Условия подземной добычи угля постоянно усложняются вследствие увеличения глубины залегания разрабатываемых угольных пластов, повышения их газоносности, выбросоопасности и геологической нарушенности. Известно, что влияние всех этих факторов приводит к формированию зон предельных состояний, уменьшению запаса прочности вмещающих пород, снижению несущей способности краевой части угольного пласта и, как следствие к потере устойчивости горных выработок. Кроме этого в этих условиях могут формироваться выбросоопасные ситуации.Основные теоретические положения, разработанные применительно к общей задаче механики о концентрации напряжений, приводящей к отжиму угля:
а) в первый момент после выемки некоторой полосы угля напряжения как в массиве пород, так и в угольном пласте являются чисто упругими и их величины могут быть найдены путем решения соответствующей задачи теории упругости или методом оптического моделирования;
б) после возникновения упругих деформаций напряжения перераспределяются, и уголь разрушается, т.е. раскрываются прирожденные трещины. Часть угля, находящаяся в непосредственной близости от забоя, начинает смещаться в сторону выработанного пространства.Следовательно, для полного теоретического решения задачи об отжиме угля необходимо исследовать распределение напряжений и смещений в угольном массиве с учетом фактора времени применительно к конкретным горно-геологическим и производственным условиям. Протекание геомеханических процессов нагружения, деформирования и снижение механической прочности пласта зависит от прочностных свойств углей и горных пород, горно-геологических и горнотехнических факторов.

  В результате наблюдений было установлено, что однообразное сложение пласта облегчает отжим угля. Равномерная стекловатая структура угля является более благоприятной, чем волокнистая и струйчатая. Указанное положение подтверждается опытом работы шахт Донецкого бассейна.При неоднородном сложении пласта различные пачки угля и прослойки породы ведут себя по-разному, способствуя отжиму угля или затрудняя его. Наблюдениями на шахтах установлено, что:прослоек слабого глинистого сланца мощностью 0,05 м, расположенный в нижней половине пласта, благоприятствовал отжиму верхней части пласта, так как с выдавливанием прослойка разрушалась верхняя пачка угля. Движение угля в нижней части пласта проходило менее интенсивно благодаря выдавливанию, в первую очередь, залегающего над ней прослойка и наличию земника, содержащего включения кальцита. Влияние прослойки мягкого глинистого сланца, расположенного в средней части пласта, было аналогичное.Пласт содержит два прослойка: первый из крепкого глинистого сланца с включением кальцита, расположенный в 0,19м от кровли пласта мощностью 0,07м, хорошо связан с верхней пачкой угля; второй-мощностью 0,15м-из крепкого глинистого сланца с включением кальцита расположен в 0,15м от почвы пласта. Движение прослойков и пачек угля измерениями не обнаружено.

  Таким образом, наличие слабых прослойков, расположенных в нижней части пласта, способствует движению верхней пачки угля.Прослойки с крепкими породами и включениями, хорошо связанные с пачками угля, не благоприятствуют, а затрудняют отжим угля. Расположение мягких прослойков или пачек угля в верхней части пласта может уничтожить давление кровли на пласт и тем исключить возможность отжима. Включения в угле в случае их значительного распространения и тесной связи затрудняют, а в некоторых случаях исключают движение угля в сторону выработанного пространства.

   Проведенные наблюдения показывают, что отжим встречается при разработке, как каменных углей, так и антрацитов. Таким образом, движение угля в сторону выработанного пространства может иметь место при любой крепости угля. Наилучшие же результаты достигнуты на крепких антрацитах.

