强度和一定的可缩性，才能有效地控制和适应围岩的变形。
a b
图7-17 “支架—围岩”相互作用力学模型 图7-18 支架与围岩的相互作用关系 a—给定载荷状态 b—给定变形状态 A—弹塑性阶段 B—松动破裂阶段
4．“支架-围岩”相互作用原理的应用 （1） 实行二次支护
当巷道围岩达到稳定前变形量较大，延续时间较长时，需要开巷后进行一次支护。及时封闭和隔离围岩，防止围岩暴露面上个别危石掉落，同时对围岩初期移动给以一定程度的限制。一次支护允许围岩产生一定的变形，围岩变形和能量释放到一定程度后，进行二次支护。二次支护应在初次支护尚未失效，围岩移近速度已经很小的适当时间进行。 （2） 采用柔性支护
金属可缩性支架不仅对围岩的变形产生一定阻力，本身还具有可缩性，避免支架严重变形和损坏。支架在允许围岩有限变形继续释放能量同时，仍具有足够的工作阻力，既能适应围岩的变形，又能控制围岩的变形，充分发挥支架的支护效果。 （3） 强调主动支护
采用具有一定初始工作阻力的金属支架，加大巷道围岩的围压，提高巷道围岩的强度，减轻支架承受的载荷。进行巷道支架壁后充填和喷射混凝土，改善支架受力状态和围岩赋存环境，提高支架和围岩的承载能力。 二、巷道金属支架 （一） 矿用支护型钢
图7-19 新U25型钢断面图
a b c
图7-20 双槽形夹板式连接件
a—上限位连接件；b—中间连接件；c—下限位连接件
1—上限位块 2—下限位块
（二） U型钢可缩性支架
图7-21 四节多铰摩擦可缩支架结构 图7-22 U型钢拱梯形可缩性支架断面参数 1—U型钢；2—铰结点；3—耳卡式连接件
图7-23 马蹄形可缩性支架 图7-24 圆形可缩性支架
第四节 巷道锚杆及锚喷支护
一、锚杆种类和锚固力
锚杆是锚固在岩体内维护围岩稳定的杆状结构物。对地下工程的围岩以锚杆作为支护系统的主要构件，就形成锚杆支护系统。单体锚杆主要由锚头（锚固段）、杆体、锚尾（外锚头）、托盘等部件组成。 1．锚杆的分类
① 机械锚固式锚杆包括胀壳式锚杆、倒楔式锚杆、楔缝式锚杆 。 ② 粘结锚固式锚杆包括树脂锚杆、快硬水泥卷锚杆、水泥砂浆锚杆。 ③ 摩擦锚固式锚杆包括缝管式锚杆、水胀式管状锚杆等。
按杆体锚固段长短可分为端头锚固、全长锚固和加长锚固。
按锚杆杆体的工作特性分为刚性锚杆、有限可拉伸及可拉伸锚杆。
按锚杆作用特点可分为主动式锚杆和被动式锚杆。
按制造锚杆杆体的材料可以划分出木锚杆、竹锚杆、金属锚杆、（钢筋）混凝土锚杆以及聚酯锚杆等。 2．锚杆的锚固力
锚杆支护通过锚入围岩内部的杆体，改变围岩本身的力学状态。它的受力状况以及它对围岩的作用方式比棚式支架复杂得多。国标GBJ86-85将锚固力定义为锚杆对围岩的约束力。 （1） 根据锚杆对围岩的约束方式定义锚固力
① 托锚力：托锚力包括安装锚杆时，通过拧紧螺母产生的锚杆托板对围岩的预紧力，水胀式管状锚杆杆体纵向收缩，使托盘对围岩产生预紧力；以及锚杆托板阻止围岩向巷道内位移时，对围岩施加的径向支护力。
② 粘锚力：粘结剂将围岩与锚杆粘结成整体，由于围岩深部与浅部变形的差异，锚杆通过粘结剂对围岩施加粘结力来抑制围岩变形。粘锚力就是锚杆杆体的轴力。摩擦锚固式锚杆通过杆体与围岩之间摩擦力对围岩施加锚固力来抑制围岩变形。 ③ 切向锚固力：围岩体的变形大多从岩体的弱面开始的，在围压作用下围岩沿弱面滑动或张开。锚杆体贯穿弱面，限制围岩沿弱面滑动或张开，这种限制力称为切向锚固力。 （2） 根据锚杆的锚固作用阶段定义锚固力 ① 初锚力：安设锚杆时，人为地对锚杆进行拉张而使锚杆具有的作用于围岩的力称为初锚力。
② 工作锚固力：锚杆安设后，围岩变形，锚固剂发挥粘结作用；或者杆体与围岩之间摩擦力制约围岩变形，此时锚杆对围岩的作用力为工作锚固力。 ③ 残余锚固力：当围岩表面和深部的相对变形量超过锚固剂的极限变形量以后，锚固剂破坏工作锚固力丧失。但由于已破坏的锚固剂仍具有残存粘结强度，钻孔围岩、破坏的锚固剂、锚杆杆体之间存在摩擦力，锚杆对围岩仍具有约束力，称为残余锚固力。 二、锚杆支护理论
（1） 悬吊理论
悬吊理论认为：锚杆支护的作用是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定岩层上，增强较软弱岩层的稳定性。对于回采巷道经常遇到的层状岩体，锚杆的悬吊作用如图7-38a所示。如果巷道浅部围岩松软破碎，顶板出现松动破裂区，锚杆的悬吊作用是将这部分易冒落岩体锚固在深部未松动的岩层上（图7-38b）。
a b
图7-25 锚杆支护悬吊作用
a—坚硬顶板锚杆的悬吊作用；b—软弱顶板锚杆的悬吊作用
（2） 组合梁理论
如果顶板岩层中存在若干分层，组合梁理论认为锚杆的作用一方面提供锚固力增加各岩层间的摩擦力，阻止岩层沿层面继续滑动，避免出现离层现象；另一方面锚杆杆体可增加岩层间的抗剪刚度，阻止岩层间的水平错动，从而将巷道顶板锚固范围内的几个薄岩层 锁成一个较厚的岩层(图7-26)。