工程科学学报，第39卷.第1期：13-22.2017年1月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.1:13-22,January 2017 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.002;http://journals.ustb.edu.cn 综放开采顶煤与覆岩力链结构及演化光弹试验研究 王金安2)四，韩现刚)，庞伟东3》，梁超”，王美美) 1)北京科技大学土木与资源工程学院，北京1000832)金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083 3)中国白城兵器试验中心，白城137001 区通信作者，E-mail:wja@ustb.cdu.cn 摘要综放开采过程中顶煤和覆岩由连续向非连续和散体介质状态转变，描述矿压在断裂覆岩和碎裂顶煤中的形成、传递 方式和作用机理是综放开采矿压理论研究的难点.基于光弹试验原理，借助散体介质双轴加载双向流动光弹试验装置，对综 放开采过程中散体顶煤与非连续覆岩关键层中力链网络结构及演化特征进行研究.研究发现：地层载荷在煤岩体中构成了 错综复杂的弱-强力链网络.综放开采打破了初始力链网络结构的平衡，顶煤与覆岩中形成梁-拱复合力链拱结构，覆岩荷载 以强力链形式传递到工作面前方煤体.随着工作面推进和顶煤放出，覆岩梁-拱力链网络不断扩展和演化，形成更大规模的 力链拱结构.关键层弯曲、断裂和失稳运动，使工作面前方的强力链拱脚出现回缩现象，力链分布密度和强度增加，导致工作 面来压现象.地层内水平力作用使顶煤与覆岩内的梁-拱力链结构效应较更加明显，整体拱结构形态愈加完整，强力链网络 结构更加紧致，关键层断裂失稳时力链拱对工作面煤层的作用力更加显著 关键词煤矿开采：煤：受力分析：光弹实验方法 分类号TD323 Photoelastic experimental study on the force chain structure and evolution in top coal and overlaying strata under fully mechanized top coal caving mining WANG Jin-an HAN Xian-gang,PANG Wei-dong,LIANG Chao,WANG Mei-mei) 1)School of Civil and Resource Engineering.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)State Key Lab of the Education Ministry for High Efficient Mining and Safety of Metal Mines,Beijing 100083,China 3)Baicheng Ordnance Test Center of China,Baicheng 137001,China Corresponding author,E-mail:wja@ustb.edu.cn ABSTRACT In top coal caving mining,the state of top coal and overburden strata changes from continuous media to discontinuous and loose aggregate media.It is difficult to theoretically describe the transition and action of mining induced pressure in discrete top coal and fractured overlaying strata.Based on the photoelastic experiment principle,the network structure and the evolution character- istics of force chains in discrete top coal and discontinuous overlaying key strata are investigated during fully mechanized top coal ca- ving mining by employing photoelastic test equipment that allows biaxial loading and bilateral particle flowing.The study shows that overburden load in discontinuous strata displays a complicated network composed by weak and strong force chains.Top coal caving mining destroys the equilibrium of the initial force chain network structure,and a composed beam-arch force chain structure forms in top coal and overlaying strata,where the overburden load is transformed into the front coal seam in the form of strong force chains. With mining face advancing and top coal caving,the beam-arch force chain network in overlaying strata develops,and a larger force chain arch structure forms.Bending,breaking and instable movement of the key strata give rise to an inverse moving of the force chain arching foot and a compaction process of the strong force chain network.The distribution density and intensity of force chains evidently increase,resulting in strong pressure phenomena taking place in the mining face.Under the biaxial loading condition,the effect of the 收稿日期：2016-04-11 基金项目：国家自然科学基金重点资助项目(U1361208)
工程科学学报,第 39 卷,第 1 期:13鄄鄄22,2017 年 1 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 39, No. 1: 13鄄鄄22, January 2017 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2017. 01. 002; http: / / journals. ustb. edu. cn 综放开采顶煤与覆岩力链结构及演化光弹试验研究 王金安1,2) 苣 , 韩现刚1) , 庞伟东3) , 梁 超1) , 王美美1) 1) 北京科技大学土木与资源工程学院, 北京 100083 2) 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室, 北京 100083 3) 中国白城兵器试验中心, 白城 137001 苣 通信作者, E鄄mail: wja@ ustb. edu. cn 收稿日期: 2016鄄鄄04鄄鄄11 基金项目: 国家自然科学基金重点资助项目(U1361208) 摘 要 综放开采过程中顶煤和覆岩由连续向非连续和散体介质状态转变,描述矿压在断裂覆岩和碎裂顶煤中的形成、传递 方式和作用机理是综放开采矿压理论研究的难点. 基于光弹试验原理,借助散体介质双轴加载双向流动光弹试验装置,对综 放开采过程中散体顶煤与非连续覆岩关键层中力链网络结构及演化特征进行研究. 研究发现:地层载荷在煤岩体中构成了 错综复杂的弱鄄鄄强力链网络. 综放开采打破了初始力链网络结构的平衡,顶煤与覆岩中形成梁鄄鄄拱复合力链拱结构,覆岩荷载 以强力链形式传递到工作面前方煤体. 随着工作面推进和顶煤放出,覆岩梁鄄鄄拱力链网络不断扩展和演化,形成更大规模的 力链拱结构. 关键层弯曲、断裂和失稳运动,使工作面前方的强力链拱脚出现回缩现象,力链分布密度和强度增加,导致工作 面来压现象. 地层内水平力作用使顶煤与覆岩内的梁鄄鄄拱力链结构效应较更加明显,整体拱结构形态愈加完整,强力链网络 结构更加紧致,关键层断裂失稳时力链拱对工作面煤层的作用力更加显著. 