煤炭顶板类型是什么

华北晚古生代陆表海盆地形成广阔的聚煤区域，本次主要以山东的兖州煤田、巨野煤田的龙固井田为例，结合前人研究成果 ( 主要是安徽地区等) ，分析华北地区主采煤层顶板结构类型及其特点。

3.6.1 兖州煤田

3.6.1.1 顶板类型

兖州煤田山西组为浅水三角洲沉积序列，第 3 层煤就是在三角洲平原上聚积形成的。顶板的沉积层序可概化为向上变细层序、向上变粗层序和粗细相间层序，对应的顶板岩体沉积组合关系可分为下硬上软型、下软上硬型和复杂型 3 类。

( 1) 向上变细的层序———下硬上软型顶板

这种类型主要是在以河流作用为主的三角洲平原环境下形成的沉积层序。从下向上，由砂岩 - 粉砂岩 - 砂、泥岩互层 - 泥岩构成。顶板岩体强度由下往上迅速降低，中间存在明显的沉积弱面。由于河道砂岩横向上多呈透镜状，在砂体下两侧大都为泥岩，并随砂岩变薄尖灭，泥岩厚度逐渐加厚。砂岩与泥岩交界面常由于在成岩作用过程中产生的差异压实作用而产生滑面和纵向节理，从而使岩体强度降低，给支护带来一定的困难。

研究区东滩矿补 34 号孔 3上煤层顶板岩层组合为下硬上软型顶板 ( 图3.10) ，由下往上主要包括分流河道、泥炭沼泽、分流间洼地、决口扇及泛滥平原、堤外越岸沉积组合，具有明显向上变细的半韵律粒度结构，岩相变化快，砂体中层理发育，类型丰富。

东滩矿补 16 号孔 3上煤层顶板岩层组合也属于下硬上软型顶板 ( 图3.11) ，由下往上主要包括分流间湾、分流河道、天然堤相，具有明显的旋回构造。层序底部有大型波状层理和交错层理，上部为水平交错层理。整个层序的底部具明显的冲刷构造，冲刷面常沉积为粗砂岩和中砂岩，向上沉积粉砂岩、泥岩和粘土岩，层理构造规模及层厚均有向上递减的趋势。

岩体工程性质与沉积环境存在着密切的关系，在分流河道内沉积的中砂岩与细砂岩形成于较高能量的沉积环境，总体上岩石的粘土含量较少，粒度以砂级为主，经成岩胶结后具有相当高的力学强度。同时在不同的河道深度上，水动力条件也有差异，即由下向上，水动力条件逐渐减弱，底部堆积含泥质包裹体、植物茎干及碎片和粒度较粗的沉积物，粘土质较少，原生孔隙较为发育，在成岩过程中化学胶结物往往难以完全充填胶结这些原生孔隙，成岩后尚存在较大的孔隙度而呈半充填型式，因此在分流河道层序中相对上部的砂岩而言，底部砂岩力学强度有所降低而在分流河道的中上部，水力条件较强，粘土杂质较少，并且具有较好的分选性，原生孔隙度适中，在成岩过程中化学胶结物可以较好地胶结充填这些孔隙，因此，整个沉积层序下部即分流河道相的中上部砂岩具有相当高的力学强度，向上至顶部，由于水动力减弱，水位变化等影响，以悬浮载荷沉积作用为主。因此，岩石体力学强度低。上部岩层沉积在分流间洼地、决口扇以及泛滥平原地区，砂泥岩粒度较细，一般为粉砂岩、黏土岩及粉泥或粉细砂岩互层沉积，水动力条件相对较弱，粘土杂质含量明显增加，力学性质有下降的趋势。

图3.10 东滩补 34 号孔煤层顶板组合特征 ( 下硬上软型)

图3.11 东滩补 16 号孔顶板岩层组合型式 ( 下硬上软型)

下硬上软型顶板，在采动过程中顶板稳定性极好，但易造成大面积冒顶事故，需采用特殊方法控制和管理。

( 2) 向上变粗层序———下软上硬型顶板

这种类型主要形成于三角洲平原沉积环境，如大型决口扇和分流间泛滥平原沉积，发育较好的三角洲沉积体系。从下向上粒度逐渐增大，因而沉积物的岩性及结构在垂直层序上具有下细上粗的特征，如煤田内鲍 2002 - 2 号孔煤层顶板组合为下软上硬型 ( 图3.12) 。煤层顶板沉积层序下部为泥炭沼泽、分流间洼地、决口扇三角洲以及分流间泛滥平原，上部为分流河道相及分流间洼地，整体为向上变粗的沉积层序。岩体工程性质由下向上有增高的趋势。