  При наличии всех других необходимых условий кливажные трещины имеют большое значение для получения отжима. Трещины кливажа образуют в угле плоскости наименьшего сопротивления, по которым легче всего происходит отделение угля от целика. Отжим сопровождается образованием трещин, параллельных линии забоя, чему весьма способствует кливаж, если направление его совпадает с направлением забоя лавы. Поэтому для усиления отжима угля желательно забой располагать по кливажу. Наблюдениями на шахтах установлено, что с увеличением угла между линией забоя и направлением кливажа отжим уменьшается, при установке забоя по кливажу - увеличивается. В случае совпадения трещин кровли с линией забоя, во избежание обрезов кровли забой следует ставить по отношению к трещинам под углом до 20⁰.В практической работе следует учитывать не только направление кливажа, но и его падение. При одном и том же простирании, в зависимости от направления движения забоя кливажные трещины падают в одном случае на забой,в другом - на выработанное пространство.Установлено, что при падении трещин на забой отжим угля проявляется в меньшей степени, чем при падении на выработанное пространство, так как в последнем случае опускающейся кровле легче сколоть уголь по кливажным трещинам, нежели скалывать его вкрест простирания.

  Наблюдениями, проведенными ранее, установлено, что отжим угля имеет место при различной мощности пласта. Таким образом, можно утверждать, что при наличии всех остальных условий получение отжима возможно как на пластах тонких, так и средней мощности. В части угла падения практика показывает, что отжим угля возможен на пластах как пологого, так и наклонного падений. Наблюдениями установлен отжим угля и при 9⁰ падения пласта и при 25⁰. На крутом падении измерения движения угля не производились. Опыт работы на шахтах Донбасса показал, что картина движения боковых пород на пластах крутого падения аналогична пологому падению, с той лишь разницей, что на крутопадающих пластах величины смещения меньше. На основании этого можно предполагать, что при наличии всех других необходимых условий отжим угля на крутом падении возможен.

  Выводы в основном сводятся к следующему - главную роль в отжиме угля играет прогиб кровли без видимого разрыва ее сплошности, т.е. консоль кровли провисает и передает нагрузку на забой целика угля, в результате чего последний растрескивается и раздавливается. Прогиб же кровли, естественно, может быть только при достаточно прочных породах, не имеющих видимых трещин, что и подтверждается практикой. Следовательно, одним из условий достижения отжима угля является наличие прочных пород кровли. Породы должны допускать значительный прогиб без образования видимых трещин и нарушений или опускаться большими блоками. Опыт показал, что слоистые породы благоприятствуют отжиму угля, так как опорное давление на массив распространяется на меньшую площадь, чем при массивных породах. Однако мощность слоев, непосредственно залегающих над углем, не должна быть очень малой, в противном случае при изгибе происходит нарушение их сплошности, проявление обрезов и выпадение кусков породы, что затрудняет отжим угля. В наблюдаемых шахтах толщина "досок" глинистого сланца была более 0,15 - 0,20 м. При слабых породах под влиянием горного давления в первую очередь происходит разрушение пород, давление на пласт прекращается, и отжим угля значительно уменьшается.

  Из рассмотренных шахт, где имеется отжим угля, во всех случаях в основной кровле залегают крепкие песчаники и сланцы. Можно предполагать, что для отжима угля решающее значение имеют не только породы непосредственной кровли, но и породы основной кровли. Но для того чтобы можно было утверждать правильность высказанного предложения, необходимо провести еще ряд наблюдений.

  Как правило, на шахтах, где проявляется отжим угля, в почве залегают достаточно крепкие породы. Однако имеет место случай, когда отжим угля получен и при слабых породах. На шахте в почве залегает слабый сланец (стойки забойщицкого и органного крепления вдавливаются в почву до 0,5м), отжим же выражен в достаточной степени. Таким образом, если общепризнанно, что дующие почвы препятствуют отжиму угля, то мягкие в отдельных случаях могут способствовать ему.

  Спаянность угля с боковыми породами для отжима угля имеет значение. Практическая сторона этого фактора сводится к тому, что отжим угля происходит при отсутствии спаянности и, наоборот, наличие спаянности затормаживает, а иногда исключает смещение угля в сторону выработанного пространства. Наличие гладких зеркальных плоскостей между углем и боковыми породами, а также между прослойками и углем уменьшает величину трения и способствует отжиму.

