李飞等：混合颗粒体光弹力链定量提取方法 ·309· 出，如图11所示.图中红色线表示强力链，蓝色线 表示次强力链.在此基础上，开展统计强力链方位 角以及图8(b)中颗粒接触的方位角，计算强力链、 次强力链所占比例和不同区域颗粒填充分数等一系 列工作，为之后的力链演化分析提供基本数据. 表2平均接触力表 Table 2 Average contact force N 612 mm 中10mm 中8mm 10mm×10mm 9.19 8.38 5.91 29.57 754 B5 B4 B3 B11 BI 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 图12工况模型示意图（单位：mm) Fig.12 Plot of schematic model (unit:mm) 图11力链分布图 Fig.11 Force chain network 释放任何颗粒.从图中可以看出力链主要呈树状分 布，顶部力链比底部强且密，说明上部荷载通过颗粒 3以综放开采为背景的光弹试验 间摩擦和挤压向侧向传递，最后由两侧壁承担部分 3.1工况及模型介绍 上部荷载，这也直观解释了“粮仓效应”的原因.在 颗粒体系在外加荷载作用下，颗粒间相互挤压， 两层方颗粒中，内部应力集中明显，但没有形成明显 力在颗粒体系间传递.但实验证明，力在颗粒体系 力链，而是形成片状区域.经过数字图像处理后，提 中并不是均匀传递的，而是由少量力链构成的网络 取的力链图如图13(b)所示.颗粒接触方位角分 支撑整个颗粒体系的重量和外荷载.某种程度上， 布、强力链方位角分布如图13(c)和图13(d)所示. 颗粒间力和力的分布是被少量外界控制参数明确确 从图13（©）中可以看出，颗粒接触在水平方向明显 定.因此研究力链及力链演化具有重要意义. 多于竖直方向，而其他方向的力链微乎其微.对比 以陈家沟煤矿8512工作面为光弹试验模拟对 图13(c)和图13(d),强力链在竖直方向上所占比 象，本次模拟工作面主采煤层为煤5层，平均埋深 例明显增多，这是由于颗粒体系受到上部荷载作用， 545m,煤层厚度为13.32~54.49m,平均厚度27.8 强力链主要承担竖向荷载 m,煤层平均倾角6.6°.工作面分层厚度8.5~16.6 初始状态下的光弹图像处理结果表明：(1)煤 m,平均开采分层煤厚11.5m.实验中，采用12 层在未开采状态下，岩层内部力链呈树状分布，无明 mm、d10mm和b8mm3种颗粒按2：9：5混合，模拟 显拱形结构：(2)关键层上部岩层的树状力链传递 顶煤及上部覆盖层，采用10mm×10mm方形颗粒， 到关键层，由于关键层强度较高，结构相对稳定，能 每3~5块弱胶结拼接成组合梁模拟关键层及直 够以力键的形式承载上部荷载.而其下面岩层同样 接顶. 用竖向力链支撑着关键层. 试验几何相似比为130、应力相似比为140、密 3.3B5口释放颗粒后的结果分析 度相似比为1.07.建立试验模型如图12所示.该 B3口释放颗粒249个，使B3口上部的第二层 工模型为竖向伺服加载，侧向位移控制，底部从B3 方颗粒落入出口此处，封闭B3口.对B4口和B5口 口向B5口依次释放颗粒，每个口释放颗粒直至第 进行同样的操作步骤，分别释放颗粒64个、102个. 二层方颗粒落于底部为止（直接顶垮落） 此时颗粒状态如图14(a)所示，图14(b)为力链网 3.2初始状态下的结果分析 络图，图中红色箭头表示顶煤放出口位置和顶煤放 图13(a)是初始状态下的光弹图像，此时还未 出方向，黑色箭头表示工作面前进方向，可以看出，李 飞等: 混合颗粒体光弹力链定量提取方法 出，如图 11 所示． 图中红色线表示强力链，蓝色线 表示次强力链． 