由于沼泽沉积中有大量的植物根茎，炭质含量高，破坏了沉积物的原始结构。定向排列的植物碎片、碎屑化石及镜煤条带形成大量的沉积软弱结构面，使岩体力学强度有所降低。沼泽相之上的泥岩、粉砂岩均形成于较弱的水动力条件，为低能静水环境，以悬浮载荷的沉积作用为主，发育水平层理或波状交错层理，因此岩体工程性质强度低，上部主要为分流河道相砂岩，岩体工程力学性质迅速增高。这类顶板为下软上硬型沉积组合结构，是一种顶板管理条件最为理想的类型 ( 图3.12) 。

下软上硬型顶板，符合岩层发育的一般规律，在采动过程中为比较理想的组合型式，通常要根据顶板下部软质岩石的厚度即直接顶和采高来控制和管理顶板。

( 3) 粗细相间层序———复杂型顶板

这类组合主要形成于越岸沉积、分流间湾和大型决口扇环境，与分流河道相沉积伴生，分布于分流河道的一侧或两侧，其沉积均以灰白色中细粒石英砂岩与深灰色粉砂质泥岩及互层为特征。砂岩中见小型交错层理和波状交错层理 ( 图3.13) 。

复杂型顶板沉积层序由下向上沉积有分流间洼地、分流河道、决口扇、分流间泛滥平原、堤坝等 ( 图3.13) 。沉积形成复杂型顶板时，水动力条件起决定作用。砂泥岩互层形成于水动力强弱交替、变化频繁且剧烈的环境，使得沉积物在成分和结构上产生不均一性和交互性，沉积软弱结构面发育。此外，在较厚的泥岩中往往发育一层或数层炭质页岩或薄煤层。在细砂岩沉积层中局部发育裂隙，充填方解石脉，底部具大型槽状交错层理，具冲刷结构。

顶板岩体沉积组合结构对顶板稳定性产生很大影响。复杂型顶板，从本质上讲，主要有两种组合型式:

1) 煤层顶板由下向上硬度不同，岩性岩层在垂向上旋回变化，因此岩层内层理面发育，类型丰富，分层厚度小，顶板易产生弯曲变形 ( 图3.14) 。

2) 软硬岩层间夹有煤线或薄弱软岩层，形成一软弱结构面，构成复合关系。由于薄顶煤层及其下伏含植物根的粘土岩力学强度小，在采动过程中沿此层易于产生离层冒落。因此，这类顶板稳定性差，管理困难 ( 图3.15) 。

图3.12 鲍 2002 -2 号孔煤层顶板组合 ( 下软上硬型)

图3.13 南屯丁 18 号孔煤层顶板组合 ( 复杂型)

图3.14 东滩 6 -2 号孔煤层顶板组合 ( 复杂型)

图3.15 东滩补 27 号孔煤层顶板岩性组合 ( 复杂型)

3.6.1.2 煤层顶板沉积特征横纵对比

由于煤层顶板沉积岩层形成于不同的时期，因此在横向和纵向上均有变化。

( 1) 顶板岩性分布特点研究区内顶板岩层岩性可以分成两种类型，一类是性质较软弱的泥岩，包括粘土岩、泥岩、粉砂岩以及粉砂质泥岩和泥质粉砂岩等另一类是性质较坚硬的砂岩，包括砾岩、粗砂岩、中砂岩、细砂岩以及相互间的夹层和它们之间的过渡岩性等。

对两类岩层砂岩和泥岩厚度进行统计，分别作出了泥岩厚度等值线图、砂岩厚度等值线图和砂泥比等值线图( 图3.16 至 3.18) ，用来分析岩性在整个兖州煤田的分布规律。

从图3.16 中可以看出兖州煤田内泥岩厚度变化呈近似椭圆状的圈层向外围增厚。特别是在鲍店矿区，中部泥岩厚度较薄，最小值为14.94m ( 鲍3 孔) ，四周向外厚度均有增大的趋势，最大值 60.93m ( 鲍补 15 孔) 。泥岩统计厚度较大的数据还有 60.11m ( 鲍补20 孔) 、50.06m ( 鲍 17 孔) 、50.85m ( 鲍 88 - 5 孔) 、58.08m ( 鲍 1 孔) 。

