·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·