  Трещины в кровли, несомненно, оказывают влияние на отжим угля. Если направления забоя лавы и трещин совпадают неизбежно, появляются обрезы кровли, которые уменьшают отжим или полностью его исключают. Во избежание этого забой следует ставить по отношению к трещинам под углом 15 - 20⁰. Кроме того трещины могут разбивать кровлю на отдельные блоки, самостоятельно опускающиеся. В этом случае важно учитывать не только направление трещин, но и их падение. В зависимости от направления движения забоя трещины могут падать или на выработанное пространство или на забой. Отжим угля всегда был лучше в том случае, когда трещины имели падение на выработанное пространство, так как опускающиеся блоки увлекают за собой верхние части пласта, легко скалывая их.

  Практика показала, что все шахты, на которых проявляется отжим угля, имеют весьма спокойное залегание месторождений. В тех случаях, когда имеют место нарушения (сбросы, пережимы, утолщения или утонения пласта и др.), отжим при наличии других необходимых условий не проявляется.При устойчивых боковых породах и ясно выраженном кливаже отжим угля отсутствует. Последнее объясняется непостоянной мощностью пласта, колеблющейся как по падению, так и по простиранию от 1,2 до 0,65 м. Нарушение мощности изменяет распределение напряжений в угле и тем исключает возможность движения его в сторону выработанного пространства. Таким образом, надо считать, что практическое использование отжима угля возможно, как правило, только при условии спокойного залегания месторождения.

  Основная причина горного давления - это вес горных пород. Другие причины имеют подчиненное значение, проявляясь лишь при особых условиях. Практика показывает, что с возрастанием глубины напряжение в угле и породах увеличивается, при этом вследствие сильных давлений породы и уголь проявляют более высокую упругость и могут переходить в пластическое состояние. Однако определенной зависимости между увеличением глубины и ростом давления установить пока не удалось. Следует учитывать и то, что при разработке пласта появляются дополнительные напряжения, созданные опорным давлением. Поэтому и при сравнительно небольших глубинах можно также получить напряжение угля у забоя, превышающее его прочность. В Донбассе минимальная глубина разработок, при которой имел место отжим угля, была примерно 70 м.

   Практика показывает, что наилучшие условия для отжима создаются в пласте, разработка которого производится в первую очередь; при этом расположение его по отношению к соседним пластам, (находится ли он выше или ниже) влияния не оказывает. Поэтому при выемке пластов, залегающих близко друг от друга, следует первым разрабатывать пласт, где максимальное использование горного давления для разрушения угля крайне необходимо. Последнее может иметь место при углях весьма крепких, а также имеющих твердые включения. Естественно, что эта рекомендация допустима в тех случаях, если подработка вышележащих пластов не приведет к их разрушению.

  В лабораторных условиях породные балки длиной 225 - 250 мм шириной 20 мм и высотой 10 мм были подвергнуты действию сосредоточенной нагрузки в центре, при этом каждая балка предварительно подвергалась действию нагрузки и разгрузки в сухом, а затем во влажном состоянии.Проведенные лабораторные исследования показывают: прогиб влажной балки при одной и той же нагрузке значительно больше, чем сухой; после высыхания балка имеет почти такую же величину прогиба, как и при первоначальном испытании в сухом виде. Таким образом, наличие влаги приводит к потере свойств упругости пород и уменьшению их крепости, а это в свою очередь - к ухудшению явления отжима угля.

   Длина лавы в условиях постоянно перемещающего забоя существенного влияния не оказывает. Это не может быть распространено на забои малой длины (для каждого конкретного случая колеблющейся примерно в пределах 30 - 70 м), где нельзя получить большого обнажения кровли и, следовательно, необходимого для разрушения угля, давления. Профессор Б.И.Бокий считал, что " чем длиннее забой, тем больше прогибание кровли в выработанном пространстве; очевидно, что с увеличением стрелы прогиба вышележащих пород возрастает и их давление на забой. Отсюда следует, что чем длиннее забой, тем более тщательного крепления он требует - во-первых, а во-вторых - чем крепче полезное ископаемое, тем выгоднее увеличивать длину забоя, ибо под более значительным давлением оно будет больше раздавливаться и добывать его станет легче ".Более поздними работами установлено, что существует оптимальная длина лавы, когда достигается наиболее благоприятное давление кровли. Дальнейшее увеличение длины лавы не дает особого эффекта, но уменьшает влияние верхнего и нижнего кутков, где происходит зависание кровли, так как уголь в указанных местах испытывает меньшее давление.Таким образом, для использования давления горных пород необходимо принимать систему работ с достаточно длинной линией забоя. В практической работе следует учитывать не только длину забоя, но и его прямолинейность, так как при неровном забое давление перераспределяется, и отжим угля в значительной мере сокращается. Можно считать установленным, что отжиму благоприятствуют длинные прямые забои.