图3.16 泥岩厚度等值线 ( m) 图

泥岩厚度比较集中的区域，煤层顶板统计厚度的岩层主要由泥岩组成，只有少量粉砂岩和细砂岩的夹层存在。平面上泥岩厚度展布似盆形，中心厚度小，四周厚度大。南屯矿区内存在一个泥岩厚度增高区，最大值为 55.72m ( 231 孔) ，向外泥岩厚度逐渐变薄，最小值为5.58m ( 南补26 孔) ，形态表现似穹窿状。总体上泥岩厚度在整个矿区内呈有规律的带状变化，穿越井田中心大致北东 - 南西向存在一条泥岩薄层带，向两侧泥岩厚度均有所增加，但再向西北及东南方向延伸，泥岩厚度又变薄。

图3.17 砂岩厚度等值线 ( m) 图

砂岩在兖州煤田 3上煤层顶板岩层中的展布规律不如泥岩明显 ( 图3.17) ，但还是可以看出砂岩在全区内有两条贯穿南北、断续分布的厚度增高带，分别位于矿区的东西两侧，且中部零星分布有穹状砂岩增厚区。南部丁 65 号孔砂岩厚度为 53.91m，南补 21 号孔砂岩厚 53.02m，均为砂岩厚度较大区域。向北到东滩井田补 13 号孔砂岩厚 56.78m，东补 14 号孔砂岩厚 55.41m，东补 12 号孔砂岩厚 45.43m。再往北程 18 号孔砂岩厚40.14m，兴 56 号孔砂岩厚 42.95m，兴 49 号孔砂岩厚 48.03m。鲍店矿区内鲍 3 号孔砂岩厚 51.08m，向周围厚度逐渐减小。

砂岩厚度和泥岩厚度变化可以通过图3.16 和图3.17 进行观察对比，分析全区的岩性、岩相变化规律。泥岩厚度变化 ( 图3.16) 与砂岩分布 ( 图3.17) 进行对比，可以看出在泥岩厚度增大的区域，砂岩厚度逐渐减小，而砂岩厚度明显增大的区域，泥岩厚度则相对降低。

图3.18 砂泥比等值线图

图3.18 由砂/泥统计数据编制而成，结合图3.17 和图3.16，可以看出，矿区南部即南屯井田中部，砂泥厚度比值由外围向中心逐渐增大，如南补 26 号孔和丁 65 号孔砂泥比值分别为 6.20 和 5.53，表明本区砂岩最大厚度是泥岩厚度的 5～ 6 倍之多。东滩井田中部，也有一个比值较大的区域，如东补13、14 号孔统计砂泥比值分别为8.16 和9.22，表明这一区域砂岩厚度是泥岩厚度的 8～9 倍。另外在鲍店井田内也有一个砂岩较厚的区域，比值在 3 左右。

( 2) 煤层顶板岩性岩相横向对比

由于不同的沉积环境形成不同的岩层，因此横向上各环境单元也表现出明显的差异性。根据钻孔统计数据和岩性描述特征，在整个矿区进行横向比较，对顶板岩层厚度及岩性相变的过程进行分析研究。

图3.19 主要反映兖州煤田 3上煤层顶板在横向上岩性由泥岩相变为砂岩，再由砂岩逐渐相变为泥岩的横向变化，顶板岩层厚度起伏明显，即使为同一层泥岩或砂岩横向上比较也有很大差异。

如鲍 4 号孔 3 煤层之上直接顶为薄层粉砂岩，到东补 33 号孔相变为粉细砂岩互层，还有薄层泥质岩夹层，至东 15 号孔相变成泥岩，再至东 12 号孔和东 7 号孔又相变为粉砂岩。

直接顶上部一般出现厚层的中砂岩老顶。从鲍 4 号孔直接顶上部为厚层中砂岩，到鲍5 号孔相变为厚层细砂岩，至鲍 44 号孔为厚层中砂岩，东 15 号孔出现厚层中砂岩夹一薄层粉砂岩，东 12 号孔相变为粉细砂岩互层，东 7 号孔出现厚层粗砂岩和中砂岩互层以及薄层细砂岩和中砂岩互层，东2 号孔见细砂岩、中砂岩与粉砂岩互为夹层状薄层产出。

老顶之上为 2 煤层底板，鲍 4 号孔沉积为薄层粉砂岩 - 泥岩的组合方式，鲍 5 号孔出现厚度增大的粉砂岩，鲍 44 号孔为粉砂岩及较厚的泥层组合，东 12 号孔由下向上有粉砂岩、泥岩、细砂岩和粉砂岩的组合型式，东 7、东 2 号孔又相变为粉砂岩、泥岩的组合型式。

