(1) 石材支架的材料

 根据来源不同，石材分天然和人造石材。天然石材是用强度大不易风化的花岗岩、石灰岩和砂岩经加工而成，俗称料石。料石石材的性能见表。人造石材有普通砖、混凝土砖等。用石材、砂浆砌壁形成的巷道支架，其本身是连续的整体，对围岩能起封闭，防止风化作用。

 料石材料性能

砖石砌体结构在我国有悠久的历史和丰富经验，特别是用料石砌壁的石材支架，在我国煤矿中过去使用的相当广泛。这种支架坚固、耐久、阻水、通风阻力小，其材料来源广，多数可就地取材。

石材支架材料的规格和标号应符合以下要求：

1)料石必须质地致密、坚硬无裂隙、不带风化皮层，抗压强度不应低于40Mpa，加工面凹凸不超过10mm或20mm两种，形成六面体。在同一地区采用的料石规格尺寸应力求统一，厚度一般不小于200mm，长度适应设计规定的砌体厚度，其规格一般为200mm×200mm×200mm或300mm×250mm×200mm。每块料石重量以不超过40kg为宜。料石间砌缝一般为15mm。

2)普通砖的规格为240mm×115mm×53mm，标号不小于75号，一般要求大于100号。混凝土砖强度等级不低于C20。砖缝间隙为10mm。

3)砌筑料石或砖用的水泥砂浆，由水泥、砂和水拌和而成。砂浆标号一般不低于75号，其重量配比为1：4(水灰比为0.8)或1：3(水泥比为0.7)。

4)石材砌筑巷道的壁后空间，应选用较坚硬遇水不变质、不易风化的碎石充填密实。在地质变化大或有淋水的地段，可采用低标号混凝土或片石砂浆充填。

(2)石材支架施工

石材支架的主要形式是直墙拱顶。它由拱、墙和基础构成。拱部各截面主要产生压应力及部分弯曲应力。拱部的内力主要为压应力，这样有利于发挥石材抗压强度高的特性。

石材支架的施工，多在掘进后先安设临时支架，以防止掘进与砌碹之间巷道的顶帮岩石冒落。临时支架多采用15~24kg/m钢轨制作的金属拱形支架，支架间距一般为0.8~1.0m，支架间安设拉钩和撑住，并用背板背紧。

(1) 木材支架的材料及型式

巷道中常用的木材支架是梯形棚子，适用的木材有杉木、松木、落叶松、红杉、云杉、桦木、杨木、栎木和榆木等。直径一般为16~22cm。木材的构造具有各向异性，所以木材在顺纹、横纹方向上的强度也不相同。木材的顺纹抗拉强度比横纹抗拉强度约大10~40倍，木材的顺纹耐压强度为横纹耐压强度的3~10倍，木材的顺纹抗剪强度比横纹抗剪强度小17%~25%。因此木材使用时尽量避免横纹受拉压和顺纹受剪切。

木材支架是一种过去使用得最广泛的支架，它的重量较轻，具有一定的强度，加工容易，架设方便，特别适应于多变的地下作业条件，构造上可以做成有一定刚性的支架，也可以做成有适当可缩性的支架，当压力突然增大时，木材支架还能发出声响讯号。其缺点是强度有限，不能防火，容易腐朽，服务年限很短，不能阻止和防止围岩风化。目前，煤炭工业中木支架的使用量已越来越少。木支架一般用在围岩压力不大、巷道服务年限不长、断面较小的采区巷道里，有时也用作巷道掘进中的临时支架。

(2) 木材支架的结构

木材支架由一根顶梁，两个棚腿以及背板、木楔等组成。顶梁是木支架支承顶压的受弯构件。棚腿是顶梁的支点，并承受侧压。棚腿与底板的夹角一般为80°，并应插到坚实的底板岩石上。顶梁和棚腿的连接，常用的“亲口接”(图)，安设时应用四个楔子把梁腿接口处与顶帮围岩之间楔紧，以便承受此处较大的挤压力和保持整个支架的稳定性。背板通常可用板皮、次木材或柴束，它的作用是使压力均匀分布到顶梁和棚腿上，并防止碎矸石下落。根据围岩坚固程度，背板有密集布置的，或间隔放置的。背板后面和围岩间若有空隙，应用废木料或矸石填实。

每架棚子架好后，其平面应和巷道的纵向轴相垂直。为了增加每架棚子的稳定性，棚子间可以打上小圆木或方木制作的撑柱，或钉上拉条。

木材支架亲口接

U型钢和矿用工字钢是两种主要的矿用支护型钢。由于使用目的不同，两种型钢的截面形状完全不同，U型钢是为制造可缩性支架而设计的，矿工钢过去多用于制造刚性金属支架。由于矿工钢来源广，造价低，加工简单，现场有大量使用矿工钢性支架的习惯。近几十年来，我国在原有矿工钢性支架的基础上，设计和研制了专门的可缩性连接件，或对矿工钢刚性支架进行某些改造，成功地使用了矿工钢可缩性支架。