关键词 煤矿开采; 煤; 受力分析; 光弹实验方法 分类号 TD323 Photoelastic experimental study on the force chain structure and evolution in top coal and overlaying strata under fully mechanized top coal caving mining WANG Jin鄄an 1,2) 苣 , HAN Xian鄄gang 1) , PANG Wei鄄dong 3) , LIANG Chao 1) , WANG Mei鄄mei 1) 1) School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) State Key Lab of the Education Ministry for High Efficient Mining and Safety of Metal Mines, Beijing 100083, China 3) Baicheng Ordnance Test Center of China, Baicheng 137001, China 苣 Corresponding author, E鄄mail: wja@ ustb. edu. cn ABSTRACT In top coal caving mining, the state of top coal and overburden strata changes from continuous media to discontinuous and loose aggregate media. It is difficult to theoretically describe the transition and action of mining induced pressure in discrete top coal and fractured overlaying strata. Based on the photoelastic experiment principle, the network structure and the evolution character鄄 istics of force chains in discrete top coal and discontinuous overlaying key strata are investigated during fully mechanized top coal ca鄄 ving mining by employing photoelastic test equipment that allows biaxial loading and bilateral particle flowing. The study shows that overburden load in discontinuous strata displays a complicated network composed by weak and strong force chains. Top coal caving mining destroys the equilibrium of the initial force chain network structure, and a composed beam鄄鄄 arch force chain structure forms in top coal and overlaying strata, where the overburden load is transformed into the front coal seam in the form of strong force chains. With mining face advancing and top coal caving, the beam鄄鄄 arch force chain network in overlaying strata develops, and a larger force chain arch structure forms. Bending, breaking and instable movement of the key strata give rise to an inverse moving of the force chain arching foot and a compaction process of the strong force chain network. The distribution density and intensity of force chains evidently increase, resulting in strong pressure phenomena taking place in the mining face. Under the biaxial loading condition, the effect of the
·14· 工程科学学报，第39卷，第1期 beam-arch force chain structure becomes much evident in the earth.The entire structure of the force chain arch displays perfectly,the structure of the strong force chain network becomes denser,and due to breaking and instability of the key stratum,the pressure phe- nomenon of the force chain arch in front of the mining face and coal seam manifests much pronounced KEY WORDS coal mining:coal;force analysis;photoelastic experimental method 认识和掌握综放采场覆岩与顶煤矿压形成机理、 低位放顶煤综放开采顶煤流动与放出规律.采用颗粒 传递路径、分布方式和演化特征，对于控制矿压灾害和 元方法模拟综放开采，关注的焦点大多是顶煤流动和 改革采放煤工艺，具有重要指导意义.在传统矿压理 放出规律与状态[6]，对于顶煤与覆岩中矿压分布与演 论体系形成和发展的同时]，综放开采矿压研究在 化规律的认识仍然是理论与工程界的难点问题 采空区上覆岩层结构、顶煤运移、工作面支承压力分 力链是非连续和散体介质传递载荷的主要形式， 布、显现规律等方面取得了诸多成果.吴健等-]认为 块体和散体颗粒体系通过“面-棱-角”等接触方式，产 放顶煤采场上覆岩层存在由众多断裂岩块所组成的梁 生接触与摩擦的力链效应，力链结构反映了非连续和 式自稳结构，梁式结构在水平挤压力作用下，具有承载 散体系统的基本力学构架-1]，力链也是传递破断覆 能力和变形特性，并提出综放开采支架一围岩关系的 岩与顶煤矿山压力的基本模式.为了观察和认识综放 新概念.石平五和高召宁[]探讨了急倾斜特厚煤层放 开采覆岩断裂和顶煤冒落过程中矿压的转移和分布特 顶煤采场上覆岩层运动的拱结构特征及其矿压和控制 征，本研究基于光弹试验原理，借助自主研发的“散体 规律，借鉴拱壳结构力学分析方法，对放顶煤采场上覆 介质双轴加载双向流动光弹试验装置”，对综放开采 岩层形成拱结构从宏观上做了初步分析.谢广祥[)提 条件下顶煤与覆岩关键层的力链网络结构及演化特征 出综放采场围岩三维空间存在由高应力束组成的应力 进行了光弹试验研究. 壳的观点，指出采场围岩支承压力峰值区是应力壳基 1试验方法 作用的结果，应力壳内的工作面和覆岩（包括关键层） 处于低应力状态的特征，较好地阐释了综放采场矿压 1.1试验装置 形成与发展的力学机制.姜福兴]认为放顶煤采场的 为研究综放开采覆岩与顶煤力链演化规律，专门 顶板属于类拱结构，由于顶煤的存在，老顶的运动效应 设计并研发了“散体介质双轴加载双向流动光弹试验 将被“弱化”，其厚度和位态随顶煤放出率变化而变 装置”[].该装置由承载框架、垂直电动缸、水平电动 化.王金安)提出综放开采顶煤介质状态由整体连续 缸、钢化玻璃方型容器、水平滑台几支架、机柜、活动透 向似连续、非连续和散体逐步转化的概念，并给出不同 镜支架等组成，能够在试验容器平面内对颗粒集合体 强度顶煤破断与垮落的基本形态.闫少宏等[研究 沿竖向和水平两个方向施加压力（图1）. 认为顶煤的弱化过程实际上是一种介质的损伤过程， 试验载荷通过垂直电机和水平电机施加，采用全 借助损伤力学的观点和介质判断准则可以研究顶煤的 数字式交流伺服器，控制高精度的交流伺服电机，连接 破坏情况：靳钟铭[]认为顶煤经采动后在煤壁前方支 减速机带动丝杠转动加荷，保证传动效率高，噪音低、 承压力的作用下发生变形和破坏：冯国才等]研究了 传动平稳.计算机通过两通道（位移和荷载）实现全程 在支承压力作用下顶煤破碎机理，认为顶煤的破碎可 精确控制，提高了试验的可操作性、精准度和结果的可 分为开裂和强度破坏阶段、裂隙分叉和汇合阶段及断 靠性.垂直和水平电机有效驱动行程200mm,施加最 裂阶段三个阶段.从破坏过程看，王金安等[]通过现 大载荷5kN.恒力加载控制精度±1%. 场和实验室测试表明：综放开采顶煤经历了既有破坏、 承载框架的一边是圆立柱，一方面可以支撑试验 局部再破坏、贯穿性破坏、碎裂性破坏和运动性破坏几 力，另一方面可用做连接盛装颗粒试样容器的门轴， 个阶段，但顶煤介质状态转化的力学条件，块体簇团解 试样容器可以绕此柱轴旋转90°，以便从容器顶部投 体成散体的力学过程以及与顶煤运移规律的关系在理 放光弹颗粒.电机驱动活塞杆的前端衔接着一块 论上仍待深人研究 500mm×500mm×3mm的钢板，用来对试验材料进 在诸多研究中，采用相似材料模拟实验，能够直观 行均匀加压. 地观察随着工作面推进覆岩断裂形式，分析煤层内压 试样容器由钢化玻璃制作而成，可随时观察试样 力变化.但对处于周而复始的覆岩断裂和碎裂状态的 在试验过程中的变化.容器的视窗尺寸为650mm× 顶煤，矿压分布的内在特征难以测量.基于连续介质 700mm,容器底边及侧边的承载框为通心框架，通心槽 力学（弹塑性理论）和结构力学的方法描述非连续和 尺寸为550cm×4cm×3cm.边框底边和侧边各有11 散体力学特征存在诸多不适应和局限性.王家臣 个长5cm、宽5cm的钢片作为挡板，并用螺栓固定在 等]对顶煤运移和放出机理进行了系统研究，揭示了 边框上，可根据需要选择开启与关闭不同的挡板，实现