再向上一层为 2 煤层，全区基本稳定，厚度在不同地方有所变化。

2 煤层之上，泥岩、粘土岩厚度明显增加，特别在鲍 44 号孔、东补 33 号孔、东 15号孔都有厚层泥岩、粘土岩出现，整体上表现出岩体力学性质低的特点。

由于岩性、岩相全区变化，因此岩体表现出不同的工程地质性质。厚层砂岩且粒度较粗的岩体较稳定发育粉砂岩、泥岩或有软弱夹层的岩体工程地质性质相对较弱，由此可以对全区进行横向对比研究。

3.6.1.3 煤层顶板沉积分区

( 1) 3上煤层顶板岩性分区

根据钻孔统计数据，每个钻孔按顶板研究厚度分别计算出泥岩、粘土岩、砂质泥岩以及煤线的厚度总和，粉砂岩和细砂岩、粉细砂岩互层的厚度总和，中砂岩和粗砂岩的厚度总和，然后比较 3 个数据大小，记录其中最大者，以此作为每个钻孔的顶板岩性主体，划分顶板岩性分区 ( 图3.20) 。

图3.19 3煤层顶板岩性横向对比

图3.20 3上煤层顶板岩性分布

图3.20反映了3上煤层顶板岩性分布特点，可以看出顶板以泥岩为主的分区呈零星状展布，面积较小，全区均有分布，局部集中。顶板以中粗砂岩为主的区域，呈近似条状断续分布，北部面积较大，中部和南部呈窄条带状。其余面积煤层顶板以细砂岩和粉砂岩为主体，约占全区的50%，说明井田大部分区域从岩性上判断属比较稳定型。

(2)3上煤层顶板岩性组合类型分区

统计3上煤层直接顶岩性与第一层老顶砂岩之间的组合关系，把顶板岩层组合类型分为老顶与煤层直接接触、煤层-泥岩-老顶组合、煤层-粉细砂岩-老顶组合、煤层-泥岩-粉细砂岩-老顶组合、煤层-粉细砂岩-泥岩-老顶组合等类型。按照各钻孔统计的岩性组合不同，绘出顶板岩性组合分区图(图3.21)。

图3.21主要反映3煤层上部直接顶岩性与老顶岩层的组合关系，本区直接顶与老顶岩层组合可分为5种类型。

1)老顶直接位于煤层之上，这种类型主要位于兖州煤田北部兴隆庄井田内，南部有小面积出现，约占井田面积的15%。老顶砂岩厚度较大，具有很高的力学强度，只有受到较强的动力地质作用时，老顶砂岩的稳定情况才会受到影响，一般较小作用对顶板稳定性影响微弱。所以这类顶板在工程地质上属最稳定顶板。但由于采后应力集中，常发生大面积塌顶，因此采后需要特殊的治理措施控制顶板。

图3.21 3上煤层顶板岩层组合分区

2)粉砂岩、细砂岩-老顶组合型式，指煤层之上有数层较薄的粉砂岩和细砂岩岩层，之上为一厚层老顶砂岩。这样的顶板组合型式全区均有分布，且整体上集中，约占井田面积的35%左右。这类顶板是比较稳定的类型，老顶下部的细砂岩、粉砂岩直接顶具有一定的力学强度，在不考虑其他方面因素的影响时，这种组合方式一般是稳定的，但实际情况往往很复杂，岩层中常有裂面、节理等结构面存在，使岩层的稳定情况大不相同。直接顶板岩层不太厚时常因采动影响而垮落下来，给顶板的稳定分析带来一定的难度。

3)泥岩-粉砂岩-老顶组合型式指直接顶由泥岩和粉砂岩构成，上部与厚层砂岩老顶相接。这类顶板类型主要在矿区北部和中部较集中，一般呈连续带状，约占全区面积的25%。此类顶板属于较不稳定类型，直接顶岩性工程性质很低，随采随落，如果老顶强度不够大，有可能随直接顶一起冒落，造成整个顶板的失稳。

4) 粉砂岩 - 泥岩 - 老顶组合与泥岩 - 粉砂岩 - 老顶组合型式性质类似，岩体工程性质较低，属较不稳定顶板组合类型。仅在煤田东部成窄条带状分布，约占全区面积的 5%左右。

5) 泥岩 - 老顶组合型式指 3上煤层之上为泥岩和厚层老顶砂岩组合，当泥岩很薄时被称为伪顶，如果泥岩有一定的厚度，则归为直接顶。这种类型的顶板是最不稳定的，泥岩的工程性质很低，随煤层向前开采，直接顶泥岩失稳，垮落下来，破坏顶板岩层原有的平衡状态，常产生顶板冒顶事故。