(1) 对矿用支护型钢性能的要求

井下条件复杂，巷道支架承受的载荷以及载荷分布均在不断变化，特别是一些围岩变形量较大的巷道，例如受采动影响巷道、软岩巷道、深井巷道、位于断层破碎带处的巷道，这就增加了巷道支护工作的复杂性，也对矿用支护型钢的性能提出了特殊的要求。

1)优良的力学性能 较高的抗拉、抗压、抗剪强度和良好的韧性性能使支架承载能力提高，有利于保持巷道良好的维护状况，减少支架的变形损坏和修复工作量。

2)优越的断面几何参数 型钢断面的几何参数主要是抗弯截面模量W_x、W_y。而衡量其几何形状是否合理的指标有三个：W_x/W_y，W_x/G，W_y/G。G是型钢的理论重量(kg/m)。

井下支架不仅要承受纵向载荷，而且还要承受来自横向的推力。因此要求支架在x，y方向承受载荷的能力都要比较大，W_x与W_y尽可能比较接近，这样材料使用比较经济。W_x与W_y较接近也有利于提高支架的稳定性。

3)合理的断面几何形状 型钢断面的几何形状除影响上述几何参数外，还影响型钢抗变形能力。型钢断面的几何形状要和受力后型钢内力(特别是弯矩)分布状况相适应。U型钢连接后在锁紧和受力过程中，上、下型钢要能内外吻合，接触面积大，滑移平稳，并使连接件受力状况良好。

型钢面的几何形状要有利于钢材轧制、支架的加工制造以及修理、搬运。

(2) 矿用工字钢

矿用工字钢是井下巷道支护的专用型钢。它与普通工字钢不同之处是：断面的高宽比减小，腹板加厚，翼缘厚且斜度大，这样使型钢断面的W_x/W_y减少，更能适应井下受载条件。我国生产的矿用工字钢已定型、标准化，共有9号、11号、12号三种规格，常用的是11号。断面主要尺寸及参数见表。

 矿用工字钢断面主要尺寸及参数

(3) U型钢

作为制造巷道可缩性金属支架的主要型钢，在国内外广泛采用的都是U型钢。但由于对U型钢本身的性能和要求认识不一致，因而各国U型钢的断面形状、几何参数以及材质等不尽相同。

我国生产的U型钢型号主要有U18、U25、U29、U36四种。其中前两种系60年代产品，属腰定位；后两种是80年代产品，属耳定位。U18由于承载能力很低，现很少生产。

U25、U29、U36型钢断面参数见表。

 国产型钢主要断面参数

U型钢拱形可缩性支架结构比较简单，承载能力较大，可缩性能较好，因而是U型钢可缩性支架中使用最广泛的一种，德国、波兰、前苏联使用数量均占到金属支架的90%以上。我国从1963年开始使用U型钢可缩性支架，当时主要发展拱形，以后发展了封闭形、梯形等多种型式，但仍以拱形为最多。

(1) 拱形可缩性支架结构

U型钢拱形可缩性支架，一般由5部分组成。

1)顶梁 顶梁为圆弧拱形。根据巷道断面大小、支架受力和需要可缩量、要求运输条件等不同情况而有一节或多节之分。国内多用一节或两节。一节拱梁的曲率半径有一个或两个。

2)柱腿 柱腿有两种形式：一种是上部为圆弧形，下部为直线形；另一种为曲线形，它有一个或两个曲率半径。柱腿下部焊有长方形或正方形底座。

3)连接件 它是连接、卡紧型钢的装置，是保证拱形支架具有一定工作阻力和一定可缩量的关键部件。

4)架间拉杆 它将支架从纵向连接起来，以增强支架的整体性和纵向稳定性。

5)背衬材料 它是支架与围岩之间的填充、隔离材料。背衬的目的在于改善支架的受力状况和保持围岩的稳定性。背衬材料有各种背板、金属网和架后充填材料等。

(2) 拱形支架分类

1)按支架节数分类 有三节、四节、五节之分，见图。一般讲，三节和四节式拱形支架的适用条件是：

(a)巷道断面较小时用三节，较大时用四节。

(b)巷道侧压不大时用三节，侧压较大时用四节，这是因为支架受侧压时顶部的连接件可收缩。

(c)围岩条件和外载变化较大时用四节。

五节式拱形支架有两种：一种是加高式，在三节拱形支架的基础上，在柱腿下端增加两根直腿；另一种是加宽式，顶梁为三节圆弧拱梁。五节拱形支架用于断面较大(宽度较大，或者高度较大)的巷道。