工程科学学报,第 39 卷,第 1 期 beam鄄鄄 arch force chain structure becomes much evident in the earth. The entire structure of the force chain arch displays perfectly, the structure of the strong force chain network becomes denser, and due to breaking and instability of the key stratum, the pressure phe鄄 nomenon of the force chain arch in front of the mining face and coal seam manifests much pronounced. KEY WORDS coal mining; coal; force analysis; photoelastic experimental method 认识和掌握综放采场覆岩与顶煤矿压形成机理、 传递路径、分布方式和演化特征,对于控制矿压灾害和 改革采放煤工艺,具有重要指导意义. 在传统矿压理 论体系形成和发展的同时[1鄄鄄3] ,综放开采矿压研究在 采空区上覆岩层结构、顶煤运移、工作面支承压力分 布、显现规律等方面取得了诸多成果. 吴健等[4鄄鄄5]认为 放顶煤采场上覆岩层存在由众多断裂岩块所组成的梁 式自稳结构,梁式结构在水平挤压力作用下,具有承载 能力和变形特性,并提出综放开采支架—围岩关系的 新概念. 石平五和高召宁[6]探讨了急倾斜特厚煤层放 顶煤采场上覆岩层运动的拱结构特征及其矿压和控制 规律,借鉴拱壳结构力学分析方法,对放顶煤采场上覆 岩层形成拱结构从宏观上做了初步分析. 谢广祥[7]提 出综放采场围岩三维空间存在由高应力束组成的应力 壳的观点,指出采场围岩支承压力峰值区是应力壳基 作用的结果,应力壳内的工作面和覆岩(包括关键层) 处于低应力状态的特征,较好地阐释了综放采场矿压 形成与发展的力学机制. 姜福兴[8]认为放顶煤采场的 顶板属于类拱结构,由于顶煤的存在,老顶的运动效应 将被“弱化冶,其厚度和位态随顶煤放出率变化而变 化. 王金安[9]提出综放开采顶煤介质状态由整体连续 向似连续、非连续和散体逐步转化的概念,并给出不同 强度顶煤破断与垮落的基本形态. 闫少宏等[10鄄鄄11]研究 认为顶煤的弱化过程实际上是一种介质的损伤过程, 借助损伤力学的观点和介质判断准则可以研究顶煤的 破坏情况;靳钟铭[12]认为顶煤经采动后在煤壁前方支 承压力的作用下发生变形和破坏;冯国才等[13] 研究了 在支承压力作用下顶煤破碎机理,认为顶煤的破碎可 分为开裂和强度破坏阶段、裂隙分叉和汇合阶段及断 裂阶段三个阶段. 从破坏过程看,王金安等[14] 通过现 场和实验室测试表明:综放开采顶煤经历了既有破坏、 局部再破坏、贯穿性破坏、碎裂性破坏和运动性破坏几 个阶段,但顶煤介质状态转化的力学条件,块体簇团解 体成散体的力学过程以及与顶煤运移规律的关系在理 论上仍待深入研究. 在诸多研究中,采用相似材料模拟实验,能够直观 地观察随着工作面推进覆岩断裂形式,分析煤层内压 力变化. 但对处于周而复始的覆岩断裂和碎裂状态的 顶煤,矿压分布的内在特征难以测量. 基于连续介质 力学(弹塑性理论) 和结构力学的方法描述非连续和 散体力学特征存在诸多不适应和局限性. 王家臣 等[15]对顶煤运移和放出机理进行了系统研究,揭示了 低位放顶煤综放开采顶煤流动与放出规律. 采用颗粒 元方法模拟综放开采,关注的焦点大多是顶煤流动和 放出规律与状态[16] ,对于顶煤与覆岩中矿压分布与演 化规律的认识仍然是理论与工程界的难点问题. 力链是非连续和散体介质传递载荷的主要形式, 块体和散体颗粒体系通过“面鄄鄄棱鄄鄄角冶等接触方式,产 生接触与摩擦的力链效应,力链结构反映了非连续和 散体系统的基本力学构架[17鄄鄄18] ,力链也是传递破断覆 岩与顶煤矿山压力的基本模式. 为了观察和认识综放 开采覆岩断裂和顶煤冒落过程中矿压的转移和分布特 征,本研究基于光弹试验原理,借助自主研发的“散体 介质双轴加载双向流动光弹试验装置冶,对综放开采 条件下顶煤与覆岩关键层的力链网络结构及演化特征 进行了光弹试验研究. 1 试验方法 1郾 1 试验装置 为研究综放开采覆岩与顶煤力链演化规律,专门 设计并研发了“散体介质双轴加载双向流动光弹试验 装置冶 [19] . 该装置由承载框架、垂直电动缸、水平电动 缸、钢化玻璃方型容器、水平滑台几支架、机柜、活动透 镜支架等组成,能够在试验容器平面内对颗粒集合体 沿竖向和水平两个方向施加压力(图 1). 试验载荷通过垂直电机和水平电机施加,采用全 数字式交流伺服器,控制高精度的交流伺服电机,连接 减速机带动丝杠转动加荷,保证传动效率高,噪音低、 传动平稳. 计算机通过两通道(位移和荷载)实现全程 精确控制,提高了试验的可操作性、精准度和结果的可 靠性. 垂直和水平电机有效驱动行程 200 mm,施加最 大载荷 5 kN. 恒力加载控制精度 依 1% . 承载框架的一边是圆立柱,一方面可以支撑试验 力,另一方面可用做连接盛装颗粒试样容器的门轴, 试样容器可以绕此柱轴旋转 90 °,以便从容器顶部投 放光弹颗粒. 电机驱动活塞杆的前端衔接着一块 500 mm 伊 500 mm 伊 3 mm 的钢板,用来对试验材料进 行均匀加压. 试样容器由钢化玻璃制作而成,可随时观察试样 在试验过程中的变化. 容器的视窗尺寸为 650 mm 伊 700 mm,容器底边及侧边的承载框为通心框架,通心槽 尺寸为 550 cm 伊 4 cm 伊 3 cm. 边框底边和侧边各有 11 个长 5 cm、宽 5 cm 的钢片作为挡板,并用螺栓固定在 边框上,可根据需要选择开启与关闭不同的挡板,实现 ·14·
王金安等：综放开采顶煤与覆岩力链结构及演化光弹试验研究 ·15· 段升温，并在118~125℃温度条件下保温5h左右，进 行退火处理20-2] 1.3光学测试 本试验光源采用摄影灯箱以及散光布，目的是保 证光线柔和均匀.偏光镜系统采用德国原产偏光镜系 统，此圆偏光镜将偏振片和1/4波片组装在一起，其直 径为560mm,试验时分别放置在颗粒流加载容器两 侧，并根据光弹光路原理相对转动偏振片和1/4波片， 使其形成暗场[02].拍摄采用佳能D7100单反数码相 机.每次试验均要调整相应参数，保证光线环境变化 时拍摄效果不变.图3为颗粒集合体在单轴压缩条件 下的光弹力链照片. 2 综放开采光弹试验 根据相似理论和试验装置的尺寸，选择光弹模型 几何相似比为1：130.在长度为76cm模型上，可模拟 实际约100m开采范围.由相似比计算出，颗粒容器下 部每个开口宽度为5cm的颗粒放出，相当于实际采放 1一垂直电机：2一活动导轨：3一试样容器：4一活动透镜支架： 煤范围为6m左右.光弹试验参数见表1. 5一水平电机：6一承载框架：7一机柜 图1颗粒体双轴加载双向流动光弹试验机 表1光弹试验参数 Fig.I Photoelastic testing apparatus for biaxial loading and bilateral Table 1 Parameters of the photoelastic experiment flowing of particles 实际 模型实际压力/模型儿何密度压力 长度/m长度/mm MPa压力/kN比比比 不同部位、不同方向释放颗粒的功能.具体结构如图2 100 760 12.5 0.2 1301.07140 所示. 1.2试验材料 试验前，首先确定试验的平均颗粒密度，即单位面 光弹试验材料采用美国产Lexan*9030 TG Sheet 积内的颗粒数目，这样在模拟综放开采光弹试验中，可 聚碳酸酯板，切削加工成中8mm×3mm、中10mm×3 将所放出的颗粒数量换算成采出面积，有助于力链的 mm和中12mm×3mm三种规格的圆盘，以及10mm× 对照分析.为此，将试验框内随机的填充满颗粒，随机 10mm×3mm的方块.材料弹性模量为2.4GPa,泊松 选取面积为A(cm2)的检测视窗，统计所选区域内颗 比0.36：滑动摩擦和滚动摩擦系数分别为0.5和 粒总数目N,计算得出平均颗粒密度K,即 0.02.为了消除颗粒加工过程中产生的加工应力，将 加工好的颗粒浸在油中，然后置于马弗炉中，通过逐时 K=N (1) A 650 L11 B1→B11 E王EEE王T的 150150150150501504505015015015045040 740 (a 公 图2光弹实验装置.(a)颗粒容器（单位：mm):(b)颗粒放出机构图 Fig.2 Photoelastic test device:(a)particle container (unit:mm);(b)particle flowing gate
王金安等: 综放开采顶煤与覆岩力链结构及演化光弹试验研究 1—垂直电机; 2—活动导轨; 3—试样容器; 4—活动透镜支架; 5—水平电机; 6—承载框架; 7—机柜 图 1 颗粒体双轴加载双向流动光弹试验机 Fig. 1 Photoelastic testing apparatus for biaxial loading and bilateral flowing of particles 不同部位、不同方向释放颗粒的功能. 具体结构如图 2 所示. 图 2 光弹实验装置. (a)颗粒容器(单位: mm);(b)颗粒放出机构图 Fig. 2 Photoelastic test device: (a) particle container (unit: mm);(b) particle flowing gate 1郾 2 试验材料 光弹试验材料采用美国产 Lexan* 9030 TG Sheet 聚碳酸酯板,切削加工成 准 8 mm 伊 3 mm、准 10 mm 伊 3 mm 和 准 12 mm 伊 3 mm 三种规格的圆盘,以及 10 mm 伊 10 mm 伊 3 mm 的方块. 材料弹性模量为 2郾 4 GPa,泊松 比 0郾 36; 滑 动 摩 擦 和 滚 动 摩 擦 系 数 分 别 为 0郾 5 和 0郾 02. 为了消除颗粒加工过程中产生的加工应力,将 加工好的颗粒浸在油中,然后置于马弗炉中,通过逐时 段升温,并在 118 ~ 125 益温度条件下保温 5 h 左右,进 行退火处理[20鄄鄄21] . 1郾 3 光学测试 本试验光源采用摄影灯箱以及散光布,目的是保 证光线柔和均匀. 偏光镜系统采用德国原产偏光镜系 统,此圆偏光镜将偏振片和 1 / 4 波片组装在一起,其直 径为 560 mm,试验时分别放置在颗粒流加载容器两 侧,并根据光弹光路原理相对转动偏振片和 1 / 4 波片, 使其形成暗场[20鄄鄄21] . 拍摄采用佳能 D7100 单反数码相 机. 每次试验均要调整相应参数,保证光线环境变化 时拍摄效果不变. 图 3 为颗粒集合体在单轴压缩条件 下的光弹力链照片. 2 综放开采光弹试验 根据相似理论和试验装置的尺寸,选择光弹模型 几何相似比为 1颐 130. 在长度为 76 cm 模型上,可模拟 实际约 100 m 开采范围. 由相似比计算出,颗粒容器下 部每个开口宽度为 5 cm 的颗粒放出,相当于实际采放 煤范围为 6 m 左右. 光弹试验参数见表 1. 表 1 光弹试验参数 Table 1 Parameters of the photoelastic experiment 实际 长度/ m 模型 长度/ mm 实际压力/ MPa 模型 压力/ kN 几何 比 密度 比 压力 比 100 760 12郾 5 0郾 2 130 1郾 07 140 试验前,首先确定试验的平均颗粒密度,即单位面 积内的颗粒数目,这样在模拟综放开采光弹试验中,可 将所放出的颗粒数量换算成采出面积,有助于力链的 对照分析. 为此,将试验框内随机的填充满颗粒,随机 选取面积为 AC (cm 2 )的检测视窗,统计所选区域内颗 粒总数目 N,计算得出平均颗粒密度 K,即 K = N AC . (1) ·15·