3.6.2 巨野煤田龙固井田

3.6.2.1 顶板类型

巨野煤田龙固井田山西组煤层形成于三角洲平原环境，为浅水三角洲沉积序列，第 3层煤就是在三角洲平原上聚积形成的。顶板的沉积层序可概化为向上变细层序、向上变粗层序和粗细相间层序，对应的顶板岩体沉积组合关系可分为下硬上软型、下软上硬型和复杂型 3 类。

( 1) 向上变细层序———下硬上软型顶板

主要为在以河流作用为主的三角洲平原环境下形成的沉积层序。从下向上，由砂岩 -粉砂岩 - 砂、泥岩互层 - 泥岩构成。顶板岩体力学强度由下往上迅速降低，中间存在明显的沉积弱面。由于河道砂岩体横向上多呈透镜状，在砂体下两侧大都为泥岩，并随砂岩变薄尖灭，泥岩厚度逐渐加厚。砂岩与泥岩交界面常由于在成岩作用过程中产生的差异压实作用而产生滑面和纵向节理，从而使岩体强度降低，给支护带来一定的困难。

研究区 L -1 号孔 3 煤层顶板岩层组合为下硬上软型顶板 ( 图3.22) ，由下往上主要包括分流间湾、分流河道、天然堤、决口扇及泛滥平原沉积组合，具有明显的向上变细的半韵律结构，岩相变化快，砂体中层理发育，类型丰富。层序底部有大型板状交错层理和槽状交错层理，上部为水平层理。整个层序的底部具明显的冲刷构造，冲刷面常沉积为粗砂岩和中砂岩，向上沉积粉砂岩、泥岩和粘土岩，层理构造规模及层厚均有向上递减趋势。龙固 L -12 号孔 3 煤层顶板岩层组合亦属于下硬上软型顶板 ( 图3.23) ，由下往上主要包括分流间湾、分流河道、天然堤、决口扇及分流间洼地沉积组合，具有明显的旋回构造。岩相变化快，砂体常呈透镜体产出，层理发育，类型丰富。

岩体工程性质与沉积环境存在着密切的关系，在分流河道内沉积的中砂岩与细砂岩形成于较高能量的沉积环境，总体上岩石的粘土含量较少，粒度以砂级为主，经成岩胶结后具有相当高的力学强度。同时在分流河道沉积环境中，不同的河道深度水动力条件也有差异，即由下向上水动力条件逐渐减弱，底部堆积了含泥质包裹体、植物茎干及碎片和粒度较粗的沉积物，粘土质较少，原生孔隙较为发育，在成岩过程中化学胶结物往往难以完全充填胶结这些原生孔隙，成岩后尚存在较大的孔隙度而呈半充填型式，因此在分流河道层序中相对上部的砂岩而言，底部砂岩力学强度有所降低而在分流河道的中上部，水力条件较强，粘土杂质较少，并且具有较好的分选性，原生孔隙度适中，在成岩过程中化学胶结物可以较好地胶结充填这些孔隙，因此，整个沉积层序下部即分流河道相的中上部砂岩具有相当高的力学强度，向上至顶部，由于水动力减弱、水位变化等影响，以悬浮载荷沉积作用为主。因此，岩石体力学强度低。上部岩层沉积在分流间洼地、决口扇以及泛滥平原地区，砂泥岩粒度较细，一般为粉砂岩、粘土岩及粉泥或粉细互层沉积，水动力条件相对较弱，粘土杂质含量明显增加，力学性质有下降的趋势。

图3.22 龙固矿 L -1 号孔煤层顶板组合特征 ( 下硬上软型)

图3.23 龙固矿 L -12 号孔煤层顶板沉积组合特征 ( 下硬上软型)

下硬上软型顶板，在采动过程中顶板稳定性极好，但易造成大面积冒顶事故，需采用特殊方法控制和管理。

( 2) 向上变粗层序———下软上硬型顶板

这种类型主要形成于三角洲平原沉积环境，如大型决口扇和分流间泛滥平原沉积，发育较好的三角洲沉积体系。从下向上粒度逐渐增大，因而沉积物的岩性及结构，在垂直层序上具有下细上粗的特征，如 L -2 号孔煤层顶板组合为下软上硬型 ( 图3.24) 。煤层顶板沉积层序下部为泥炭沼泽相、分流间洼地及分流间湾相，上部为分流河道相及分流间泛滥平原，整体为向上变粗的沉积层序。岩体工程性质由下向上有增高的趋势。