2)按柱腿曲直情况分类 有直腿式和曲腿式两种。

3)按拱的形状分类 有三心拱和半圆拱。拱形支架一般用于采区上、下山和工作面顺槽的支护。

4)按支架对称与否分类 可分为对称型和非对称型支架。

 直腿拱形可缩性金属支架

a－三节式；b－四节式；c－五节加高式；d－五节加宽式

【】 矿用工字钢刚性支架

刚性支架就是支架本身没有可缩性或可缩性很小的支架。为了适应巷道围岩的变形，巷道整个支护体系的缩量是必须的。对于本身没有可缩性连接件的刚性支架，其支护体系中的缩量包括：支架插入底板、架后破碎矸石压缩、接榫处木垫压缩以及支架本身的挠曲变形等。由于上述支护体系的缩量很小，因此刚性支架只能使用在围岩比较稳定、变形较小、压力不太大的巷道中，否则将造成支架严重损坏。

刚性金属支架的主要架型有梯形、拱形和封闭形，其中使用最多的是梯形。

(1) 刚性金属支架

1)支架的基本结构 梯形刚性金属支架有一梁二柱和加设中柱两种基本形式，见图。断面较小时用一梁二柱，断面较大或顶压较大时在顶梁下加设中柱。

梁腿之间有各种接榫结构，腿的下部焊以底座，支架与围岩之间一般均使用背板，支架与支架之间布置拉杆。

 梯形刚性金属支架基本形式

a－ 一梁二柱支架；b－加设中柱的支架

2)接榫结构 接榫结构的种类甚多，我国常用的是下图的形式。挡块3用两块扁钢焊接而成，挡块4用矿工钢料头制作。有时在梁腿相接处垫以薄木板，适当增加缩量和稳定性。

 梯形刚性金属支架接榫结构

1－顶梁；2－柱腿；3－扁钢焊接件；4－矿工钢料挡块

(2) 拱形刚性金属支架

拱形刚性金属支架主要使用在基本巷道，种类很多，下面只介绍三种：

1)拱顶斜腿金属支架 它是矿工钢梯形刚性支架的一种改进形式，见图。当巷道顶压很大时，为了提高顶梁的承载能力，将平梁改为弧形顶梁，其曲率半径为r。梁腿交接处使用工字形铸钢接榫。

2)拱顶直腿支架 拱梁半径为R，柱腿上段半径为r，形成另一类型的三心拱。拱梁和柱腿连接处的连接由扁钢夹板和螺栓构成，属刚性连接，一般用于稳定的较大断面巷道，见图。

 拱顶斜腿金属支架

1－弧形顶梁；2－柱腿；铸钢焊接

 拱顶直腿支架

1－拱梁；2－柱腿；3－扁钢夹板连接件

3)巷道加强拱顶支架 有些锚喷、砌碹巷道或局部地段，由于围岩松软或受采动影响而发生破坏变形时可用这种支架予以加强。这种支架实际只是一个拱顶，用短截支护型钢(矿工钢或U型钢均可)打入巷道两帮作为支承座支撑拱顶，并用背板背严，这样使巷道破坏变形地段得到加强。

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。

单体锚杆由锚头、杆体及托板组成。例如，对于以机械或化学方式锚固的端头锚固式锚杆，位于锚孔内部用于在锚杆和岩体之间传递力的部分是内锚头，位于锚杆孔外部用于支承托板并产生锚杆预应力的部分是外锚头。托板的作用是将围岩压力转化为对锚杆的拉力。锚杆的杆体可用不同材料制造，用于承受张拉作用。

按照锚杆与被支护岩体锚固方式可将其分为机械式、粘结式和摩擦式三类。根据锚固段位置与长度又可分为端头锚固与全长锚固两类。按照锚杆作用特点可将其分为主动式与被动式。主动式锚杆安装后施以预应力，使不同岩层间摩擦作用增大，同时将锚固范围内岩层夹紧，形成梁或拱形式的承载结构，可以提高巷道稳定性。被动式锚杆不对杆体施加预应力，只有在围岩开始变形后才开始起加固作用，按照锚杆工作特性可将其划分为刚性及可伸缩性锚杆。可伸缩性锚杆又可分为增阻性和恒阻性锚杆，其典型锚杆支护特性曲线，见图。

