В результате наблюдений Всесоюзного научно-исследовательского угольного института (ВУГИ), Научно-исследовательского сектора Днепропетровского горного института (НИС), Днепропетровского горного института (ДГИ) и Донецкого научно-исследовательского угольного института (ДонУГИ) было установлено, что однообразное сложение пласта облегчает отжим угля. \27\ 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. Так, на шахте № 3 им. Дзержинского 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.

На шахте № 23 влияние прослойки - мягкого глинистого сланца, расположенного в средней части пласта, было аналогичное.

На шахте "Центральная-Боковская" пласт содержит два прослойка: первый из крепкого глинистого сланца с включением кальцита, расположенный в 0,19 м от кровли пласта мощностью 0,07 м, хорошо связан с верхней пачкой угля; второй - мощностью 0,15 м - из крепкого глинистого сланца с включением кальцита расположен в 0,15 м 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 [4].

Включения в угле в случае их значительного распространения и тесной связи затрудняют, а в некоторых cлучаях 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 (шахты № 3 им. Дзержинского, № 3-3-бис и др.).

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, \28\ 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 № 3 им. Дзержинского, № 3-бис и др. 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 20°.

В практической работе следует учитывать не только направление кливажа, но и его падение. На фиг. 16 показано, что при одном и том же простирании, в зависимости от направления движения забоя кливажные трещины падают в одном случае на забой (фиг. 16, б), в другом - на выработанное пространство (фиг. 16, а).

Наблюдениями, проведенными в 1949 г. и ранее, установлено, что отжим угля имеет место при различной мощности пласта. Так, на шахте "Дельта-2" мощность пласта - 0,85 м, на шахте № 23 - 1,4 м. Сказанное согласуется с практикой многих шахт.

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 1949 г. установлен отжим угля при 9° падения пласта на шахте № 3-бис и 25° - на шахте № 23. На крутом падении измерения движения угля не производились.

Работы ВУГИ 1936-1938 гг. показали, что картина движения боковых пород на пластах крутого падения аналогична \29\ пологому падению, с той лишь разницей, что на крутопадающих пластах величины смещения меньше [2]. На основании этого можно предполагать, что при наличии всех других необходимых условий отжим угля на крутом падении возможен.

В первой главе настоящей книги подробно рассмотрено движение угля и боковых пород. 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.

На шахтах, где имеется отжим (см. табл. 1), во всех случаях над пластом залегают устойчивые породы различной мощности.

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.

Из упомянутой табл. 1 также видно, что глинистые сланцы, как правило, слоистого сложения. 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, появление 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 восьми рассмотренных шахт, где имеется отжим угля (см. табл. 1), 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 \30\ основной кровли. Но для того, чтобы можно было утверждать правильность высказанного предположения, 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. Так, на шахте "Дельта-2" в почве залегает слабый сланец (стойки забойщицкого и органного крепления вдавливаются в почву до 0,5 м), отжим же выражен в достаточной степени. На шахте им. Мельникова треста "Лисичанскуголь" на седьмом пласте почва мягкая, но последняя, выдавливаясь в рабочее пространство и будучи крепко связана с углем, увлекает его за собой, разрыхляя по плоскостям кливажа.

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 кровле, 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 15-20°.

Кроме того трещины могут разбивать кровлю на отдельные блоки, самостоятельно опускающиеся. Последнее имеет место на шахте № 9-бис треста "Ворошиловуголь". 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 (фиг. 17, а) или на забой (фиг. 17, б).

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. Так, на шахте "Центральная-Боковская" (пласт "Надбоковский" ) 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, несомненно, сила тяжести - вес горных пород. Другие причины имеют подчиненное значение, проявляясь лишь при особых условиях" [7].

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 пластичное 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. \32\

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 твердью 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.

На фиг. 18, а изображен график нагрузки балки в сухом состоянии (сплошная линия) и во влажном состоянии (пунктирная линия). На фиг. 18, б показано поведение тех же балок при разгрузке, но находящихся перед наблюдением в течение двух часов под нагрузкой. Графики вполне понятны и пояснений не требуют. \33\

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 |5].

Таким образом, наличие влаги приводит к потере свойств упругости пород и уменьшению их крепости, а это в свою очередь - к ухудшению явления отжима угля.