В любом горном массиве на глубине Hx от дневной поверхности напряженное состояние пород (объемного веса γср, кгс/м3) в общем случае оценивается величиной горного давления столба
В процессе выемки угля и происходящих вследствие этого сдвижений горных пород в очистном забое вокруг призабойного пространства образовывается зона неупругих деформаций, захватывающая породы кровли, почвы и пласт. В неподкрепленной кровле, непосредственно над выработкой, возникают растягивающие напряжения σх, σн, которым горные породы противостоят плохо: предел прочности горных пород типа аргиллитов и алевролитов на разрыв невысок: σb=5/10 МПа. Напряженное состояние пород в таких зонах горных выработок достаточно исчерпывающе изучено К.В. Руппенейтом, Б.Н. Кузнецовым, А.А. Борисовым, Ю.М. Либерманом, В.Г. Давидянцем, Б.К. Норелем и другими учеными.
Интенсификация горных работ, углубление горизонтов, разработка месторождений в сложных горно-геологических условиях (неравномерная гипсометрия и пережимы пластов, их под- и надработка, возникновение «ложной» кровли и прочие нарушения) приводят к растрескиванию обнажаемых пород, потере их устойчивости и обрушениям в призабойное пространство.
В очистных забоях, оборудованных механизированными комплексами, порода кровли от верхней кромки обнаженного пласта до козырьков перекрытий секций крепи, как правило, не поддерживается. Ho именно здесь, на сопряжении угольного забоя с кровлей и почвой пласта возникает максимальная концентрация напряжений, известная в теории упругости как «кромочный эффект» (при давлении штампа на упругое полупространство).
В результате таких явлений на отдельных участках призабойного пространства в зонах с геологическими нарушениями площадь вывалов пород кровли перед крепью может достигать 50% и более от площади кровли, поддерживаемой крепью в бес-стоечном пространстве. Можно отметить три основные схемы обрушений пород в призабойных зонах комплексно-механизированных очистных забоев:
1) обрушения пород мощностью hc = 0,5/0,7 м на большой площади в связи с наличием «ложной» кровли;
2) вывалообразования слабых пород непосредственной кровли в виде естественных сводов высотой и диаметром до 2—3 м главным образом из-за геологических нарушений (рис. 4.1, а);
3) обрушения сравнительно крепких пород кровли крупными блоками («сундуками») с вывалообразованиями до 8—10 м из-за заколов и других явлений горно-геологического происхождения (рис. 4.1, б).
Такие явления на угольных шахтах приводят к необходимости временного прекращения основного производственного процесса для закладки образовавшихся пустот лесоматериалами, что ведет к вынужденным простоям высокопроизводительного проходческого или очистного оборудования, потерям добычи и снижению производительности труда, увеличению зольности угля за счет засорения обрушившейся породой, опасности травматизма горнорабочих, транспортным и материальным издержкам. В настоящее время на шахтах Минуглепрома России насчитывается свыше 900 очистных забоев с неустойчивыми кровлями. Анализ показывает, что только по этой причине ежегодные потери добычи угля составляют до 10 млн т.
Применяемые для предотвращения обрушений технические меры (возведение опережающей крепи, анкерование, затяжка кровли сеткой или деревом), равно как и технологические (уменьшение ширины захвата комбайна, оставление угольной пачки, изменение направления отработки столба, присечка почвы, управление начальным распором) недостаточно эффективны или неэкономичны, требуют дополнительных трудозатрат и времени.