·16· 工程科学学报，第39卷，第1期 (1)在初始载荷条件下（图5(a)),覆岩和顶煤中 呈现出竖网状力链结构.在关键层上部覆岩强力链发 育方向以竖向为主，与外部加载方向大致平行.在强 力链周围，有倾斜发育的弱力链分叉，维持强力链网络 的载荷传递 在关键层内的块体中出现断续的“力键”，承接和 传递上部力链荷载.从光弹条纹级数和亮度上，明显 看出关键层内力键强度较高，下部顶煤力链相对较弱 且分布均匀，顶煤力链网络具有横向发育的趋势 (2)在模型底部B1口释放175个颗粒后，覆岩与 图3颗粒集合体受压缩时光弹力链分布图 Fig.3 Photoelastic force chains in granular aggregates under com- 顶煤中力链集束向右前方偏斜（图5(b)),关键层在 pressive loading 放煤口上方产生弯曲，其上部覆岩力链呈多层拱状结 构，前拱脚位于关键层未变形端，关键层上部覆岩力链 重复上述步骤，将多次计算结果进行平均，最后得出试 拱以关键层为支撑，将上部荷载通过关键层以力链拱 验情况的K值为0.752cm2.通过统计，三种粒径中8 方式传递到放出口右前方15~25cm(相当于实际尺 mm、中10mm和中12mm颗粒数量的比例关系为(0.62 ~0.74):1:(0.12~0.15).覆岩关键层用10mm×10 寸20~32m左右)煤层及顶煤中，在该区域顶煤的力 链总体上呈竖状网络结构 mm×3mm的聚碳酸酯方块，每3~5块粘接拼对而成. 在模型上部施加0.2kN的竖向均布荷载，相当于 尽管在放出口附近关键层下部的顶煤中仅有极稀 实际压力12.5MPa.光弹试验分别针对覆岩为单关键 疏和微弱的力链，顶煤没有形成完整力链拱，但放出口 层（实际厚度13m)、双关键层情况（实际厚度分别为 前方在关键层强力键作用下，顶煤呈现纵向发育的强 6.5m和13m),测试顶煤放出过程中顶煤及覆岩的力 力链结构，是形成工作面超前支承压力的基本力源. 链网络形态及演化特征（图4）. (3)当在B2口放出130个颗粒后，关键层在颗粒 放出口上方断裂成两部分，其中右侧断裂关键层与前 3综放开采顶煤及覆岩力链结构与演化 方关键层形成铰接，如图5（©）所示，强力键集中在关 3.1单关键岩与顶煤力链结构 键层下部.随着工作面推进和颗粒的放出，采空区上 在模型上方施加竖向压力0.2kN,待达到拟定的 部关键层覆岩力链逐步由纵向网络向横向网络结构演 压力值后进行伺服控制，使所施加载荷保持恒定.从 化（图5(d)),并随着关键层的断裂失稳运动，上部覆 模型底部由左向右逐个开孔释放颗粒，记录每次放出 岩呈拱形力链形态（图5(e)). 一定量颗粒时力链结构及变化情况，试验结果如图5 (4)随着工作面推进，采空区内的关键层彻底垮 所示. 落，采空区内部的拱形强力链结构消失，形成均匀化力 75.4 75.4 (a) 图4两种覆岩与顶煤光弹试验模型.(a)单关键层模型：(b)双关键层模型（单位：cm) Fig.4 Two models of overlaying strata with top coal in photoelastic test:(a)single key stratum;(b)double key strata (unit:cm)
工程科学学报,第 39 卷,第 1 期 图 3 颗粒集合体受压缩时光弹力链分布图 Fig. 3 Photoelastic force chains in granular aggregates under com鄄 pressive loading 重复上述步骤,将多次计算结果进行平均,最后得出试 验情况的 K 值为 0郾 752 cm - 2 . 通过统计,三种粒径 准 8 mm、准 10 mm 和 准 12 mm 颗粒数量的比例关系为(0郾 62 ~ 0郾 74)颐 1颐 (0郾 12 ~ 0郾 15). 覆岩关键层用 10 mm 伊 10 mm 伊 3 mm 的聚碳酸酯方块,每 3 ~5 块粘接拼对而成. 在模型上部施加 0郾 2 kN 的竖向均布荷载,相当于 实际压力 12郾 5 MPa. 光弹试验分别针对覆岩为单关键 层(实际厚度 13 m)、双关键层情况(实际厚度分别为 6郾 5 m 和 13 m),测试顶煤放出过程中顶煤及覆岩的力 链网络形态及演化特征(图 4). 图 4 两种覆岩与顶煤光弹试验模型. (a)单关键层模型;(b)双关键层模型(单位:cm) Fig. 4 Two models of overlaying strata with top coal in photoelastic test: (a) single key stratum; (b) double key strata (unit: cm) 3 综放开采顶煤及覆岩力链结构与演化 3郾 1 单关键岩与顶煤力链结构 在模型上方施加竖向压力 0郾 2 kN,待达到拟定的 压力值后进行伺服控制,使所施加载荷保持恒定. 从 模型底部由左向右逐个开孔释放颗粒,记录每次放出 一定量颗粒时力链结构及变化情况,试验结果如图 5 所示. (1) 在初始载荷条件下(图 5(a)),覆岩和顶煤中 呈现出竖网状力链结构. 在关键层上部覆岩强力链发 育方向以竖向为主,与外部加载方向大致平行. 在强 力链周围,有倾斜发育的弱力链分叉,维持强力链网络 的载荷传递. 在关键层内的块体中出现断续的“力键冶,承接和 传递上部力链荷载. 从光弹条纹级数和亮度上,明显 看出关键层内力键强度较高,下部顶煤力链相对较弱 且分布均匀,顶煤力链网络具有横向发育的趋势. (2) 在模型底部 B1 口释放 175 个颗粒后,覆岩与 顶煤中力链集束向右前方偏斜(图 5( b)),关键层在 放煤口上方产生弯曲,其上部覆岩力链呈多层拱状结 构,前拱脚位于关键层未变形端,关键层上部覆岩力链 拱以关键层为支撑,将上部荷载通过关键层以力链拱 方式传递到放出口右前方 15 ~25 cm (相当于实际尺 寸 20 ~32 m 左右)煤层及顶煤中,在该区域顶煤的力 链总体上呈竖状网络结构. 尽管在放出口附近关键层下部的顶煤中仅有极稀 疏和微弱的力链,顶煤没有形成完整力链拱,但放出口 前方在关键层强力键作用下,顶煤呈现纵向发育的强 力链结构,是形成工作面超前支承压力的基本力源. (3) 当在 B2 口放出 130 个颗粒后,关键层在颗粒 放出口上方断裂成两部分,其中右侧断裂关键层与前 方关键层形成铰接,如图 5( c)所示,强力键集中在关 键层下部. 随着工作面推进和颗粒的放出,采空区上 部关键层覆岩力链逐步由纵向网络向横向网络结构演 化(图 5(d)),并随着关键层的断裂失稳运动,上部覆 岩呈拱形力链形态(图 5(e)). (4) 随着工作面推进,采空区内的关键层彻底垮 落,采空区内部的拱形强力链结构消失,形成均匀化力 ·16·
王金安等：综放开采顶煤与覆岩力链结构及演化光弹试验研究 .17. (包) (b) (c) (e) ) 图5综放顶煤与单关键层覆岩力链结构及演化.(a)初始力链图：(b)B1放出175个颗粒：(c)B2放出130个颗粒：(d)B3放出104 个颗粒：(e)B4放出170个颗粒：(f)B6放出72个颗粒 Fig.5 Force chain structures and evolution in top coal and a key overlaying stratum during top-coal caving:(a)initial force chain;(b)taking out 175 particles at Bl:(c)taking out 130 particles at B2;(d)taking out 104 particles at B3;(e)taking out 170 particles at B4;(f)taking out 72 particles at B6 链网络（图5(）).工作面前方关键层悬臂梁固定端 强力链随着顶煤放出逐渐减弱直至消失. 的强力链不断向前转移，关键层弯曲段下方顶煤内的 试验表明，在单关键层条件下，综放开采工作面附
王金安等: 综放开采顶煤与覆岩力链结构及演化光弹试验研究 图 5 综放顶煤与单关键层覆岩力链结构及演化. (a) 初始力链图; (b) B1 放出 175 个颗粒; ( c) B2 放出 130 个颗粒; ( d) B3 放出 104 个颗粒; (e) B4 放出 170 个颗粒; (f) B6 放出 72 个颗粒 Fig. 5 Force chain structures and evolution in top coal and a key overlaying stratum during top鄄coal caving: (a) initial force chain; (b) taking out 175 particles at B1; (c) taking out 130 particles at B2; (d) taking out 104 particles at B3; (e) taking out 170 particles at B4; (f) taking out 72 particles at B6 链网络(图 5( f)). 工作面前方关键层悬臂梁固定端 的强力链不断向前转移,关键层弯曲段下方顶煤内的 强力链随着顶煤放出逐渐减弱直至消失. 试验表明,在单关键层条件下,综放开采工作面附 ·17·
