\26\
II. ВЕРТИКАЛЬНЫЕ ВЫРАБОТКИ

4. КРИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕОРИЙ И ИССЛЕДОВАНИЕ ВОПРОСА

Законы, установленные нами для штольнообразных выработок, не могут быть распространены на вертикальные. В этом мы легко убедились при конкретизации явлений давления пород, сопровождающих проведение штольнообразных выработок.

В самом деле, штольнообразные выработки представлялись нам окруженными сверху тремя отдельными объемами давящих пород, из которых \36\ один - вертикальный объем, действующий вниз, и два других объема - сдвигающиеся по наклонным плоскостям и давящие на вертикальный объем, отчего последний является как бы зажатым между двумя первыми.

Над вертикальной выработкой мы не имеем давящего вниз вертикального объема пород. Здесь имеет место лишь боковое давление пород на крепь вертикальных стен выработки.

Легко также видеть, что это боковое давление не является следствием лишь смещения призматических объемов пород ABC и А'В'С' (рис. 8), так как в этом случае на большой глубине вертикальных выработок боковое давление было бы столь значительным, что едва ли ему можно было бы противопоставить достаточно надежную крепь.

Рис.8
Совершенно очевидно, что кроме явления смещения указанных выше сдвигающихся призм имеет место действие еще других сил, умеряющих действие первых и в результате дающих величины давления, наблюдающиеся на практике.

Все это говорит в пользу необходимости выделения самостоятельного вопроса о давлении пород на крепь вертикальных выработок, сделав его предметом особого изучения.

Если в отношении установления размеров давления пород на крепь подземных, так называемых штольнообразных выработок соответствующая литература изобилует весьма большим числом исследований, то этого ни в коем случае нельзя сказать о вертикальных выработках. А между тем в горном деле вопрос этот имеет не только не меньшее, но в значительной степени большее значение.

Достаточно указать на вертикальные шахты, являющиеся связующими звеньями между дневной поверхностью и подземными выработками. В связи с развитием техники горного дела шахты эти достигают весьма больших глубин при значительных размерах их поперечного сечения. По сравнению со штольнообразными выработками шахты должны сохраняться на более длительное время, так как при исчерпании полезного ископаемого того горизонта, на который они проведены, и при необходимости дальнейшего их углубления большая часть штольнообразных выработок может быть по использовании обрушена, в то время как использованная часть шахты должна быть сохранена до полной выработки всех намеченных ею к эксплуатации горизонтов.

Однако в горной литературе, как и в литературе, относящейся к постройке тоннелей и метрополитенов, где также имеет место прохождение вертикальных, достигающих иногда значительных глубин выработок, в целях увеличения числа забоев для более успешной проходки направляющих галерей, вопрос о величине давления пород на крепь вертикальных выработок, а в связи с этим вопрос о креплении таких выработок рассматривается лишь с точки зрения наивыгоднейших способов крепления, качества материала крепления, стоимости его и т. д.

Как и при проведении штольнообразных выработок, основным является вопрос о том, в какой мере влияет и влияет ли вообще на давление на крепь вертикальных выработок глубина их. Для штольнообразных выработок нами установлено, что влияние глубины заложения их имеет место \37\ лишь в частном случае, когда это расстояние меньше высоты параболического объема давящих пород, вычисленной по нашим формулам.

При проходке вертикальных выработок в недостаточно устойчивых породах, т. е. в таких породах, в которых крепление выработки является необходимым, возведению временной или постоянной крепи предшествует некоторое прохождение шахты без всякого крепления. При этом расстояние обнажения между двумя соседними крепями (рамами или кольцами) варьирует лишь в зависимости от устойчивости и крепости пересекаемых пород. Для одной и той же породы, независимо от расстояния закрепляемого участка от дневной поверхности, промежутки между крепями (а, стало быть, и размер обнажений) остаются одинаковыми во всех частях вертикальных выработок.

На практике при установке временной или постоянной крепи совершенно не наблюдалось случаев увеличения давления в зависимости от глубины закрепленных участков, так как если бы такие явления имели место, то размер обнажения между крепями сокращался бы по мере углубления вертикальных выработок.

Несомненно, что это обстоятельство должно быть учтено при исследовании поставленной задачи, тем более что вопрос о давлении пород на крепь подземных выработок является крайне сложным и трудно разрешимым, в особенности в тех случаях, где он разрешается для выработок, проводимых в устойчивых породах, в связи с невозможностью произвести непосредственный опыт.

Рассматривая те крайне скудные изыскания в этой области, которые опубликованы в горной литературе, мы убеждаемся, что глубине вертикальной выработки придается большое значение, как фактору, способствующему увеличению давления пород на их крепь, в зависимости от удаления от дневной поверхности.

Если мы признаем эту теорию правильной, то придем к тому же выводу, к какому мы пришли, трактуя теорию Кульмана, т. е. что на большой глубине прохождение выработок становится невозможным, так как толщина крепления может достигнуть размеров поперечного сечения самой выработки.

К счастью для техники горного дела, закон изменения сил, действующих на крепь вертикальных выработок, с указанной теорией ничего общего не имеет. Последняя оказывается совершенно несостоятельной и не подтверждающейся ни практикой, ни, как увидим ниже, нашим аналитическим выводом.

Чтобы не быть голословным, рассмотрим тот крайне скудный материал, который трактует вопрос о давлении пород на крепь вертикальных выработок.