按照杆体材料的不同可分为木锚杆、竹锚杆、金属锚杆、(钢筋)混凝土锚杆以及聚酯锚杆等。根据锚杆的组合方式又可区分出单体锚杆与组合锚杆支护。

锚杆的基本力学参数包括：

1)抗拔力棗锚杆在拉拔试验中承受的极限拉力；

2)握裹力棗锚杆杆体与粘结材料间的最大抗剪力；

3)粘结力棗锚杆粘结材料与孔壁岩之间的最大抗剪力；

4)拉断力棗锚杆极限抗拉强度。

典型锚杆支护特性曲线

1－刚性锚杆；2－增阻式；3－恒阻式

(1)机械式锚杆

机械锚固锚杆一般属于端头锚固式，并且锚杆的安装需要施加预应力，属于主动式锚杆。常见的锚头类型包括胀壳式、倒楔式和楔缝式等，常用金属杆体直径14~22mm，也有30~32mm的，杆体长度0.65~5.25m。

在机械锚固锚杆中，木锚杆、竹锚杆及其它人工合成材料锚杆在煤矿中得到一定应用。这些锚杆具有结构简单、成本低、制造容易等优点，一般用在服务年限短的回采巷道两帮支护中。

1)胀壳式锚杆样 常见的胀壳式锚杆由胀壳、锥形螺母、杆体、托板及螺帽等组成。

标准的胀壳式锚头为沿纵向分割为两瓣或四瓣的一段短管，另一端为未分割的刚性部分。胀壳外表面加工成锯齿状，胀壳内插入一个有内丝扣的锥形空心螺母。组装好的锚杆送入孔底后，旋转杆体，使锥形螺母向下滑动，迫使胀壳张开，嵌入孔壁，使锚杆锚固在岩体中。

2)金属倒楔式锚杆 金属倒楔式锚杆由固定楔、活动楔、杆体、托板和螺帽等组成。

倒楔式锚杆的锚头由固定楔和活动楔组成。如果固定楔为铸铁的，则与杆体浇铸为一体，相应的活动楔也是铸铁的。如果固定楔是钢制的，则与杆体螺丝连接，相应的活动楔也是钢制的。楔子的尺寸和锥度对于锚固力大小影响甚大。

安装时先将由橡皮筋固定的活动楔与带固定楔的杆体同时送入孔内，视杆体外端露出孔口长度适宜为止，采用扁形长冲头沿杆体一侧送入孔内顶住活动楔，并用锤撞击使活动楔沿固定楔斜面滑动，造成楔体横截面增大，并嵌入孔壁，然后装上托板和螺母，使锚杆锚固在岩体中。

倒楔式锚杆构造简单，安装方便，易于回收，安装后可立即发挥支护作用。金属倒楔式锚杆的锚固力一般可达30~50kN。在围岩松软、破碎时，锚固效果差，不宜采用。

3)楔缝式锚杆

(a)金属楔缝式锚杆。金属楔缝式锚杆由杆体、楔块、托板和螺母等组成，其杆体用A₃或A₅钢制成，直径16~25mm，长度1.52.0m，杆体内锚头上有2~5mm宽、150~200mm长的纵向楔缝，外锚头带有100~150mm的标准螺纹。楔子一般用铸铁制成，较楔缝短10~20mm，楔头厚1.5~2mm，楔尾厚20~25mm，楔宽与杆体直径相同。

安装时将楔子装入楔缝并送入孔底，冲击锚杆外锚头使楔子撑开楔缝，造成内锚头紧压孔壁，产生所需锚固力。然后安装托板使锚杆进入工作状态。

楔缝式锚杆的优点是结构简单，制造容易，成本低，易于安装等。但对眼深及孔径要求严格，对软弱破碎岩体锚固力差，故不宜在软岩中使用。此外，未灌浆的锚杆抗震能力差，且回收复用困难。

(b)木、竹楔缝式锚杆。木、竹锚杆是矿山巷道最经济的支护型式，它既可机械锚固也可粘结锚固。

木楔缝式锚杆由硬杂木制作，直径一般为28mm，长度1.2~1.8m，杆体上、下端均加工出长度250mm左右的纵向缝。楔子长150~200mm，厚20~25mm。

竹楔缝式锚杆一般由两片竹片制成30 mm×20mm的矩形截面杆体，长度1.2~1.6 m。内外锚头均采用与木锚杆类似的楔缝和硬杂木楔子。

竹倒楔式锚杆的固定楔和活动楔均由硬木或竹子做成，杆体由两竹片制成，用铁销钉或铁丝连成一体。杆体外锚头为楔缝式楔子锁口，通过打紧楔子获得锚固力。

木、竹锚杆的托板可采用硬木板、塑化竹板、钢筋混凝土或菱苦土板以及钢板等。

木锚杆的设计锚固力10~20kN，不防腐可使用一年左右。防腐处理后配合喷浆可使用5~10a，竹锚固力一般10~20kN，经过改制后的竹钢组合锚杆的锚固力可达30kN左右。用于一年以上采区巷道时一般要作防腐处理或配合喷浆。