·18 工程科学学报，第39卷，第1期 近顶煤始终处于较弱的力链网络环境，放煤口上方及 断前移放煤口(B2~B7),其覆岩与顶煤中的力链网络 附近只出现微弱的拱形力链拱结构，表明顶煤的放出 如图7所示.总体特征是：上覆岩层载荷以宏观力链 不会明显改变周围煤体和支架的压力集中现象.覆岩 拱形式穿过主、次关键层，关键层中的强力键结构承接 压力在关键层弯曲起始端产生强力链束集中区，强力 上方的强力链并与下方强力链衔接，并传导至工作面 链穿过关键层在工作面前方造成支承压力集中现象. 前方煤体中.两个关键层之间呈现多个“人”字形强力 在采空区内断裂的关键层上覆岩体内，形成拱形力链 链结构 结构，随着工作面推进和关键层垮落，采空区内部的拱 在B2~B7逐个放出颗粒过程之中，宏观力链拱脚 形力链结构消失，强力链向工作面前方转移 也随之不断前移，工作面前方强力链结构受上位主关 3.2双关键层覆岩与顶煤力链结构 键层控制愈加明显（图7(a)~(c)).放出口附近始终 顶煤有两个关键层条件（图4(b)),进行两种工 处于弱力链环境中，当主关键层断裂失稳时，放煤口上 况的光弹试验：(1)固定颗粒放出口，逐渐放出颗粒： 方的亚关键层内有强力键出现，并传递到工作面支架 (2)控制放煤口颗粒放出数量，放出口不断前移.考察 上方（图7(d)~()).当主关键层失稳后，采空区上 覆岩和顶煤内的力链结构与演化特征. 方的宏观力链拱消失，采空区覆岩力链恢复较为均匀 图6(a)显示在两个关键层的情况下，未开采前的 的力链网络结构形态.主关键层内仍存在因横向挤压 顶煤与关键层的力链网络.可以看出，力链总体呈竖 和局部接触而形成的非连续力键分布 状网络分布.两个关键层之间的颗粒强力链与上下关 试验结果表明，综放开采过程中，覆岩关键层与顶 键层内的力键相衔接，并将覆岩载荷传导到下部的 煤在宏观力学场中存在梁-拱强力链衔接和转化机 顶煤 制.强力链拱脚随工作面推进不断前移，关键层内的 3.2.1固定放出口放煤过程中覆岩力链结构与演化 力键承接上覆岩层强力链，并向下方煤岩体传递和转 当B1口放出67个颗粒后，强力链转移至距工作 移.力键是关键层中传递载荷的一种力的表现形式， 面前方25cm(相当于实际32.5m)处（图6(b)).工 对关键层的稳定与失稳并无主导作用. 作面放出口附近有较弱的力链发育，放出口上方煤岩 3.3有水平力作用下双关键层覆岩与顶煤力链结构 层处于明显的卸荷状态，弱力链拱穿越下位亚关键层 在模型顶部和左侧（工作面前方）同时施加0.2 向上发展到上位主关键层底部，主关键层与工作面前 kN的载荷，并在放煤过程中实施双向载荷伺服控制， 方顶煤共同构成采场梁-拱承载体系. 保证恒定的荷载边界条件 随着B1口继续放出颗粒，放出口前方顶煤强力 在双向载荷作用下，覆岩和顶煤中斜向力链发育 链的位置和形态没有发生明显的变化，在放煤口上方 愈加明显，使得强力链网络也更加密集和稳固，关键层 弱力链拱进一步向上发展，随着上位主关键层的弯曲 内的力键分布更为广泛.随着顶煤放出，主关键上部 下沉，弱力链拱向上发展到上位关键层上覆岩层中，主 覆岩力链发育成拱形结构，同时两个关键层之间力链 关键层上方的强力链网络横向发育（图6(c)~(d)). 随着亚层的断裂失稳，力链穿过两个关键层与上部力 随着B1口进一步放出颗粒，下位亚关键层断裂， 链形成更大规模拱结构，使作用在工作面前方的垂直 出现采空区上方强力链拱沉降和放煤口前方的强力链 力集中程度加刷（图8） 回移现象，即顶煤中的强力链网络向工作面侧移动，造 当放煤口上部主关键层发生断裂时，由主关键层 成工作面支架的载荷增加，亦即传统意义上的工作面 力键将所承载荷以强力链方式传递到下位亚关键层 来压现象（图6(e)).当上位主关键层断裂时，放出口 中，造成亚关键层的超前断裂，形成工作面及前方煤体 前方的强力链发育更加密集，力链强度再度升高，形成 大面积来压（图8(c)).随着工作面推进，双向力作用 更大规模的工作面来压现象（图6(）). 条件下梁-拱强力链网络结构范围扩大（图8(d)) 试验表明，强力链的形成和演化与颗粒放出密切 试验表明，在双向力作用下，顶煤与覆岩内的梁- 相关.随着顶煤放出，工作面上部覆岩关键层和顶煤 拱力链效应较更加显著，整体拱结构形态发育完整，横 共同形成梁-拱承载结构，并随放出煤量的增加拱结 向力的作用使所形成强力链网络更加密集，力链拱结 构向上发展.工作面前方强力链作用的位置集中分布 构更加稳固，关键层断裂失稳时拱脚对工作面煤层的 在未断裂关键层反弯曲与直梁结合部斜下方.当关键 作用力更加强大 层发生断裂运动时，出现采空区上方强力链拱沉降和 4讨论与结论 工作面前方的强力链集聚区回退，造成工作面的来压 现象 综放开采顶煤物质状态由整体连续向似连续、非 3.2.2放出口移动过程中覆岩力链结构与演化 连续和散体逐步转化.在工作面附近，顶煤和顶板的 每个放煤口的颗粒放出数量控制在50个左右，不 碎裂性破坏和运动性破坏，造成工作面压力的急剧变
工程科学学报,第 39 卷,第 1 期 近顶煤始终处于较弱的力链网络环境,放煤口上方及 附近只出现微弱的拱形力链拱结构,表明顶煤的放出 不会明显改变周围煤体和支架的压力集中现象. 覆岩 压力在关键层弯曲起始端产生强力链束集中区,强力 链穿过关键层在工作面前方造成支承压力集中现象. 在采空区内断裂的关键层上覆岩体内,形成拱形力链 结构,随着工作面推进和关键层垮落,采空区内部的拱 形力链结构消失,强力链向工作面前方转移. 3郾 2 双关键层覆岩与顶煤力链结构 顶煤有两个关键层条件(图 4 ( b)),进行两种工 况的光弹试验:(1) 固定颗粒放出口,逐渐放出颗粒; (2)控制放煤口颗粒放出数量,放出口不断前移. 考察 覆岩和顶煤内的力链结构与演化特征. 图 6(a)显示在两个关键层的情况下,未开采前的 顶煤与关键层的力链网络. 可以看出,力链总体呈竖 状网络分布. 两个关键层之间的颗粒强力链与上下关 键层内的力键相衔接,并将覆岩载荷传导到下部的 顶煤. 3郾 2郾 1 固定放出口放煤过程中覆岩力链结构与演化 当 B1 口放出 67 个颗粒后,强力链转移至距工作 面前方 25 cm (相当于实际 32郾 5 m)处(图 6( b)). 工 作面放出口附近有较弱的力链发育,放出口上方煤岩 层处于明显的卸荷状态,弱力链拱穿越下位亚关键层 向上发展到上位主关键层底部,主关键层与工作面前 方顶煤共同构成采场梁鄄鄄拱承载体系. 随着 B1 口继续放出颗粒,放出口前方顶煤强力 链的位置和形态没有发生明显的变化,在放煤口上方 弱力链拱进一步向上发展,随着上位主关键层的弯曲 下沉,弱力链拱向上发展到上位关键层上覆岩层中,主 关键层上方的强力链网络横向发育(图 6(c) ~ (d)). 随着 B1 口进一步放出颗粒,下位亚关键层断裂, 出现采空区上方强力链拱沉降和放煤口前方的强力链 回移现象,即顶煤中的强力链网络向工作面侧移动,造 成工作面支架的载荷增加,亦即传统意义上的工作面 来压现象(图 6(e)). 当上位主关键层断裂时,放出口 前方的强力链发育更加密集,力链强度再度升高,形成 更大规模的工作面来压现象(图 6(f)). 试验表明,强力链的形成和演化与颗粒放出密切 相关. 随着顶煤放出,工作面上部覆岩关键层和顶煤 共同形成梁鄄鄄 拱承载结构,并随放出煤量的增加拱结 构向上发展. 工作面前方强力链作用的位置集中分布 在未断裂关键层反弯曲与直梁结合部斜下方. 当关键 层发生断裂运动时,出现采空区上方强力链拱沉降和 工作面前方的强力链集聚区回退,造成工作面的来压 现象. 3郾 2郾 2 放出口移动过程中覆岩力链结构与演化 每个放煤口的颗粒放出数量控制在 50 个左右,不 断前移放煤口(B2 ~B7),其覆岩与顶煤中的力链网络 如图 7 所示. 总体特征是:上覆岩层载荷以宏观力链 拱形式穿过主、次关键层,关键层中的强力键结构承接 上方的强力链并与下方强力链衔接,并传导至工作面 前方煤体中. 两个关键层之间呈现多个“人冶字形强力 链结构. 在 B2 ~B7 逐个放出颗粒过程之中,宏观力链拱脚 也随之不断前移,工作面前方强力链结构受上位主关 键层控制愈加明显(图 7(a) ~ (c)). 放出口附近始终 处于弱力链环境中,当主关键层断裂失稳时,放煤口上 方的亚关键层内有强力键出现,并传递到工作面支架 上方(图 7(d) ~ ( f)). 当主关键层失稳后,采空区上 方的宏观力链拱消失,采空区覆岩力链恢复较为均匀 的力链网络结构形态. 主关键层内仍存在因横向挤压 和局部接触而形成的非连续力键分布. 试验结果表明,综放开采过程中,覆岩关键层与顶 煤在宏观力学场中存在梁鄄鄄 拱强力链衔接和转化机 制. 强力链拱脚随工作面推进不断前移,关键层内的 力键承接上覆岩层强力链,并向下方煤岩体传递和转 移. 力键是关键层中传递载荷的一种力的表现形式, 对关键层的稳定与失稳并无主导作用. 3郾 3 有水平力作用下双关键层覆岩与顶煤力链结构 在模型顶部和左侧(工作面前方) 同时施加 0郾 2 kN 的载荷,并在放煤过程中实施双向载荷伺服控制, 保证恒定的荷载边界条件. 在双向载荷作用下,覆岩和顶煤中斜向力链发育 愈加明显,使得强力链网络也更加密集和稳固,关键层 内的力键分布更为广泛. 随着顶煤放出,主关键上部 覆岩力链发育成拱形结构,同时两个关键层之间力链 随着亚层的断裂失稳,力链穿过两个关键层与上部力 链形成更大规模拱结构,使作用在工作面前方的垂直 力集中程度加剧(图 8). 当放煤口上部主关键层发生断裂时,由主关键层 力键将所承载荷以强力链方式传递到下位亚关键层 中,造成亚关键层的超前断裂,形成工作面及前方煤体 大面积来压(图 8(c)). 随着工作面推进,双向力作用 条件下梁鄄鄄拱强力链网络结构范围扩大(图 8(d)). 试验表明,在双向力作用下,顶煤与覆岩内的梁鄄鄄 拱力链效应较更加显著,整体拱结构形态发育完整,横 向力的作用使所形成强力链网络更加密集,力链拱结 构更加稳固,关键层断裂失稳时拱脚对工作面煤层的 作用力更加强大. 4 讨论与结论 综放开采顶煤物质状态由整体连续向似连续、非 连续和散体逐步转化. 在工作面附近,顶煤和顶板的 碎裂性破坏和运动性破坏,造成工作面压力的急剧变 ·18·