Наиболее оригинальна в этом отношении теория, изложенная в статье проф. А. Н. Динника {«Инженерный работник» № 7, 1925, «О давлении горных пород и расчет крепи круглой шахты»}.

Сущность этой теории заключается в том, что она рассматривает породы, окружающие выработку, как упругое тело, сжатое в любой части его под влиянием веса всех вышележащих элементов той же породы. Отдельная частица этой породы, примерно кубик с длиной ребра, равной одному сантиметру, подвергающийся давлению всей массы вышележащей породы, попутно с сокращением вертикальной оси расширяется в горизонтальном \38\ направлении. Это расширение будет меньше, чем укорочение вертикальной оси; отсюда, по проф. Диннику, горизонтальное давление на крепь оказывается меньшим, чем вертикальное; насколько меньшим - это зависит от постоянной Пуассона для данной горной породы. Таким образом, весь вопрос сводится лишь к установлению этой постоянной. Определив ее для данной породы, крайне просто вычислить уже и величину давления на крепь выработки.

Рассматривая эту теорию применительно к горным породам, необходимо сделать общее указание на крайнюю ее отвлеченность.

Можно ли рассматривать породу, окружающую вертикальную выработку, как упругое однородное тело, даже в том случае, если речь идет об одной и той же породе?

Выше мы уже отмечали, что на крепость, а главное на устойчивость, породы влияет целый ряд факторов, совершенно не зависящих от механических и физических (упругих) свойств их. Факторами этими являются и направление, и толщина отдельных пластов, из которых состоит одна и та же порода, и условия залегания их, а также сбросы, сдвиги и т.д. и т.п.

Таким образом, рассматривать породу, окружающую выработку, как упругое монолитное, ничем не нарушенное тело, даже в том случае, если речь идет об одной и той же породе, конечно, нельзя.

Предлагая изучить на опыте постоянную Пуассона для горных пород Донецкого и Криворожского бассейнов {cтр. 3 указанной выше статьи в «Инженерном работнике»}, проф. Динник ставит неразрешимую задачу, которая к тому же вряд ли даст возможность решить поставленный вопрос.

По той же теории проф. Динника, наибольшее давление испытывают элементы породы, окружающей выработку, наиболее удаленные (вниз) от устья шахты. В этих условиях разрушение в вертикальных выработках должно начинаться на большой глубине.

На практике наблюдаются совершенно другие явления. Разрушение начинается у устья этих выработок, где образуется воронкообразное углубление. С течением времени эта воронка все увеличивается до тех пор, пока она не сольется с той частью выработки, которая заполнится разрушенной породой. Разрушение начинается не с устья лишь в том случае, если более мягкие породы находятся ниже устья. Но и в этом случае разрушение будет происходить таким образом, что воронка образуется внутри вертикальной выработки.

Далее, давление на крепь вертикальной выработки, по этой теории, является результатом расширения горизонтальных осей элементов пород, окружающих выработку. Но какова толщина этого слоя окружающих пород? Есть ли это тонкий слой породы, прилегающий к стенкам выработки, или расширение частиц породы постепенно замирает по мере удаления от выработки в стороны и на некотором от нее расстоянии совершенно прекращается?

Ответа на эти вопросы предложенная теория не дает и дать не может.

Наконец - и это самое главное - до того момента, пока не превзойдено временное сопротивление породы сжатию, хотя и будет происходить расширение горизонтальных осей элементов пород, окружающих выработку, однако это явление может вызвать лишь уменьшение размеров сечения выработки, а не обрушение ее. В этом случае нужно было бы лишь \39\ соответственно увеличивать проектные размеры сечения выработки, рассчитывая на то, что под влиянием поперечного расширения элементов породы выработка будет уменьшена в ее сечении. Если же под влиянием вертикального давления вышележащих пород временное сопротивление или даже предел упругости их будут превзойдены в том или ином пункте, под влиянием чего они будут разрушены, то постоянная Пуассона, установленная для данных пород, теряет свое значение.

Приведенного достаточно, чтобы признать теорию о давлении пород на крепь подземных выработок, предложенную проф. Динником, едва ли приемлемой.

Проф. M.M. Протодьяконов решает поставленный вопрос крайне просто.

Он рассматривает стенки вертикальных выработок, как подпорные, противопоставляемые давлению грунта, и для расчета величины давления пород на крепь приводит известную формулу из теории давления грунта:


где Р — давление на подпорную стенку, — вес единицы породы, q — давление на 1 см².

Ввиду того что вычисленные по этой формуле величины давления для неглубоких вертикальных выработок, а стало быть и толщина стенок, получаются крайне незначительными, проф. Протодьяконов произвольно прибавляет к выражению для определения толщины стенки круглой шахты размер половины кирпича, т. е. 14 см.

Приняв также q равным весу столба до дневной поверхности он получает новое выражение

Введение 14 см также мало помогает делу, в силу чего приходится отказаться от ранее установленных коэффициентов трения для пород, окружающих штольнообразные выработки, и вносить новые коэффициенты для пород, окружающих вертикальные выработки.

Коэффициенты эти для хороших пород f = 5, для средних 4 и для слабых 3.

Несмотря на ряд совершенно произвольных поправок, которые вносятся в теоретическую формулу, расчет размеров крепления по ней дает для неглубоких выработок весьма малую величину, а для глубоких вертикальных выработок весьма большую, так как величина давления пород на крепь подземных выработок, определенная по этой формуле, находится в прямой зависимости от глубины их.

Изложенным мы исчерпываем рассмотрение известных нам источников по данному вопросу и переходим к изложению нашей теории.