(2) 粘结式锚杆

粘结式锚杆主要为分为水泥砂浆钢筋锚杆和水泥或树脂锚固钢筋锚杆两大类。前者属于被动式锚杆，这类锚杆只有当围岩产生变形时，锚杆才能受载。显然，它们必须紧跟掘进工作面安装，因为当锚杆的安装进度远远落后于开挖工作时，围岩会在短时间内出现较大变形，这时再安设锚杆，已很难充分发挥锚固作用。另一类粘结式锚杆是安设后短期内即可迅速固化并拉紧的。例如树脂锚杆和水泥锚固锚杆，安装迅速方便，锚固力大，并能防腐防锈，在软弱破碎岩石中也能可靠工作。它们属于主动式支护。按照粘结剂锚固长度，也可将粘结式锚杆分成全长粘结式或端头粘结式，通常前者的锚固力为后者的数倍。

1)树脂锚固钢筋锚杆 树脂锚固钢筋锚杆由树脂胶囊、杆体、托板和螺母等组成。杆体内锚头压扁拧成反麻花状，杆体由圆断面到压扁处形状应渐渐改变。内锚头应设置挡圈，防止树脂由孔内外流。杆体外锚头的螺纹应由滚丝机滚制而成，以便提高螺纹段强度。目前，国内已轧制出无纵筋螺纹钢筋(又称螺旋钢筋)，有这种钢筋做杆体可以不需加工，直接安装螺帽，可以做为端头锚固锚杆，也可做为全长锚固式锚杆。这种杆体不但可以提高锚杆粘结强度，而且便于安装和进行长度调节。

这种锚杆具有使用方便、节省工时、锚固力大、安全可靠、防震性能好、适用范围广等优点。可以预先拉紧也可以不预先拉紧。特别是全长粘结式锚杆可以在质量很差的岩体中形成高强度粘固，选定合适的凝固时间，可以一次完成全长粘固和拉紧。这种锚杆的缺点是锚固剂成本高，贮存期短(6个月)。

2)水泥锚固锚杆 水泥锚固锚杆是以快硬水泥卷代替树脂胶囊，其粘结方式也有端头粘固和全长粘固两种。水泥卷内包装的胶结材料由国产早强水泥和双快水泥按一定比例混合而成。如果在水泥中添加外加剂，还可制成快硬膨胀水泥卷，它具有速凝、早强、减水、膨胀等作用，特点是膨胀水泥的膨胀率1h可达0.4%~0.6%，8h可达到0.7%~0.8%，1d可达到1.1%~1.3%，从而有助于杆体与孔壁的粘结，提高锚固力。

各种类型的水泥锚固锚杆都是通过锚杆锚头将水泥挤入钻孔裂隙，并快速粘结杆体与岩壁，由于体积膨胀达到产生较大锚固力的目的。直径16mm的杆体采用快硬水泥卷作端头锚固，半小时后锚固力可达到50kN以上，具有较好的锚固性能。水泥锚固锚杆具有适应性较好、锚固迅速可靠、可以施加预应力、抗震动冲击等特点，并且，价格低廉、施工简便，是一种较适合我国矿山应用的锚杆类型，但是，它的锚固直径及其它技术指标一般不如树脂锚杆，因此，在永久性重要地下工程中，特别在淋水或渗水严重的巷道中应用受到限制。

我国还普遍使用水泥锚固的竹锚杆，为了使外锚头强度与水泥锚固的内锚头粘结力相适应，近年来研制了钢竹组合锚杆。

3)水泥砂浆锚杆 水泥砂浆锚杆由水泥砂浆、杆体、托板和螺母组成，这是一种全长粘固式锚杆。水泥砂浆锚杆杆体一般采用A₃钢，直径16~25mm，为增加锚固力，也可与机械式锚头配合使用。水泥砂浆一般用425^#以上硅酸盐水泥，砂子粒径不大于2.5mm。砂浆配合比(重量比)一般为：水泥：砂=1：1；水灰比=0.38~0.45。

这种锚杆的水泥砂浆依靠压气注眼器注入钻孔内，水泥砂浆凝固后，将锚杆与钻孔壁粘结在一起。当岩体发生变形时开始起作用。因此，必须在岩体发生明显变形之前安装。其优点是结构简单、价格低廉、锚固力较高、抗冲击和震动性能好。