王金安等：综放开采顶煤与覆岩力链结构及演化光弹试验研究 。19· a b (e) d e ) 图6固定放煤口顶煤与双关键层覆岩力链结构及演化.(a)初始力链图：(b)B1放出67个颗粒：(c)B1放出45个颗粒：(d)B1放出 50个颗粒：(e)B1放出38个颗粒：(f)B1放出53个颗粒 Fig.6 Force chain structures and evolution in top coal and double key overlaying strata at a fixed top-coal caving position;(a)initial force chain; (b)taking out 67 particles at Bl;(c)taking out 45 particles at BI;(d)taking out 50 particles at Bl;(e)taking out 38 particles at Bl;(f)taking out 45 particles at Bl 化，甚至致灾.力链是描述非连续体和散体介质系统 链结构和演化进行了探索 中力学构架的重要表征，本文尝试采用双向加载和双 (1)力链是非连续和散体介质体传递荷载的主要 向颗粒流动光弹试验方法，对综放开采顶煤及覆岩力 方式，也是反映介质体系统稳定性状态的重要标志
王金安等: 综放开采顶煤与覆岩力链结构及演化光弹试验研究 图 6 固定放煤口顶煤与双关键层覆岩力链结构及演化. (a)初始力链图; (b) B1 放出 67 个颗粒; ( c) B1 放出 45 个颗粒; ( d) B1 放出 50 个颗粒; (e) B1 放出 38 个颗粒; (f) B1 放出 53 个颗粒 Fig. 6 Force chain structures and evolution in top coal and double key overlaying strata at a fixed top鄄coal caving position: (a) initial force chain; ( b) taking out 67 particles at B1; (c) taking out 45 particles at B1; (d) taking out 50 particles at B1; (e) taking out 38 particles at B1; (f) taking out 45 particles at B1 化,甚至致灾. 力链是描述非连续体和散体介质系统 中力学构架的重要表征,本文尝试采用双向加载和双 向颗粒流动光弹试验方法,对综放开采顶煤及覆岩力 链结构和演化进行了探索. (1) 力链是非连续和散体介质体传递荷载的主要 方式,也是反映介质体系统稳定性状态的重要标志. ·19·
·20· 工程科学学报，第39卷，第1期 ↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓ (b) (c) (e) (f) 图7移动放煤口顶煤与双关键层覆岩力链结构及演化.(a)B2放出51个颗粒：(b)B3放出51个颗粒：(c)4放出49个颗粒；()B5 放出56个颗粒：(c)B6放出49个颗粒：()B7放出77个颗粒 Fig.7 Force chain structures and evolution in top coal and double key overlaying strata with shifting top-coal caving positions:(a)taking out 51 par- ticles at B2;(b)taking out 51 particles at B3;(e)taking out 49 particles at B4;(d)taking out 56 particles at B5;(e)taking out 49 particles at B6:(f)taking out 77 particles at B7 散体顶煤中的颗粒接触力链和岩层中的块体力键构成 的力键承接上覆岩体强力链作用，并传导至下覆岩层 了整个地层的承载力系。众多弱力链发育维系强力链 和顶煤中.力键本身对关键层的稳定性状态没有主导 主干的发展，构成地层荷载的力链网络.关键岩层中 作用
工程科学学报,第 39 卷,第 1 期 图 7 移动放煤口顶煤与双关键层覆岩力链结构及演化. (a) B2 放出 51 个颗粒; (b) B3 放出 51 个颗粒; (c) B4 放出 49 个颗粒; (d) B5 放出 56 个颗粒; (e) B6 放出 49 个颗粒; (f) B7 放出 77 个颗粒 Fig. 7 Force chain structures and evolution in top coal and double key overlaying strata with shifting top鄄coal caving positions: (a) taking out 51 par鄄 ticles at B2; (b) taking out 51 particles at B3; (c) taking out 49 particles at B4; (d) taking out 56 particles at B5; (e) taking out 49 particles at B6; (f) taking out 77 particles at B7 散体顶煤中的颗粒接触力链和岩层中的块体力键构成 了整个地层的承载力系. 众多弱力链发育维系强力链 主干的发展,构成地层荷载的力链网络. 关键岩层中 的力键承接上覆岩体强力链作用,并传导至下覆岩层 和顶煤中. 力键本身对关键层的稳定性状态没有主导 作用. ·20·
王金安等：综放开采顶煤与覆岩力链结构及演化光弹试验研究 ·21· (c) d 图8竖向和水平力作用下双关键层顶煤与覆岩力链结构及演化.(a)初始状态：(b)B1放出T2个颗粒：(c)B2放出85个颗粒：(d)B5 放出95个颗粒 Fig.8 Force chain structure and evolution in top coal and double key overlaying strata under vertical and horizontal loadings:(a)initial force chain; (b)taking out 72 particles at Bl (c)taking out 85 particles at B2 (d)taking out 95 particles at B5 (2)综放开采打破了初始力链网络的平衡状态，断裂失稳阶段，放煤口附近煤岩没有强力链发育，预示 形成梁-拱形力链结构.开采初期，顶煤力链拱顶发育 综放工作面支架载荷主要由力链拱内的岩体自重和覆 到关键层，与关键层力键共同形成承载结构体系.随 岩运动形成的动压两部分组成.当主关键层发生断裂 着工作面推进和顶煤放出，关键层弯曲、断裂失稳，力时，由主关键层力键将所承载荷以强力链方式传递到 链拱穿越关键层向上发育到上覆岩体，形成更大规模 下位亚关键层中，造成亚关键层的超前断裂，形成工作 的力链拱结构.力链拱内的顶煤和关键层处于低荷载 面及前方煤体大面积来压. 和失稳状态. (5)顶煤和覆岩中的力链网络结构和强度与边界 (3)强力链拱脚作用是构成综放开采工作面前方 载荷条件关系密切.在双向力作用下，顶煤与覆岩内 支承压力的主要力源.强力链拱脚位置与关键层中强 的梁-拱力链效应将更加显著，整体拱结构形态发育 力键所在的位置相对应.关键层弯曲下沉导致中性层 完整，横向力的作用使所形成强力链网络更加密集，力 下部曲率发生变化位置，易出现强力键发育，并将上部 链拱结构更加稳固，关键层断裂失稳时拱脚对工作面 荷载集中传递到下覆岩层和工作面前方顶煤中.一个 煤层的作用力更加强大 值得注意的现象是：当主、次关键层发生断裂失稳时， 本文展示的是在宏观背景下顶煤与覆岩力链结构 出现采空区上方强力链拱沉降、工作面前方的强力链 及演化特征的试验结果.综放采场顶煤与覆岩力链网 拱脚回退，力链分布密集，力链强度增加，构成工作面 络构型、拓扑关系及演化规律更深入的研究，需要基于 来压现象 颗粒体接触、摩擦、转动、缠结、簇团解体等细观机制的 (4)顶煤放出口附近煤岩普遍处于弱力链网络环 理论分析，特别是力链网络演化及突变给采场带来的 境.在工作面推进和顶煤放出阶段，以及上覆关键层 灾变作用，还有待在力链的定量提取和描述上做更进
王金安等: 综放开采顶煤与覆岩力链结构及演化光弹试验研究 图 8 竖向和水平力作用下双关键层顶煤与覆岩力链结构及演化. (a)初始状态; (b) B1 放出 72 个颗粒; (c) B2 放出 85 个颗粒; (d) B5 放出 95 个颗粒 Fig. 8 Force chain structure and evolution in top coal and double key overlaying strata under vertical and horizontal loadings: (a) initial force chain; (b) taking out 72 particles at B1 (c) taking out 85 particles at B2 (d) taking out 95 particles at B5 (2) 综放开采打破了初始力链网络的平衡状态, 形成梁鄄鄄拱形力链结构. 开采初期,顶煤力链拱顶发育 到关键层,与关键层力键共同形成承载结构体系. 随 着工作面推进和顶煤放出,关键层弯曲、断裂失稳,力 链拱穿越关键层向上发育到上覆岩体,形成更大规模 的力链拱结构. 力链拱内的顶煤和关键层处于低荷载 和失稳状态. (3) 强力链拱脚作用是构成综放开采工作面前方 支承压力的主要力源. 强力链拱脚位置与关键层中强 力键所在的位置相对应. 关键层弯曲下沉导致中性层 下部曲率发生变化位置,易出现强力键发育,并将上部 荷载集中传递到下覆岩层和工作面前方顶煤中. 一个 值得注意的现象是:当主、次关键层发生断裂失稳时, 出现采空区上方强力链拱沉降、工作面前方的强力链 拱脚回退,力链分布密集,力链强度增加,构成工作面 来压现象. (4) 顶煤放出口附近煤岩普遍处于弱力链网络环 境. 在工作面推进和顶煤放出阶段,以及上覆关键层 断裂失稳阶段,放煤口附近煤岩没有强力链发育,预示 综放工作面支架载荷主要由力链拱内的岩体自重和覆 岩运动形成的动压两部分组成. 当主关键层发生断裂 时,由主关键层力键将所承载荷以强力链方式传递到 下位亚关键层中,造成亚关键层的超前断裂,形成工作 面及前方煤体大面积来压. (5) 顶煤和覆岩中的力链网络结构和强度与边界 载荷条件关系密切. 在双向力作用下,顶煤与覆岩内 的梁鄄鄄拱力链效应将更加显著,整体拱结构形态发育 完整,横向力的作用使所形成强力链网络更加密集,力 链拱结构更加稳固,关键层断裂失稳时拱脚对工作面 煤层的作用力更加强大. 本文展示的是在宏观背景下顶煤与覆岩力链结构 及演化特征的试验结果. 综放采场顶煤与覆岩力链网 络构型、拓扑关系及演化规律更深入的研究,需要基于 颗粒体接触、摩擦、转动、缠结、簇团解体等细观机制的 理论分析,特别是力链网络演化及突变给采场带来的 灾变作用,还有待在力链的定量提取和描述上做更进 ·21·
