“集硬效应”。其结果是在采空区上方顶板中产生卸载空间，采空侧边界上覆岩层形成加载空间。卸载空间达到一定限度将产生垮落，垮落是自下而上发展的，最下位岩层(或岩层组)首先垮落称为初次垮落，其上位岩层的垮落称为后继垮落。另外，要使岩层沿支护外侧—采空区侧切断，岩层未出现可见破断裂隙时，及时架设支护比岩层已经形成明显裂缝时再支护所需要的支护阻力小。从而表明，及时支护要求的切顶力小。支护对后继垮落所产生的影响是通过已垮落岩层的残留顶板传递的，这种影响与后继垮落的先后次序有关。次序越排前受支护的影响相对越明显，反之，越不明显。在固定边界处，前后垮落的岩层形成的一个“倒台阶”，即后序垮落边界总是在前序垮落边界的外侧。
把上覆岩层的这种自下而上的垮落过程称为前期破坏活动。通过改变边界支护方式能够改变下位岩层（尤其初次垮落岩层）的垮落边界位置，进而改变整个垮落线的位置。这种特点是研究沿空留巷支护对围岩前期作用的重要依据。
随着垮落层位的不断提高，固定边界已垮岩层残留边界由承载状态转入了加载状态。当加载达到一定程度，即达到下位岩层整个残留边界的总极限承载能力时，残留边界就会产生过渡期破断，过渡期破断不同于前期破断，除下位冒落带所对应的那部分的岩层之外，其余岩层都受到前期破断岩层结构和未垮岩层的夹持作用，下沉受到制约。过渡期破断的破断线不是一条，而是多条且分布在一个区域上。
由于前期垮落的岩层已受到一定程度的压实，并在边界处形成了稳定结构，这种边界结构构成了过渡期破断岩层的“支座”。当这种支座的刚度等于或大于煤体的刚度时，上覆岩层的下沉将以平移甚至反转的形式下沉。上覆岩层的这种下沉会加剧煤帮的挤出，增大底鼓量。
随着“过渡期垮断”的发展，已经稳定的岩层上方平衡的未垮岩层还会失去平衡，产生下沉。把上覆岩层的这种活动叫做上覆岩层的“后期活动”，后期活动会加剧沿空留巷上覆岩层的平移下沉以及巷道煤帮的挤出，使巷道煤帮内的支承压力范围加大。巷道支护（包括充填体支护）顶不住由于岩层后期活动而引起的平移下沉。在后期活动过程中，改变支护阻力的大小，对上覆岩层的平移下沉几乎没有影响。平移下沉具有“给定变形”特点，此时支护载荷完全取决于有效支护刚度的大小，有效刚度越大，载荷也越大，将这个规律称为“硬支多载规律”。
分析表明，设计沿空留巷最大支护载荷主要以上覆岩层的前期规律为依据。设计沿空留巷最大支护变形主要以上覆岩层后期活动规律为依据。
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6.3 沿空留巷顶板控制理论
6.3.1 煤巷顶板的预应力结构理论
传统的支撑式巷道支护是从围岩外部承受围岩压力，而锚杆则是在围岩内部进行加固，形成了“围岩—锚杆”的整体承载结构，并充分发挥围岩的自承能力。这是关于锚杆支护的经典论述，但整体承载结构的形成不是没有条件的，大多数普通锚杆(无初锚力或初锚力极低)和围岩不能形成承载结构。
巷道开挖后在围岩很小变形时（约在破坏载荷的25%以下），脆性特征明显的岩体就出现开裂、离层、滑动、裂纹扩展和松动等现象，使围岩强度大大弱化。如果巷道开挖后立即安装锚杆，但未施加预拉力，由于锚杆极限变形量大于围岩极限变形量，又由于各类锚杆都有一定的初始滑移量，因而锚杆不能阻止围岩的开裂、滑动和弱化。只有当围岩的开裂位移达到相当的程度（在钢筋混凝土中达到极限载荷60～75%）以后，锚杆才起到阻止裂纹扩展的作用，这时围岩已几乎丧失抗拉和抗剪的能力，加固体的抗拉和抗剪能力主要依赖于锚杆。也就是说，这里围岩和锚杆不同步承载，先是围岩受力破坏，达到一定程度，锚杆才开始承载，在开采深度不大和非强烈构造应力区，这种矛盾常常不突出，支护的成功掩盖问题的实质。如果在安装锚杆的同时，立即施加足够的预拉力，不仅消除了锚杆支护系统的初始滑移量，而且给围岩一定的预压应力，改善围岩的应力环境：对于受拉截面来说，可以抵消一部分拉应力，从而大大提高抗拉能力；对于受剪截面，由于压应力产生的摩擦力，大大提高了加固体的抗剪能力。因此及时施加预应力直接避免巷道围岩过早出现张开裂缝，可以大大减缓围岩的弱化过程，岩体利用自身强度及时参与承载过程，即形成整体承载结构，保证了巷道的长期稳定。
