本文以力链为主线,运用理论分析、数值模拟与实验室实验相结合的综合研究方法,对采场围岩力链分布特征及其关键可测物理量进行了系统深入的研究。开展了采场围岩力链分布特征及其演化规律研究,实现了力链在采场围岩中的可视化;在采场围岩力链分布特征及其演化规律的基础上,基于矩张量理论,建立了声发射数值模拟模型,获得了力链与声发射时-空-强响应规律;采用实验室声发射和数学计算的研究方法,获得了能够表征不同岩石岩性的力链关键可测物理信息;采用数值模拟和实验室实验的综合研究方法,揭示了采场煤岩上覆岩层组合岩体的破断机制及力链关键可测物理量的特征,实现了采场围岩力链关键物理信息的定量描述。论文取得了以下主要研究成果:1.首次采用离散元颗粒物质方法对采场围岩的力链分布特征及其时空演化规律进行了模拟研究,实现了采场围岩力链的可视化基于谢桥煤矿21116工作面工程地质和开采技术条件,运用离散元软件PFC3D全面再现了采场围岩的力链分布特征与演化规律,并揭示了力链的形成机制与宏观应力壳的力学本质。主要结论如下:(1)发现了采场围岩中存在由大量力链组成的力链体系,力链能承受较大的法向外力,法向力越大则力链越稳定,能承受的切向作用力较小,超过其切向载荷极限时力链发生断裂。(2)首次采用离散元颗粒物质方法对采场围岩力链的分布特征及时空演化规律进行了模拟研究,发现随着工作面开挖,工作面周围力链集中程度不同,上下隅角及工作面前后方煤壁内侧处力链明显强于其他位置,采空区内为力链强度降低区。(3)随着工作面的推进,在走向和倾向方向剖面上都形成了强力链束组成的力链拱,在整个采场上覆岩层中形成了类似“椭球体”的由强力链束构成的宏观应力壳,应力壳为上覆岩层的主要承载力系,应力壳内的力链强度大于壳外的力链强度,且应力壳随着工作面的推进而不断演化。应力壳主要力学特征为壳体中的力链强度最大,壳体内外的力链强度相对较低。2.基于矩张量理论,揭示了力链与声发射的时-空-强响应规律基于矩张量理论,采用数值模拟与实验室实验的方法对轴向加载条件下岩石试件的宏观与细观破坏特征、力链演化规律、裂隙演化规律、力链与声发射响应规律等方面进行了研究,揭示了力链与声发射的时-空-强响应规律。主要结论如下:(1)颗粒物质内部形成的强力链呈“树根状”形态分布,在轴向应力作用下,强力链方向受控于应力加载的方向,进一步揭示了强力链的集中为采场围岩中宏观应力壳形成的力学本质。(2)岩石受载过程中内部力链数量与形成力链强度呈负相关,揭示了岩石材料裂隙形成与扩展的根本原因为力链集中造成的断裂与失稳。(3)基于矩张量理论,将岩石试件单轴压缩状态下对应的声发射响应分为微弱阶段、稳定阶段、稳定增强阶段、急剧增强阶段及峰值阶段,展现了各阶段声发射的空间分布形态和强度。(4)力链、裂隙与声发射在时间上呈现同步性,空间上呈现同区域性,强度上呈现一致性。岩石内部裂隙及声发射现象产生的力学本质是外力作用后材料内部力链发生了转移、转化、断裂和重构。在轴向应力加载条件下,力链断裂失稳释放的能量使得力链上的煤岩颗粒发生失稳偏离,致使力链受到破坏,产生损伤形成微裂隙,部分未被吸收的能量释放出来形成声发射现象。3.基于声发射的不同岩性力链关键物理信息获取为了获得能够表征不同岩性的力链关键物理信息,对采场上覆相同岩性、不同岩性岩石进行声发射实验,对比分析了声发射一般特征值和主频特征规律,获得了不同岩性的力链关键可测物理信息。主要结论如下:(1)同一岩性不同岩石试件的声发射幅值和能量等特征值随着应力的加载,呈现了相似的规律,不同岩性的同一声发射特征值随载荷加载过程中的演化规律相似,但特征值大小不同,表明声发射幅值和能量等特征值并不能作为区分上覆岩层不同岩性的信息。(2)采用快速傅里叶变换方法对实验中获得的声发射波形数据进行变换,提取出了不同岩性岩石的主频值。采用归一化方法对主频值进行处理获得了谢桥煤矿各种岩性岩石的主频值分别为:细砂岩300 KHz、粉砂岩95 KHz、中砂岩245KHz、灰岩130 KHz、岩浆岩310 KHz及原煤88 KHz。确定了以声发射主频值作为不同岩性岩石力链特征的关键物理信息。4.揭示了组合岩体剪切条件下力链关键物理信息的特征,实现了力链关键可测物理量的定量描述。采用数值模拟和实验室实验方法对软硬互层组合岩体的剪切破断机制、表面应变场演化及力链失稳致灾等方面的分析,揭示了组合岩层加载过程中的力链机制,定量描述了力链关键可测物理量的特征。主要结论如下:(1)采用数字散斑和数值模拟方法揭示了组合岩体的剪切破断规律。组合岩体剪切加载过程中首先在软岩层发生破坏,其次为较薄硬岩层,最后为硬厚岩层。软岩层的存在一方面缓和了组合岩体破坏造成的冲击性,另一方面也使组合岩层的破断规律更加复杂。(2)组合岩体剪切条件下力链与裂隙的形成与演化呈相互促进效应,组合岩体承受剪切载荷形成内部力链局部集中,导致裂隙的产生,而裂隙的产生引起力链进一步集中,揭示了采场上覆岩层剪切破断失稳的力链机制。(3)组合岩体剪切实验过程中,岩层主频值保持不变,随着应力的增加主频值对应的幅值出现小幅波动,整体保持稳定,但岩层力链断裂失稳时主频值对应的幅值数量级突然增大。揭示了主频值对应幅值的演化规律,确定了主频值对应的幅值为力链关键可测物理量。