·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·