·22· 工程科学学报，第39卷，第1期 一步的工作 (闫少宏.放顶煤开采顶煤与顶板活动规律研究[学位论 文].北京：中国矿业大学，1995) 参考文献 [12]Jin Z M,Wei J P,Jin W X.Research on fracture evolution law [1]Qian M G.Shi P W.Mine Pressure and Strata Control.Xuzhou: of coal mass in fully mechanized face.J China Coal Soc,2000. China University of Mining and Technology Press,2010 25(Suppl):43. (钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制.徐州：中国矿业大 (靳钟铭，魏锦平，靳文学.综放工作面煤体裂隙演化规律 学出版社，2010) 研究.煤炭学报，2000,25（增刊）：43. [2]Song ZQ.Practical Mine Pressure Control.Xuzhou:China Uni- [13]Feng G C,Yu Z X,Zhang Q H.Research into the roof coal fail- versity of Mining and Technology Press,1988 ure mechanism of the fully mechanized caving method.J Fuxin (宋振骐.实用矿山压力控制.徐州：中国矿业大学出版社， Min Inst Nat Sci,1992,11(3):51 1988) (冯国才，于政喜，张清和.综采放顶煤开采顶煤破碎机理 [3]Qian M G,Miao XX,Xu J L,et al.Key Stratus Theory of Strata 研究.阜新矿业学院学报（自然科学版），1992,11(3)：51) Control.Xuzhou:China University of Mining and Technology [14]Wang J A,Han X G,Ren PZ.The identification of the damage Press,2003 state evolution in top coal caving mining.J China Coal Soc, (钱鸣高，爨协兴，许家林，等.岩层控制的关键层理论.徐 2016,41(Suppl1):1 州：中国矿业大学出版社，2003) (王金安，韩现刚，任鹏召.综放开采顶煤介质状态演化的 [4]Wu J.A review of the fully mechanized coal mining with sub-level 特征识别.煤炭学报，2016,41（增刊1）：1) caving in the past 15 years.China Coal,1999,25(1):9 [15]Wang J C.Fu Q.The loose medium flow field theory and its ap- (吴健.我国综放开采技术15年回顾.中国煤炭，1999,25 plication on the longwall top-coal eaving.J China Coal Soc, 2002,27(4):337 (1):9) [5]Wu J,Yan S H.Basic concepts of determining of resistance of (王家臣，富强.低位综放开采顶煤放出的散体介质流理论 face support with fully mechanized mining and top coal caving. 与应用.煤炭学报，2002,27(4)：337) Min Induced Pressure Roof Strata Control,1995(34):69 [16]Wang J C,Wei L K,Zhang J W,et al.3-D numerical simula- (吴健，闫少宏.确定综放面支架工作阻力的基本概念.矿山 tion on the top-coal movement law under caving mining tech- 压力与顶板管理，1995(3-4)：69) nique.J China Coal Soc,2013,38(11):1905 (王家臣，魏立科，张锦旺，等.综放开采顶煤放出规律三维 [6]Shi P W,Gao Z N.The failure laws of surrounding rocks and over 数值模拟.煤炭学报，2013,38(11)：1905) lying bed in the steep special thickness seam mining.China Coal Soc,2003,28(1):13 [17]Sun Q C.Wang G Q.Review on granular flow dynamies and its discrete element method.Ade Mech,2008,38(1):87 (石平五，高召宁.急斜特厚煤层开采围岩与覆盖层破坏规 (孙其诚，王光谦.颗粒流动力学及其离散模型述评.力学 律.煤炭学报，2003,28(1)：13) [7]Xie G X.Mechanical characteristics of fully mechanized top-coal 进展，2008,38(1)：87) caving face and surrounding rock stress shell.China Coal Soc, [18]Sun Q C.Cheng X H,Ji S Y,et al.Advances in micro-macro 2005,30(3):309 mechanics of granular soil materials.Adr Mech,2011,41(3): (谢广样.综放面及其围岩宏观应力壳力学特征研究.煤炭学 351 报，2005,30(3)：309) (孙其诚，程晓辉，季顺迎，等.岩土类颗粒物质宏-细观力 [8]Jiang F X.Design of Roof Strata Control and Expert System. 学研究进展.力学进展，2011,41(3)：351) Xuzhou:China University of Mining and Technology Press,1995 [19]Wang J A,Pang W D,Liang C,et al.A Photoelastic Experimen- (姜福兴.采场顶板控制设计及其专家系统.徐州：中国矿业 tal Apparatus for Biaxial Loading and Bilateral Flowing of Parti- 大学出版社，1995) cles:China Patent,CN204556449U.2015-08-12 [9]Wang J A.Analysis of roof coal medium state in caving roof coal (王金安，庞伟东，梁超，等.一种双向颗粒流动光弹实验装 mining face.J Xian Min Inst,1991(4):9 置：中国专利.CN204556449U.2015-08-12) (王金安.放顶煤工作面顶煤介质状态分析.西安矿业学院学 [20]Pang W D.Photoelastic Experimental Suudy on Force Chain Net- 报，1991(4)：9) work in Top-coal and Overlaying Strata under Fully Mechanized [10]Yan S H,Wu J.Analysis of top coal movement and damage Top-coal Caving Mining Dissertation ]Beijing:University of characteristics in top-coal eaving.Chin Rock Mech Eng,1996, Science and Technology Beijing,2015 15(2):155 (庞伟东.综放开采顶煤与覆岩力链结构光弹实验[学位论 (闫少宏，吴健.放顶煤开采顶煤运移实测与损伤特性分析 文].北京：北京科技大学，2015) 岩石力学与工程学报，1996,15(2)：155) [21]Wang JA,Liang C,Pang W D.Photoelastic experiment on force [11]Yan S H.Study on the Laws of Top-coal and Roof Strata Move- chain evolution of particle aggregates under biaxial loading and ment in Fully Mechanized Top-coal Caring Mining Disserta- flowing conditions.Rock Soil Mech,2016,37(11):1 tion].Beijing:China University of Mining and Technology, (王金安，梁超，庞伟东.颗粒体双轴加载双向流动力链演化 1995 光弹试验研究.岩土力学，2016,37(11)：1)