如果施加的预应力合适，可以保证围岩和锚杆结构同步承载，即形成整体的承载结构，这就是煤巷预应力结构理论的实质，即通过支护构件主动施加一种作用力，从而使围岩和支护构件在掘巷之初即能够共同承载的结构。预应力结构的形成对于控制深部巷道围岩的长期流变效应至关重要。 6.3.2 巷道围岩应力场优化理论
在宏观区域应力场已确定的情况下，只有从巷道所处的周围岩层环境中去降低其应力强度，即从微观应力场的角度改善巷道周围岩层的应力强度，使巷道处于相对有利的维护环境。要达到这一效果，只能通过支护手段改善这个微观应力场。研究和实践表明，
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巷道周围岩体相对破碎，采用超强锚杆通过施加高预应力及高刚度附件，最大程度的挤压紧固巷道围岩，消除围岩中的弱面和空隙，提高岩层的整体承载强度，形成具有一定强度和刚度的承载层，并使得上覆岩层的垂直应力向巷道两侧深部岩层转移，同时有效抵抗和平衡巷道周围水平高应力对围岩的剪切作用，有效改善巷道周边微观应力场，优化围岩浅部应力环境，促使围岩由两向应力状态向三向应力状态转化，这是巷道周边围岩微观应力场优化的最有效手段。 6.3.3 锚杆承载性能强化理论
当巷道周围层状岩体受到采掘工程影响后会产生两方面的反应，一是由于各个岩层的刚度不同产生沿垂直层面方向上的离层膨胀，二是沿层面方面的相对剪切滑移。如果支护不力巷道就会产生两种变形：即巷道围岩的结构变形和岩层的松动扩容变形。理论和实践观测表明，结构变形通常占整个变形的40%，而松动扩容变形则占到整个巷道变形的60%。巷道的开挖使得围岩原始应力场遭到破坏，围岩自身的自组织功能使得围岩相互影响和作用，岩层发生一定的结构变形是在所难免的，结构变形只要发生在一定的范围和尺度内，围岩整体结构就稳定，这种结构变形可以通过锚索和桁架支护技术得到控制。而岩层的松动扩容变形主要发生在巷道浅部围岩，是由于卸荷作用造成的，如果得不到及时有效的支护这种扩容变形将很快演变为围岩的破裂和垮冒，只有通过提高围岩的初始支护强度这种松动扩容变形才能得到有效控制。
研究表明，当锚杆的预紧力达到70～80kN时，围岩的浅部松动基本可以消除。研究认为，初期施工锚杆的支护强度(预紧力)与巷道围岩的松散扩容变形之间的关系有如图6.4的定性定量关系：当锚杆的初始支护强度小于0.1MPa 时，松散变形随初始支护强度的增大下降速度很大；初始支护强度界于0.1～0.3MPa 时，松散变形随初始支护强度的增大下降速度相对减小，但仍在明显下降；而当初始支护强度超过0.3MPa 时，松散变形随初始支护强度的增大基本没什么变化。因此可见，煤巷锚杆支护锚杆对围岩的初始支护强度应达到0.3MPa。按照目前锚杆通常的间排距布置方式，每根锚杆的预紧力应在100kN左右才能保证实现这个效果。而目前大多数情况下锚杆仅有20～30kN的预紧力，是远远不够的。
因此，煤巷锚杆支护技术的发展已经不再单纯强调锚杆的强度，综合强化锚杆支护的承载特性是锚杆支护的发展方向，其本质是促使其锚杆支护特性曲线具有及时早强增阻的特性，如图6.4所示。
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图6.4 扩容变形与初始支护强度之间的关系 图6.5 支护阻力与围岩变形关系 典型的支护围岩特性曲线如图6.5曲线1所示，巷道围岩压力随围岩变形而急剧衰减，适当滞后支护可以释放一定的围岩压力，但支护的滞后常常产生松动变形。通过及时支护的高预拉力锚杆提供初期的支护阻力消除掘巷煤岩体松动变形，通过高刚度的护表材料及锚杆附件，促使锚杆在后续围岩变形过程中实现高增荷特性，很快达到较高的工作载荷，限制后续的围岩变形，锚杆工作荷载如图中曲线4 所示，实现了及时、高初锚力、高增荷特性，进而达到高工作荷载，可以控制留巷巷道在掘进期间的变形；锚杆工作荷载如图中曲线3 所示，锚杆施工安装时间滞后一些，增荷速度低一些，最终形成的工作荷载也有降低，掘巷期间的围岩变形就大一些，这是目前支护实践常见的现象；锚杆工作荷载如图中曲线2 所示，支护在围岩充分松动变形以前不起作用，壁后很空、和围岩接触不好的U 型钢支护类似这种状况，掘巷期间围岩变形很大，留巷时顶板松动、离层，极易在实施留巷充填时垮冒，常常需要先期注浆固结顶板区域，施工难度大，巷道变形严重，留巷困难。