在此基础上，开展统计强力链方位 角以及图 8( b) 中颗粒接触的方位角，计算强力链、 次强力链所占比例和不同区域颗粒填充分数等一系 列工作，为之后的力链演化分析提供基本数据． 表 2 平均接触力表 Table 2 Average contact force N 12 mm  10 mm  8 mm 10 mm × 10 mm 9. 19 8. 38 5. 91 29. 57 图 11 力链分布图 Fig． 11 Force chain network 3 以综放开采为背景的光弹试验 3. 1 工况及模型介绍 颗粒体系在外加荷载作用下，颗粒间相互挤压， 力在颗粒体系间传递． 但实验证明，力在颗粒体系 中并不是均匀传递的，而是由少量力链构成的网络 支撑整个颗粒体系的重量和外荷载． 某种程度上， 颗粒间力和力的分布是被少量外界控制参数明确确 定． 因此研究力链及力链演化具有重要意义． 以陈家沟煤矿 8512 工作面为光弹试验模拟对 象，本次模拟工作面主采煤层为煤 5 层，平均埋深 545 m，煤层厚度为 13. 32 ～ 54. 49 m，平均厚度 27. 8 m，煤层平均倾角 6. 6°． 工作面分层厚度 8. 5 ～ 16. 6 m，平均开采分层煤厚 11. 5 m． 实验中，采用 12 mm、10 mm 和 8 mm 3 种颗粒按 2∶ 9∶ 5混合，模拟 顶煤及上部覆盖层，采用 10 mm × 10 mm 方形颗粒， 每 3 ～ 5 块弱胶结拼接成组合梁模拟关键层及直 接顶． 试验几何相似比为 130、应力相似比为 140、密 度相似比为 1. 07． 建立试验模型如图 12 所示． 该 工模型为竖向伺服加载，侧向位移控制，底部从 B3 口向 B5 口依次释放颗粒，每个口释放颗粒直至第 二层方颗粒落于底部为止( 直接顶垮落) ． 3. 2 初始状态下的结果分析 图 13( a) 是初始状态下的光弹图像，此时还未 1 ―上部岩层; 2 ―粉砂岩( 关键层) ; 3 ―砂质泥岩; 4 ―直接顶; 5 ―煤 5 层 图 12 工况模型示意图( 单位: mm) Fig． 12 Plot of schematic model( unit: mm) 释放任何颗粒． 从图中可以看出力链主要呈树状分 布，顶部力链比底部强且密，说明上部荷载通过颗粒 间摩擦和挤压向侧向传递，最后由两侧壁承担部分 上部荷载，这也直观解释了“粮仓效应”的原因． 在 两层方颗粒中，内部应力集中明显，但没有形成明显 力链，而是形成片状区域． 经过数字图像处理后，提 取的力链图如图 13 ( b) 所示． 颗粒接触方位角分 布、强力链方位角分布如图 13( c) 和图 13( d) 所示． 从图 13( c) 中可以看出，颗粒接触在水平方向明显 多于竖直方向，而其他方向的力链微乎其微． 对比 图 13( c) 和图 13( d) ，强力链在竖直方向上所占比 例明显增多，这是由于颗粒体系受到上部荷载作用， 强力链主要承担竖向荷载． 初始状态下的光弹图像处理结果表明: ( 1) 煤 层在未开采状态下，岩层内部力链呈树状分布，无明 显拱形结构; ( 2) 关键层上部岩层的树状力链传递 到关键层，由于关键层强度较高，结构相对稳定，能 够以力键的形式承载上部荷载． 而其下面岩层同样 用竖向力链支撑着关键层． 3. 3 B5 口释放颗粒后的结果分析 B3 口释放颗粒 249 个，使 B3 口上部的第二层 方颗粒落入出口此处，封闭 B3 口． 对 B4 口和 B5 口 进行同样的操作步骤，分别释放颗粒 64 个、102 个． 此时颗粒状态如图 14( a) 所示，图 14( b) 为力链网 络图，图中红色箭头表示顶煤放出口位置和顶煤放 出方向，黑色箭头表示工作面前进方向，可以看出， · 903 ·