砂浆钢筋锚杆用于井下永久性工程或采区主要硐室。砂浆竹锚杆配合喷浆可用于服务期限5~10a的巷道。

(3)摩擦式锚杆

摩擦式锚杆是近年来发展起来的新型锚杆。按锚固原理它也是一种机械式锚杆。由于通过钢管与孔壁之间的摩擦作用达到锚固目的，故多为全长锚固式。主要包括缝管锚杆、水胀管锚杆、爆固管锚杆和液力顶板销钉等，而缝管式锚杆是我国独创的。

1)缝管锚杆 缝管锚杆杆体是一根全长纵向开缝的长钢管，外锚头焊有一个直径6mm~8mm的圆钢弯成的圆钢弯成的挡环，杆体直径30~45mm，开缝宽度10~15mm，壁厚2.2~3m。

当开缝管打入比管径小1~3mm的钻孔后，钢管的弹性使其外壁与钻孔岩壁挤紧并产生沿管全长的径向应力和轴向摩擦力，阻止围岩变形，并在围岩中产生一个压应力场，使围岩加固。开缝管一般用冲击法装入钻孔，为了便于安装，锚头部分制成圆锥形。在开缝管外锚头处安装托板。

缝管锚杆具有全长锚固的特点，安装后立即提供预应力，锚固力随围岩变形而增大，随时间推移而增长，适应性好，在软弱破碎岩体及含水岩层中均能使用，锚固可靠。这种锚杆构造简单，安装方便、快速、易于实现机械化。

2)水胀管锚杆 水胀管锚杆(Swellex dowel)是一种2mm厚、直径41mm钢管被褶叠成直径25~28mm的异形钢管，装入直径33~39mm的钻孔中，通过高压水泵将高压水泵将高压水注入管内，使钢管沿锚杆全长膨胀并压紧孔壁，依靠管壁与孔壁之间的摩擦力和挤压力实现支护目的。同时，管体的膨胀伴随着纵向收缩，使托板紧贴岩面产生预紧力。

水胀管锚杆结构简单，安装迅速，作业安全，抗震动性能好，锚固力大，锚固可靠。

(4)可伸缩锚杆

理论分析与实践经验均表明，在锚杆支护系统的设计中，应满足锚杆变形(刚度)与围岩变形相协调。因此，在松软、破碎、膨胀性围岩和动压影响条件下，应寻求具有与围岩变形量相适应的锚杆型式，以便允许围岩有一个卸压过程，这就是各种可伸缩式锚杆产生的背景。

目前，可伸缩式锚杆已有多种型式。概括起来，可以分为结构可伸缩式与杆体可伸缩式两种。

1)结构可伸缩杆 这种锚杆是对杆体、内锚头、外锚头及托板等构件采用特殊结构实现可伸缩目的的。

结构可伸缩杆一般都具有恒阻可缩性、伸缩量可调、动作比较可靠、伸长量较大等优点，但这种锚杆的构造通常较复杂，成本较高。

2)杆体可伸缩锚杆 普通锚杆杆体在拉力作用下的伸长量占总长度0.2%左右，如果采用优质钢材，并对材料进行专门加工处理，则可制成有较大延伸率的锚杆杆体。国内采用对锚杆杆体进行特殊热处理方法，也达到了增大杆体延伸率的目的。杆体可伸缩式锚杆构造最简单，具有微增阻性。为了保证安全，在使用中往往只能利用杆体极限伸长量的一半，所以，伸长量是有限的。初锚力也较小。

为了适应复杂岩体条件下围岩的变形特性，可伸缩锚杆应满足下述要求：

(a)及时提供一定初锚力：锚杆安装后，应具有30~50kN的初锚力；

(b)有较大的极限伸缩量：锚杆极限伸缩量一般取为50~100mm，达锚杆全长的10%以上；

(c)具有恒阻式特征；

(d)较高的长期稳定锚固力；

(e)能抵抗一定的横向剪切作用。

【】 组合锚杆支护

(1)锚网与锚网梁支护

将锚杆与掩护网、托梁(钢带)联合使用，组成一个以锚杆为主的整体承载结构，可增大锚杆的承载面积，防止锚杆间小块松石的冒落，大大改善锚杆系统的整体支护性能，使锚杆支护有可能应用在顶板较破碎或节理裂隙发育的条件下和受采动影响的巷道中。而且，还可用于巷道宽度较大的情况，从而明显地改善了锚杆的支护效果，进一步扩大了锚杆支护的应用范围。

作为联系各个锚杆的托梁主要采用钢梁。钢梁的选材范围较宽，可以采用槽钢、角钢和U型钢。

近年来，国内、外也广泛采用钢带作为锚杆的联系构件。钢带由扁钢或薄钢板制成，为了便于锚杆安装，在钢带上预先钻好孔，钻孔形状为椭圆形，钻孔直径由相应锚杆直径确定。我国生产的钢带，共有12种规格，其长度1.6~4.0m，宽180~280mm，每条重量在5~29kg之间，可根据不同需要选用。