由于沼泽沉积中有大量的植物根茎，炭质含量高，破坏了沉积物的原始结构。定向排列的植物碎片、碎屑化石及镜煤条带，形成大量的沉积软弱结构面，使岩体力学强度大大降低。沼泽相之上的泥岩、粉砂岩均形成于较弱的水动力条件，一般为低能静水环境，以悬浮载荷的沉积作用为主，发育水平层理或波状交错层理，因此岩体力学强度低，上部主要为分流河道相砂岩，岩体工程力学性质迅速增高。

下软上硬型顶板，符合岩层发育的一般规律，在采动过程中为比较理想的组合型式，通常要根据顶板下部软质岩石的厚度即直接顶和采高来控制和管理顶板。

( 3) 粗细相间层序———复杂型顶板

这类组合主要形成于越岸沉积、分流间湾和大型决口扇环境，与分流河道相沉积伴生，分布于分流河道的一侧或两侧，其沉积均以灰白色中细粒石英砂岩与深灰色粉砂质泥岩及互层为特征。砂岩中见小型交错层理和波状交错层理。

复杂型顶板沉积层序由下向上沉积有分流间洼地、分流河道、决口扇、分流间泛滥平原等 ( 图3 -25) 。沉积形成复杂型顶板时，水动力条件起决定作用。砂泥岩互层形成于水动力强弱交替、变化频繁且剧烈的环境中，使得沉积物在成分和结构上产生不均一性和交互性，沉积软弱结构面发育。此外，在较厚的泥岩中往往发育一层或数层炭质页岩或薄煤层。在细砂岩沉积层中局部发育裂隙，充填方解石脉，底部具大型槽状交错层理，具冲刷结构。

顶板岩体沉积组合结构对顶板稳定性产生很大影响。复杂型顶板，从本质上讲，主要有两种组合型式:

1) 煤层顶板由下向上硬度不同，岩性岩层在垂向上旋回变化，因此岩层内层理面发育，类型丰富，分层厚度小，顶板易产生弯曲变形 ( 图3.26) 。

2) 软硬岩层间夹有煤线或薄弱软岩层，形成一软弱结构面，构成复合关系。由于薄顶煤层及其下伏含植物根的粘土岩力学强度小，在采动过程中沿此层易于产生离层冒落。因此，这类顶板稳定性差，管理困难 ( 图3.25) 。

3.6.2.2 煤层顶板结构分区

( 1) 龙固井田 3 煤顶板岩性分区

根据钻探、测井资料和物探解释结果，确定煤层顶板岩性空间展布，划分顶板岩性分区 ( 图3.27) 。

图3.24 龙固矿 L -2 号孔煤层顶板沉积组合特征 ( 下软上硬型)

图3.25 龙固 144 号孔煤层顶板组合 ( 复杂型)

图3.26 龙固 G -40 号孔煤层顶板岩性组合 ( 复杂型)

图3.27 龙固井田 3 煤顶板岩性分布图

由图3.27 可以看出，龙固井田 3 煤层顶板以泥岩为主的地区呈条带状连续分布，中南部面积较大，北部南北窄条带状分布，面积较小顶板以中粗砂岩为主的区域也以条带状分布在井田的中部和南部，面积较小其余地区煤层顶板以细砂岩和粉砂岩为主，约占全区的 60%，说明全区大部分区域从岩性上看属于比较稳定区域。

( 2) 龙固井田 3 煤顶板岩性组合类型分区

统计 3 煤层直接顶岩性与第一层老顶砂岩之间的组合关系，把顶板岩层组合类型分为: 老顶与煤层直接接触、煤层 - 泥岩 - 老顶组合、煤层 - 粉细砂岩 - 老顶组合、煤层 -泥岩 - 粉细砂岩 - 老顶组合、煤层 - 粉细砂岩 - 泥岩 - 老顶组合等类型。按照各钻孔统计的岩性组合不同，绘出顶板岩性组合分区图( 图3.28) 。

图3.28 龙固井田 3 煤层顶板岩层组合分区图

图3.28 主要反映 3 煤层上部直接顶岩性与老顶岩层的组合关系，本区直接顶与老顶岩层组合可分为 5 种类型。

Ⅰ.老顶直接位于煤层之上，这种类型主要位于井田东部，呈条带状出现，出现面积较大，约占井田面积的 20%左右，老顶砂岩厚度较大，具有很高的力学强度，只有受到较强的动力地质作用时，老顶砂岩的稳定情况才会受到影响，一般较小作用对顶板稳定性影响微弱。所以这类顶板在工程地质上属最稳定顶板。但由于采后应力集中，常发生大面积塌顶，因此采后需要特殊的治理措施控制顶板。

