·310 工程科学学报，第40卷，第3期 (1一上部岩层：2一粉砂岩关键层)： 3一砂质泥岩：4一直接顶：5一煤5层) 90°2000 90°500 120 60 120° 、60 1500 00 150 000 150m 80 180 210 30 210 240 300 240 300 270 270° 图13初始状态.(a)光弹图像：(b)力链网络：(c)颗粒接触方位玫瑰图：(d)强力链方位玫瑰图 Fig.13 Initial state:(a)photoelastic image:(b)force chain networks:(c)rose diagram of particles contact azimuth:(d)rose diagram of strong force chains 在当底部颗粒被释放时，附近的强力链断裂，形成松 压，形成凹形拱结构，即砌体梁结构：(3)由于关键 散结构体系，而在第一层方颗粒上部形成拱状力链， 层的破裂，其上部的岩层力链发生变化，原来的树状 维持上部稳定.较远处的强力链受到扰动，与弱力 力链已经不能直接竖直施加在关键层上，而是以破 链破裂重构，形成新的稳定力链结，同时力链向侧向 裂处为中心，形成凸形拱状力链结构，拱脚位于工作 延伸扩张.原有的方颗粒结构随着底部颗粒的流 面前方和采空区重新压实区域 失，逐渐失稳，以释放口为轴对应倾斜，与水平方向 4结论 形成约15°夹角.颗粒接触方位角分布、强力链方位 角分布如图14(c)和图14(d)所示.对比图13(c) (1)采用彩色梯度均方值的算法，得出不同粒 和图14(c),可以看出颗粒在接触方向上已趋于均 径的圆形颗粒和方形颗粒的F与G值均呈单调递 匀，水平和竖直方向不再占主导地位，整个颗粒体系 增关系，并且颗粒粒径越大，F随G增长速度越快. 向各向同性化演变.再从图14(d)中可知，强力链 (2)用数字图像处理技术，可以有效地消除了 的分布规律基本与颗粒接触分布一致，力链主要集 孔隙和光弹颗粒表面污染物对试验的影响，并且提 中在18°~36°、81°~99°和144°~162°，原有的树状 出识别和区分光弹图像中不同粒径和形状颗粒的算 力链结构己经不足以支撑整个颗粒体系. 法，可以标定颗粒的位置，判断颗粒的接触关系 B5口释放完颗粒后的光弹图像处理结果表明： (3)颗粒体系中，颗粒接触力集中分布在0.5~ (1)放出口周围的力链强度明显减弱甚至消失； 1.5倍平均接触力之间，大的圆形颗粒和方形颗粒 (2)随着煤层开采的推进，煤层上部直接顶逐渐垮 的平均接触力较大，是强力链的重要组成部分，而小 落，直接影响上部关键层结构的稳定性，关键层也逐 的圆形颗粒更多位于次强力链和弱力链上，对强力 渐破裂，但由于岩块排列整齐，岩块转动时会相互挤 链起到侧向支撑的作用.工程科学学报，第 40 卷，第 3 期 图 13 初始状态 . ( a) 光弹图像; ( b) 力链网络; ( c) 颗粒接触方位玫瑰图; ( d) 强力链方位玫瑰图 Fig． 13 Initial state: ( a) photoelastic image; ( b) force chain networks; ( c) rose diagram of particles contact azimuth; ( d) rose diagram of strong force chains 在当底部颗粒被释放时，附近的强力链断裂，形成松 散结构体系，而在第一层方颗粒上部形成拱状力链， 维持上部稳定． 较远处的强力链受到扰动，与弱力 链破裂重构，形成新的稳定力链结，同时力链向侧向 延伸扩张． 原有的方颗粒结构随着底部颗粒的流 失，逐渐失稳，以释放口为轴对应倾斜，与水平方向 形成约 15°夹角． 颗粒接触方位角分布、强力链方位 角分布如图 14( c) 和图 14( d) 所示． 对比图 13( c) 和图 14( c) ，可以看出颗粒在接触方向上已趋于均 匀，水平和竖直方向不再占主导地位，整个颗粒体系 向各向同性化演变． 再从图 14( d) 中可知，强力链 的分布规律基本与颗粒接触分布一致，力链主要集 中在 18° ～ 36°、81° ～ 99°和 144° ～ 162°，原有的树状 力链结构已经不足以支撑整个颗粒体系． B5 口释放完颗粒后的光弹图像处理结果表明: ( 1) 放出口周围的力链强度明显减弱甚至消失; ( 2) 随着煤层开采的推进，煤层上部直接顶逐渐垮 落，直接影响上部关键层结构的稳定性，关键层也逐 渐破裂，但由于岩块排列整齐，岩块转动时会相互挤 压，形成凹形拱结构，即砌体梁结构; ( 3) 由于关键 层的破裂，其上部的岩层力链发生变化，原来的树状 力链已经不能直接竖直施加在关键层上，而是以破 裂处为中心，形成凸形拱状力链结构，拱脚位于工作 面前方和采空区重新压实区域． 4 结论 ( 1) 采用彩色梯度均方值的算法，得出不同粒 径的圆形颗粒和方形颗粒的 F 与 G2 值均呈单调递 增关系，并且颗粒粒径越大，F 随 G2 增长速度越快． ( 2) 用数字图像处理技术，可以有效地消除了 孔隙和光弹颗粒表面污染物对试验的影响，并且提 出识别和区分光弹图像中不同粒径和形状颗粒的算 法，可以标定颗粒的位置，判断颗粒的接触关系． ( 3) 颗粒体系中，颗粒接触力集中分布在 0. 5 ～ 1. 5 倍平均接触力之间，大的圆形颗粒和方形颗粒 的平均接触力较大，是强力链的重要组成部分，而小 的圆形颗粒更多位于次强力链和弱力链上，对强力 链起到侧向支撑的作用． · 013 ·