沿空留巷支护经历强烈动压影响并长期维护，对掘巷阶段的变形控制提出了更高的要求，必须实现上图中曲线4 的工作特性曲线，即以高强锚杆为基础以高预紧力为核心的“三高”锚杆支护才能满足沿空留巷对支护的要求：
①高预拉力：锚杆预拉力(或称初撑力)的大小对顶板稳定性具有决定性的作用。当预拉力大到一定程度时，锚杆长度范围内和锚杆长度以上的顶板离层得以消除。同时顶板的垂直压力被转移到巷道两侧岩体深部，巷道两侧附近岩体的压力减小，片帮现象缓和。通过高预拉力实现承载性能的强化。
②高刚度：保持初始工作载荷则依赖于护表材料的性能，锚杆载荷向围岩的扩散和增荷速度依赖于增大护表构件的刚度，因此护网、托盘和钢带的抗变形能力必须进一步加强，并适应强动压影响，达到高增阻限制变形的工作状况。
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③高强度：由于强烈动压影响，高预拉力锚杆荷载增加很大，杆体及配套螺母、托盘强度必须适应动压大变形的特点， 在高预拉力的基础上，进一步实现高阻让压的工作状态，限制围岩变形。 6.3.4 破裂围岩体强度强化理论
煤层巷道围岩强度一般都较低，开挖以后必然产生一定程度的破坏，浅部的围岩处于低围压破裂状态，承载能力很低，在根本上决定着巷道围岩的稳定性，只有对巷道周围低围压破裂岩石进行有效加固，才能提高巷道围岩的承载能力和稳定性。通常采用锚杆和注浆两种方式进行加固。
1）锚杆加固：围岩强度强化原理揭示了锚杆支护对锚固范围岩体峰值强度和残余峰值强度的强化作用以及对锚固体峰值强度前后的C 、D 、E 等力学参数的改善，分析了锚固体强度强化后对巷道围岩塑性区和破碎区的控制程度。
在巷道周边低围压条件下，岩体强度随围压的逐步增大而呈急剧增长趋势，所以，要想提高破碎岩体的承载强度，就必须增大其围压，从岩层内部增大其承载能力。相对被动作用的U 型棚支护，主动作用的锚杆支护就是早期快速增大围压的最有效方式。在破裂岩石中安装锚杆之后，改善了破裂岩体的应力状态，其承载性能明显增大，破裂岩体中采用锚杆加固具有几个方面的作用：①从结构面剪切破坏角度分析，锚杆加固具有抗剪阻滑的作用；②从脆性断裂强度理论分析，它具有降低裂隙间应力强度因子，阻碍裂隙扩展的作用；③从节理岩体的岩桥强度理论分析，它具有增强节理岩体的裂隙前缘岩桥的断裂韧度的作用，使裂隙断裂扩展力不仅要克服岩桥的阻力，还要提供锚杆索的桥联作用，因而阻止了裂隙进一步的扩展和贯通。
2）破裂岩体的注浆加固：破裂岩体表现出明显的结构效应，在滑移变形过程中破裂岩体产生显著的剪胀现象，随时间延续表现为强烈的体积膨胀。在高地应力作用下，开掘导致的应力状态转化过程（由三维向二维转化）中巷道岩体大范围破坏，同时巷道轴向约束并未因开挖而产生较大改变，这就导致了破裂岩体向巷内自由面变形，破裂后围岩主要受结构面控制，表现为沿结构面向低约束方向的滑移，因此巷道易发生顶板冒落和底鼓。另一方面破裂岩体在低围压下强度低、变形大，对深部围岩的约束压力较小，高地应力或动压作用下深部岩体进一步破坏，形成渐进破坏的动态循环，变形持续扩大，因而破裂岩体性质决定了高地应力软岩巷道的大变形特征。注浆固结较破裂岩体后其强度和抗变形性能明显提高，因此在掘巷导致的围岩破裂圈基本形成后，对其进行注浆加
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