   Опыт работы шахт Донецкого бассейна показывает, что лавы, окруженные с трех сторон выработанным пространством, имеют сильно раздавленный целик угля по всей линии забоя. Выемка такого угля производится легко, часто без применения взрывчатых веществ. Наоборот, в коренных лавах, огражденных снизу и сверху запасами угля, отжим происходит в меньшей степени. В "кутках" кровля "зависает", отжим почти прекращается. Влияние такого "кутка" по падению наблюдается до 40 м. Во избежание этого явления лаву следует иметь возможно большей длины и принимать равной этажу - лава-этаж. В тех случаях, когда по каким-либо причинам работать лавой - этаж невозможно, подэтажи желательно располагать в одну линию или вести работы спаренными лавами, где опережение лав по отношению друг к другу, как правило, не превышает одного-двух циклов. При значительных отставаниях верхней лавы (случаи работы на передний или задний скат, бремсберг) частичная ликвидация влияния верхнего "кутка" может быть достигнута путем опережения промежуточного штрека и прохождения его широким ходом. Однако прохождение промежуточных штреков широким ходом впереди лавы на практике связано с рядом неудобств.

  Наблюдения показали, что отжим угля имел место при работе, как с частичной закладкой, так и при полном обрушении и плавном опускании. Наблюдения при управлении кровлей частичным обрушением также показали наличие отжима, при этом скорость движения угля доходила до 5 мм/сутки. Таким образом, установлено, что отжим угля при наличии всех остальных необходимых условий проявляется при самых разнообразных способах управления кровлей. Однако в то время как при работе с обрушением давление в периоды посадок значительно возрастает, а впоследствии затухает, что приводит к уменьшению или временному прекращению отжима, работа с частичной закладкой обеспечивает постоянный отжим. Неправильно выбранный способ управления кровлей может привести к прекращению движения угля. В тех случаях, когда способ управления кровлей выбран неправильно и породы основной кровли дают периодические бурные осадки, равномерное давление на забой нарушается и отжим угля, как правило, не проявляется. Кроме того, излишнее давление на забой приводит к зажиманию пласта.

   Ширина рабочего пространства, как при полном обрушении, так и при частичной закладке оказывает весьма существенное влияние на изменение давления на целик угля. Это и понятно: чем больше будет обнажаться кровля, тем меньшую опору будут представлять собой нижние слои для вышележащих; прогиб нижних слоев увеличивается, напряженность в них возрастает и передается на целик. Изменяя ширину рабочего пространства, в какой-то степени изменяем величину прогиба кровли и напряжение на опорах в ту или другую стороны. Так как отжим угля есть результат действия горного давления и движения боковых пород, главным образом кровли, то, изменяя ширину рабочего пространства, можно увеличить или уменьшить величину опускания пород и давления на целик и тем самым увеличить или уменьшить, вплоть до полного прекращения, отжим угля, что и подтверждается практикой. Так, например, на шахтах при отставании породных полос более чем на 4,0 м замечается значительное уменьшение, а иногда и полное прекращение отжима; при увеличении ширины рабочего пространства свыше 4 м скорость движения угля резко сокращается; при уменьшении ширины рабочего пространства менее чем на 4 м отжим резко сокращается. Наибольший отжим имеет место при ширине 5-7 м.Таким образом, ширина выработанного пространства оказывает на отжим угля существенное влияние и в каждом конкретном случае должна быть определена опытным путем.