Ⅱ.粉砂岩、细砂岩 - 老顶组合型式，指煤层之上有数层较薄的粉砂岩和细砂岩岩层，之上为一厚层老顶砂岩。这样的顶板组合型式主要分布在井田西部，井田北部和东南部小面积出现，约占井田的 25%左右。这类顶板是比较稳定的类型，老顶下部的细砂岩、粉砂岩直接顶具有一定的力学强度，在不考虑其他方面因素的影响时，这种组合方式一般是稳定的，但实际情况往往很复杂，岩层中常有裂面，节理等结构面存在，使岩层的稳定情况大不相同。直接顶板岩层不太厚时常因采动影响而跨落下来，给顶板的稳定分析带来一定的难度。

Ⅲ.泥岩 - 粉砂岩 - 老顶组合型式指直接顶由泥岩和粉砂岩构成，上部与厚层砂岩老顶相接。这类顶板类型主要在矿区中部呈连续带状出现，东北部也有部分出现，约占全区面积的 25%。此类顶板属于较不稳定类型，直接顶岩性工程性质很低，随采随落，如果老顶强度不够大，则有可能随直接顶一起冒落，造成整个顶板的失稳。

Ⅳ.粉砂岩 - 泥岩 - 老顶组合与泥岩 - 粉砂岩 - 老顶组合型式性质类似，岩体工程性质较低，属较不稳定顶板组合类型。仅在煤田南部零星出现，约占全区面积的 5%左右。

Ⅴ.泥岩 - 老顶组合型式，指 3 煤层之上以泥岩和厚层老顶砂岩组合，当泥岩很薄时被称为伪顶，如果泥岩有一定的厚度，则归为直接顶。这种类型的顶板是最不稳定的，泥岩的工程性质很低，随煤层向前开采，直接顶泥岩失稳，垮落下来，破坏顶板岩层原有的平衡状态，常产生顶板冒顶事故。

1、顶板

根据顶板在煤层开采中垮落的难易程度及其与煤层的相对位置，将顶板分为伪顶、直接顶、老顶三种类型。

①伪顶：直接位于煤层之上的较薄岩层，极易破碎垮落，随采随落。一般多为炭质泥岩、页岩等，厚度几厘米到几十厘米。

②直接顶：位于伪顶之上或直接位于煤层之上的一层或几层岩层，一般由砂质页岩、泥岩、粉砂岩等比较容易垮落的岩层组成。通常在采动后随支护回收自行垮落，有时需要人工放顶。

③老顶：位于直接顶之上或直接位于煤层之上的厚而坚硬的岩层，一般由砂岩、砾岩、石灰岩等坚硬岩层组成。在采空区可悬挂较长时间不垮落，只发生缓慢的下沉弯曲变形。

2、底板

根据底板性质及与煤层的位置关系分为直接底和老底两种类型。

①直接底：直接位于煤层之下，强度较低的岩层。一般由泥岩、炭质页岩、粘土岩等组成，厚度多为数十厘米，有的遇水易膨胀，会发生底鼓现象。

②老底：位于直接底之下或直接位于煤层之下，一般由比较坚硬的砂岩、石灰岩等组成，对支护的支撑力较强。

煤层顶、底板的发育程度，受当时的沉积作用和后期构造变动的影响，不同地区的煤层顶、底板性质和发育程度不同，同一地区的同一煤层顶、底板性质和发育情况也存在变化。在矿井生产中，应及时根据顶、底板性质变化采取措施，防止发生事故，影响矿井生产。

2.1.1 ( 1981 年煤炭工业部颁布) 煤层顶板分类规范

中国煤炭科学院北京开采研究所、中国矿业大学等 34 个单位，根据 350 个工作面的矿山压力观测资料，于 1981 年提出了 《缓倾斜煤层工作面的顶板分类方案》。这一方案被煤炭工业部采用为部颁试用方案。其分类依据是由岩石单轴抗压强度 Rc、节理裂隙间距 b、分层厚度 h 综合而成的强度指标 D。此外，再用直接顶初次垮落步距 L 作为参考指标进行检验。根据对350 个回采工作面的观测统计，按稳定性不同将直接顶分为4 类 ( 表2.1 至表2.3) 。

