Горные породы в нетронутом массиве находятся в состоя­нии напряженного равновесия. Угольный пласт на глубине Н испытывает напряжение а - уН, где у — средняя плотность гор­ных пород, кг/м3; Я — глубина залегания пласта, м. В процессе выемки угля впереди забоя происходит перераспределение на­пряжений (рис. 4.30). При этом различают три зоны, примы­кающие к забою.

В зоне 1 сохраняются напряжения, характерные для нетро­нутого массива. Уголь находится в состоянии трехслойного сжатия.

Зона 2 — зона опорного давления и характеризуется повы­шенным напряжением ст = /су//, где к — коэффициент концентра­ции напряжений (к > 1). В этой зоне уголь находится в состоя­нии двуосного сжатия. Максимум опорного давления находит­ся на расстоянии от трех до пяти-шести мощностей пласта от кромки пласта.

Опорное давление проявляется по всему

----------------------------------------------------------------------------- 6

Рис. 4.30. Схема распреде­ления опорного давления на угольный пласт впереди очистного забоя: а — в кровле пласта; б — в почве пласта

периметру выработанного пространства (впереди и позади ла­вы, в верхней и нижней ее частях). Оно скрывает влияние на со­стояние крепи подготовительных выработок, находящихся в зо­не влияния очистных работ, может вызвать внезапное разруше­ние целиков угля.

Опорное давление является следствием пригрузки от нави­сающей консоли непосредственной и основной кровли, воспри­нимаемой краевой частью угольного массива.

Зона 3 непосредственно примыкает к забою. В ней уголь обычно раздавлен и напряженное состояние им утрачено. Это обстоятельство способствует облегчению отбойки угля от мас­сива соответствующими исполнительными органами выемоч­ных машин.

По мере подвигания очистного забоя волна опорного дав­ления постоянно перемещается, создавая повышенные и пони­женные, по сравнению со статическими, напряжения в уголь­ном пласте и прилегающих к нему породах. Это свидетельству­ет о том, что при выемке полезного ископаемого в массиве, ок­ружающем очистную выработку, протекают сложные процессы в изменении его напряженного состояния: горные породы по­следовательно проходят стадии повышенных и пониженных, по сравнению со статическими, напряжений в угольном пласте и прилегающих к нему породах, разгрузки, упругого восстанов­ления. Эти явления протекают не только в кровле, но и в почве угольного пласта.

В результате извлечения полезного ископаемого в забое очи­стной выработки происходит обнажение кровли. Кровля под действием собственного веса и веса вышележащих пород при­ходит в движение. При опускании кровли происходит ее рас­слоение по плоскостям напластовалия, переходящее с течением времени в обрушение. Сначала обрушается непосредственная кровля, а затем и основная.

Первая посадка кровли происходит при отходе очистных работ от разрезной печи на более или менее значительное рас­стояние, достигающее иногда 50—60 м и более. При дальней­шем подвигании очистного забоя, когда произошла первая по­садка кровли, осуществляют регулярное обрушение непосредст­
венной кровли, называемое первичной посадкой. В большинст­ве случаев породы основной кровли зависают в виде консоли и обрушаются после подвигания забоя на некоторое расстояние. Обрушение консоли основной кровли называют вторичной по­садкой.

Для создания безопасных условий в призабойном простран­стве устанавливают крепь и осуществляют комплекс мероприя­тий по управлению горным давлением.

Крепь может удерживать кровлю от обрушений только в не­посредственной близости от забоя. Здесь кровля пласта и выше­лежащие породы удерживаются также силами сцепления. На не­котором расстоянии от забоя влияние этой связи настолько ос­лабевает, что обычное крепление оказывается уже недостаточным.

Давление пород со стороны выработанного пространства может восприниматься закладочным массивом или специаль­ной крепью (рис. 4.31). Крепи различной конструкции и за­кладка защищают призабойное пространство от обрушений. В настоящее время для защиты приза­бойного пространства на пологих и наклонных пластах широко приме­няют механизированные крепи.

Для объяснения поведения по­род кровли в очистном забое и оп­ределения нагрузок на крепь пред­ложены различные гипотезы горно­го давления: гипотеза свода М. М.

Протодьяконова, гипотеза балок В. Д. Слесарева и др. Одной из гипо­тез, объясняющей формирование на­грузки на крепь, является гипотеза шарнирных блоков Г. Н. Кузнецова (рис. 4.32).

Рис. 4.31. Поддержание выработанного пространства закладкой (а), специальной стоечной крепью (6) и механизированной крепью (в)

Согласно гипотезе шарнирных блоков нагрузка на крепь создается весом пород непосредственной кровли блока ABCD, который обламывается от массива по плоскости CD под углом Ф к вертикали. Предполагается, что обламывающийся блок не­посредственной кровли поворачивается у забоя, как вокруг же­сткой опоры. При этом основная кровля опускается в виде от­дельных блоков на обрушенные породы непосредственной кров­ли. В отдельных случаях можно предположить, что угол накло­на непосредственной и основной кровли будет приблизительно одинаковым. Исходя из этого допущения, можно определить ве­личину податливости крепи по формуле

Ат~а tgP,

где Ат — величина податливости крепи, мм; а— расстояние от крепи до забоя, мм; р —угол наклона кровли, град;

tgP = AM/L,

где ДМ — величина опускания конца блока основной кровли, мм; L — длина блока основной кровли, равная ее шагу обру­шения, мм.

Величину AM можно определить по формуле

AM = т + h (1 - kki),

где т — мощность пласта, мм; h — мощность непосредствен­ной кровли, мм; к — коэффициент разрыхления пород непо­средственной кровли; кг — коэффициент уплотнения обрушен­ных пород.

Давление на крепь оказывает масса пород блока, равная

Q=lhy,

где Q — масса блока непосредственной кровли, т; И — мощ­ность непосредственной кровли, м; / — длина блока непосред­ственной кровли, м; у —плотность пород, т/м3

Величину / можно определить по формуле

/= y]2R, ah/y,

где Rm — предел прочности пород при изгибе, кг/см2.

Составив условия равновесия системы «кровля—крепь», мож­но определить ожидаемую реакцию крепи.