工程科学学报,第 39 卷,第 1 期 一步的工作. 参 考 文 献 [1] Qian M G, Shi P W. Mine Pressure and Strata Control. Xuzhou: China University of Mining and Technology Press, 2010 (钱鸣高, 石平五. 矿山压力与岩层控制. 徐州: 中国矿业大 学出版社, 2010) [2] Song Z Q. Practical Mine Pressure Control. Xuzhou: China Uni鄄 versity of Mining and Technology Press, 1988 (宋振骐. 实用矿山压力控制. 徐州: 中国矿业大学出版社, 1988) [3] Qian M G, Miao X X, Xu J L, et al. Key Stratus Theory of Strata Control. Xuzhou: China University of Mining and Technology Press, 2003 (钱鸣高, 缪协兴, 许家林, 等. 岩层控制的关键层理论. 徐 州: 中国矿业大学出版社, 2003) [4] Wu J. A review of the fully mechanized coal mining with sub鄄level caving in the past 15 years. China Coal, 1999, 25(1): 9 (吴健. 我国综放开采技术 15 年回顾. 中国煤炭, 1999, 25 (1): 9) [5] Wu J, Yan S H. Basic concepts of determining of resistance of face support with fully mechanized mining and top coal caving. Min Induced Pressure Roof Strata Control, 1995(3鄄4): 69 (吴健, 闫少宏. 确定综放面支架工作阻力的基本概念. 矿山 压力与顶板管理, 1995(3鄄鄄4): 69) [6] Shi P W, Gao Z N. The failure laws of surrounding rocks and over lying bed in the steep special thickness seam mining. J China Coal Soc, 2003, 28(1): 13 (石平五, 高召宁. 急斜特厚煤层开采围岩与覆盖层破坏规 律. 煤炭学报, 2003, 28(1): 13) [7] Xie G X. Mechanical characteristics of fully mechanized top鄄coal caving face and surrounding rock stress shell. J China Coal Soc, 2005, 30(3): 309 (谢广祥. 综放面及其围岩宏观应力壳力学特征研究. 煤炭学 报, 2005, 30(3): 309) [8] Jiang F X. Design of Roof Strata Control and Expert System. Xuzhou: China University of Mining and Technology Press, 1995 (姜福兴. 采场顶板控制设计及其专家系统. 徐州: 中国矿业 大学出版社, 1995) [9] Wang J A. Analysis of roof coal medium state in caving roof coal mining face. J Xi蒺an Min Inst, 1991(4): 9 (王金安. 放顶煤工作面顶煤介质状态分析. 西安矿业学院学 报, 1991(4): 9) [10] Yan S H, Wu J. Analysis of top coal movement and damage characteristics in top鄄coal caving. Chin J Rock Mech Eng, 1996, 15(2): 155 (闫少宏, 吴健. 放顶煤开采顶煤运移实测与损伤特性分析. 岩石力学与工程学报, 1996, 15(2): 155) [11] Yan S H. Study on the Laws of Top鄄coal and Roof Strata Move鄄 ment in Fully Mechanized Top鄄coal Caving Mining [ Disserta鄄 tion]. Beijing: China University of Mining and Technology, 1995 (闫少宏. 放顶煤开采顶煤与顶板活动规律研究[学位论 文]. 北京: 中国矿业大学, 1995) [12] Jin Z M, Wei J P, Jin W X. Research on fracture evolution law of coal mass in fully mechanized face. J China Coal Soc, 2000, 25(Suppl):43. (靳钟铭, 魏锦平, 靳文学. 综放工作面煤体裂隙演化规律 研究. 煤炭学报, 2000, 25(增刊):43. [13] Feng G C, Yu Z X, Zhang Q H. Research into the roof coal fail鄄 ure mechanism of the fully mechanized caving method. J Fuxin Min Inst Nat Sci, 1992, 11(3): 51 (冯国才, 于政喜, 张清和. 综采放顶煤开采顶煤破碎机理 研究. 阜新矿业学院学报(自然科学版), 1992, 11(3): 51) [14] Wang J A, Han X G, Ren P Z. The identification of the damage state evolution in top coal caving mining. J China Coal Soc, 2016, 41(Suppl 1): 1 (王金安, 韩现刚, 任鹏召. 综放开采顶煤介质状态演化的 特征识别. 煤炭学报, 2016, 41(增刊 1): 1) [15] Wang J C, Fu Q. The loose medium flow field theory and its ap鄄 plication on the longwall top鄄coal caving. J China Coal Soc, 2002, 27(4): 337 (王家臣, 富强. 低位综放开采顶煤放出的散体介质流理论 与应用. 煤炭学报, 2002, 27(4): 337) [16] Wang J C, Wei L K, Zhang J W, et al. 3鄄D numerical simula鄄 tion on the top鄄coal movement law under caving mining tech鄄 nique. J China Coal Soc, 2013, 38(11): 1905 (王家臣, 魏立科, 张锦旺, 等. 综放开采顶煤放出规律三维 数值模拟. 煤炭学报, 2013, 38(11): 1905) [17] Sun Q C, Wang G Q. Review on granular flow dynamics and its discrete element method. Adv Mech, 2008, 38(1): 87 (孙其诚, 王光谦. 颗粒流动力学及其离散模型述评. 力学 进展, 2008, 38(1): 87) [18] Sun Q C, Cheng X H, Ji S Y, et al. Advances in micro鄄macro mechanics of granular soil materials. Adv Mech, 2011, 41(3): 351 (孙其诚, 程晓辉, 季顺迎, 等. 岩土类颗粒物质宏鄄鄄细观力 学研究进展. 力学进展, 2011, 41(3): 351) [19] Wang J A, Pang W D, Liang C, et al. A Photoelastic Experimen鄄 tal Apparatus for Biaxial Loading and Bilateral Flowing of Parti鄄 cles: China Patent, CN204556449U. 2015鄄鄄08鄄鄄12 (王金安, 庞伟东, 梁超, 等. 一种双向颗粒流动光弹实验装 置: 中国专利, CN204556449U. 2015鄄鄄08鄄鄄12) [20] Pang W D. Photoelastic Experimental Study on Force Chain Net鄄 work in Top鄄coal and Overlaying Strata under Fully Mechanized Top鄄coal Caving Mining [ Dissertation]. Beijing: University of Science and Technology Beijing, 2015 (庞伟东. 综放开采顶煤与覆岩力链结构光弹实验[学位论 文]. 北京: 北京科技大学, 2015) [21] Wang J A, Liang C, Pang W D. Photoelastic experiment on force chain evolution of particle aggregates under biaxial loading and flowing conditions. Rock Soil Mech, 2016, 37(11): 1 (王金安,梁超,庞伟东. 颗粒体双轴加载双向流动力链演化 光弹试验研究. 岩土力学, 2016, 37(11): 1) ·22·