煤矿常用的钢带型式有：W型钢带、M型钢带、梯形钢带等。

W型钢带采用抗拉强度375－500MPa的普通热轧或冷轧钢带制作，其机械性能及技术要求应符合GB/T 700的规定。W型钢带的破断力应不小于183kN。

梯形钢带采用抗拉强度490 MPa以上钢坯轧制，力学性能：高强度钢带的钢带空撕裂力不小于220kN；普通钢带的钢带空撕裂力不小于180kN；高强度钢带承载力不小于220kN；普通钢带承载力不小于180kN，其他机械性能及技术要求应符合GB/T 700的规定。

M型钢带采用Q235A材质，抗拉强度在375MPa以上的普通热轧或冷轧钢带制作，其机械性能及技术要求应符合GB/T 700的规定。M型钢带的破断力应不小于190kN。

也可采用钢筋梯代替钢带，钢筋梯的钢筋直径一般为10mm，钢筋间距约80~100mm。它们的主要优点是省钢材，且有较大刚度。但是，必须保证钢筋梯整体焊接质量，并在使用中确保锚杆托板能切实托住钢筋梯。

金属网是组合锚杆支护中常用的构件，它用来维护锚杆间围岩，防止小块松石掉落，也可用作喷射混凝土的配筋。被锚杆拉紧的金属网还能起到联系各锚杆组成支护整体的作用。金属网可负担的松石取载荷决于锚杆间距大小。

常见的金属网采用直径3~4mm的铁丝编织而成，一般采用镀锌铁丝。以往采用60mm×60mm的矩形孔网，即经纬网。目前，经纬网已被丝距40~100mm的铰接菱形孔金属网取代。这种菱形网具有柔性好、强度高、连接方便等优点，近年来已在我国煤矿广泛应用。

由于金属网消耗钢材较多，目前正在尽可能采用玻璃纤维网或塑料网代替。

(2)锚杆桁架

顶板锚杆桁架是60年代末出现的组合锚杆支护的一种型式。这种支护由水平拉杆、锚杆和顶板岩层一起形成整个桁架系统，通过水平拉杆的预紧作用而表现为主动式支护，从而大大改善顶板应力状态，增强顶板成拱效应，提高顶板整体抗剪能力。特别适用于围岩变形大的软岩巷道，对于锚杆或其它常规支护方法难于维护的复杂地质条件、软弱破碎顶板控制有重要作用。

顶板锚杆桁架的最基本组成部分为顶板锚杆和水平拉杆，其余构件可依情况增减。

(3)锚网索

锚杆与预应力锚索联合支护，与普通的锚网支护相比，具有更大的支护强度和可靠性，并且最大限度地改善和拓宽了锚网支护的受力状况和应用范围，大大降低了巷道的维护及返修工作量，具有显著的技术经济效益和社会效益。 预应力锚索由高强度钢绞线、成套锁具、托盘等构件组成，安装时与树脂锚固剂配合使用并施加一定的预紧力。钢绞线是由一组钢丝沿一根纵轴钢丝左旋缠绕而成的；锁具是由锚头外套、锚头锁片、橡胶圈组成的成套锚固装置。

钢绞线的直径一般为15.2mm，长度为5000－8000mm。钢绞线强度有1720MPa和1860MPa两个级别，优先选用1860MPa强度级别。其力学性能及技术要求应符合GB/T 5224的规定。

钢绞线的伸长率（标距500mm）应不小于3.5％；锚索安装后应施加100kN的预紧力，钢绞线破断负荷应大于220kN。

锚索托盘采用Q235A材质、抗拉强度在380MPa及其以上的碳素结构钢平托盘，承载能力应与钢绞线匹配。托盘中心孔直径比钢绞线直径大2mm，最小几何尺寸不小于250mm X 250mm X 20mm。

喷射混凝土是借助喷射机具将按一定比例配合的拌合料高速喷射到受喷面上的混凝土。喷射混凝土作为地下工程的一种支护方式，已得到日益广泛的应用。

喷射混凝土主要有干喷和湿喷两种类型。

干喷射混凝土是将干混合料用管子送到喷头，在喷头处加水后喷射到岩面上。湿喷射混凝土是先将所有的原料混合好，再将这种混合好的低塌落度混凝土泵到喷头后喷出。

喷射混凝土通过高速喷射使水泥和集料反复连续撞击、压密，使它具有较高强度和良好耐久性。混凝土喷射后立即对围岩产生密封作用，如果在拌合料中加入速凝剂，水泥可在短时间内终凝，使混凝土很快与岩体成为一个整体，防止岩石风化及因爆破或机械振动引起的进一步松脱。喷射混凝土施工工艺简单，机动性好，特别是它与锚杆支护相结合形成的锚喷支护，对于减少巷道和硐室开挖量，节约工程材料和费用，加快工程建设速度等都有重要作用。

喷射混凝土的脆性特征，即较低的抗拉强度是它使用中存在的一个问题，这个问题也是混凝土支护所共有的。因此，对于受采动影响严重的回采巷道，一般很少采用喷射混凝土支护。另外，由于爆破质量控制不好造成的巷道断面不规则形状和超挖等，是喷射混凝土存在的另一个问题，这种巷道形状的突然改变可能引起喷层中高应力集中而引起开裂和承载能力显著降低。

(1)喷射混凝土原料与配合比

1)水泥 喷射混凝土常用的是普通硅酸盐水泥，这种水泥来源广，又能满足普通喷射混凝土的大部分要求，而且同速凝剂有较好的相容性。水泥标号不低于325号。

2)骨料 砂子宜用中粗砂，细度模数大于2.5。其中，直径小于0.075mm的颗粒应少于20%。为取得最大容重，应避免使用间断级配的骨料。

3)外加剂 在喷射混凝土中添加速凝剂可以使之速凝快硬，减少回弹损失，提高它对潮湿环境的适应性，可适当加大一次喷射厚度和缩短各喷层间隔时间等。减水剂可在保持流动性前提下显著降低水灰比。此外，还有早强剂、增粘剂、防水剂等。

一般速凝剂掺入量为2.5%~4.0%，要求掺入速凝剂后，3~5min初凝，10min内终凝。速凝剂可与水泥、集料一起拌合，也可均匀加在上料胶带上或喷射机料斗内。

4)配比设计 配比设计应满足下列要求：

(a)可喷性，能仰喷、回弹少；

(b)早期强度，能在4~8h龄期内起到支护作用；

(c)长期强度，在速凝剂用量满足可喷性和早期强度前提下，必须达到28d龄期强度；

(d)耐久性良好；

(e)材料价格低，回弹损失小，不堵塞管路。

喷射混凝土的水泥与集料之比，一般为1：4~1：4.5，砂子在集料中所占百分率，一般取45%~55%，水灰比为0.4~0.45。

(2) 喷射混凝土的施工

混凝土的喷射质量取决于选用的材料和配比。此外，还与施工密切相关。尤其是在准备岩面、控制给料速度和喷射厚度，以及喷时控制水灰比等方面，施工作业人员的熟练程度对最终结果有重大影响。

待喷岩面的准备是喷射作业的主要环节，妥善处理松石不仅有利于安全操作，还可减少因喷射于松石上而使混凝土离层剥落。显然，如果岩石很不稳固，则无法处理松石，在岩石暴露后应忙地喷射混凝土进行支护。在这种情况下，需铺设金属网，然后再喷射第二层。

为了达到适当的粘结强度，要求待喷岩面不得有任何松石或异物。为此，应从岩面上冲洗掉爆破粉尘和岩体节理中的断层泥。只要用混凝土喷射机以0.3~0.4MPa的正常喷射压力喷射出气水混合物即可进行冲洗，只要水量充足，就能冲掉岩面上的所有松石。清洗时喷嘴口应保持离岩面1~2m。

一旦洗净好待喷岩面，即可开始喷射混凝土。应根据风压调节给料速度。给料速度太低会导致产生团块输送，而无法实现稳态喷射。相反，给料速度太快又会造成喷松堵塞。显然，操作的好坏取决于所用喷射机的性能和喷射操作技术。

喷嘴与待喷岩面之间的距离取1m左右最佳，因为喷距长短对回弹量的影响限大。此外，回弹量也受喷嘴与喷射面夹角的影响，一般应保持垂直。

在喷射中，喷头应保持不断移动，以便减少回弹，维持喷层均匀厚度。例如，使喷头按圆形或椭圆形轨迹作螺旋式连续喷射，环形圈应为长轴400~600mm，短轴150~200mm。

喷射混凝土终凝2h后，应对喷层进行喷水养护。一般地下工程的养护时间不应小于7d。当地下工程内相对湿度大于85%时，也可采用自然养护。

喷射混凝土产生回弹，既浪费材料又在一定程度上改变了混凝土的配合比，影响喷层强度，因此应尽量减少回弹量。在正常作业情况下回弹率应控制在侧墙不超过10%，拱顶不超过15%。施工过程中应尽量从材料、工艺、工作条件及操作技术等方面采取降低回弹率的措施。