测定岩石单抽抗压强度 Rc的岩样可取老顶，制作成直径为 48～ 56mm，高径比为1.8～ 2.2 的试样，然后按煤炭工业部部颁标准在实验室测定。

节理裂隙间距 b 以在巷道内肉眼可见的最发育的一组构造裂隙为准。用测定有代表性的 10～15 个观测数据的平均值作为计算指标。

分层厚度 h 指的是不同岩性的岩层间和同一岩性内沿层面间距。可在巷道控顶区观测统计有代表性的 10～15 个数据，用其平均值作为分类的计算指标。

直接顶初次垮落步距 L 是当冒高在 -1.5m 以上、范围占全长度 1/2 以上时面切顶线到开切眼煤壁之间的距离。

如果工作面长度 l 与步距 a 之比小于 3，则可采用等效步距 a' = la/( l + a) 作为分类的参考指标。老顶的分级主要采取直接厚度和采高的比值Km=Σh/m，并参照老顶初次来压步距L，可将老顶分为4级(表2.4)。

表2.1 煤炭工业部部颁试用方案中煤层直接顶分类指标

注:D为强度指标，D=RcC1C2。其中，Rc为岩石单轴抗压强度(MPa)C1为节理影响系数C2为分层厚度影响系数。C1值可按测量所得到的节理裂隙间距b，然后套表2.2得出C2值可按所测得的分层厚度h套表2.3得出。

表2.2 b与C1值的关系

表2.3 h和C2值的关系

表2.4 煤炭工业部部颁试用方案中煤层老顶分级指标

2.1.2 ( 1996 年煤炭工业部颁布) 煤层顶板分类规范

( 1) 分类的原则和意义

顶板分类系统是为解决地下工程支护问题而建立的，是经验设计法的一个组成部分，在许多地下结构及采矿设计中，岩体分类已经提供了唯一的系统设计方法，取代了很不可靠的 “误差与验证”方法，成为指导生产实践的有力武器。本分类工作主要遵从了以下几个主要原则:

1) 以煤炭工业部部颁 《缓倾斜煤层采煤工作面顶板分类》 ( 以下简称 《顶板分类》)为指导

2) 将区域的顶板岩体按相似变形特征分成若干组，构成不同的等级类型

3) 分类反映顶板岩层的主要特征、识别并提供影响顶板强度及稳定性的最显著指标，对其进行细化和量化，具有可比性

4) 把顶板分类级别和各项采掘支护参数指标相联系，使分类具有实用性和可操作性。

通过分类可以为现场工程设计提供定量依据，增强不同区域岩体的对比度，进一步提高现场调查的可靠性，更好地服务工程判断。

( 2) 分类方法及几个主要特点

1996 年 8 月经原煤炭工业部批准，颁布了新的 《顶板分类》 行业标准，并于 1997 年2 月 1 日正式实施。在新标准中，规定了缓倾斜采煤工作面直接顶稳定性分类为 1 类至 4类，及基本顶压力显现为Ⅰ级至Ⅳ级，直接顶分类数据指标为同一煤层采煤工作面直接顶初次垮落步距的平均值 Iv以及以岩性和结构特征做参考要素。基本顶来压级别以基本顶初次来压当量 Pe作为分级指标，按下列公式计算:

煤层顶板稳定性评价、预测理论与方法

式中:Pe———基本顶初次来压当量，kN/m2

Lf———基本顶初次来压步距，m

N———直接顶充填系数(直接顶厚度与煤层采高之比)

hm———煤层采高，m。

该方案较1981年的标准有更好的可操作性和灵活性。方案中关键参数基本顶初次来压步距Lf依赖于矿压实测结果，同时，在工作面支架工作阻力确定方面反映不够直接，特别是在大采高和放顶煤工作面支架工作阻力的确定出现误差时会更大，不能满足工程实际的需要。

尽管顶板来压强度是由直接顶和基本顶共同作用于支架上的载荷决定的，但直接顶载荷是一种恒定载荷，基本顶载荷是伴随初次来压和周期来压而产生的波动载荷，在工作面支架载荷确定时应考虑这种恒定和波动载荷的叠加量级，因而必须考虑顶板来压强度的影响。

2.1.3 采煤过程中煤层顶板分类

井下开采煤层顶板质量取决于顶板岩石成分、结构和沉积构造以及沉积早期差异压实和后期构造作用等，由于煤层顶板岩体受沉积环境演化影响，岩性岩相在横向和纵向上变化很大。位于煤层之上一定距离的岩层都属于顶板岩石这一范畴。位于煤层上面的岩层叫煤层顶板。采矿工程技术人员根据其力学性质、冒落特征、顶板的坚硬程度和距煤层的远近通常将顶板划分为伪顶、直接顶和老顶3种(图2.1)。

图2.1 煤层顶板构成

伪顶:紧贴煤层之上，极易垮落的薄岩层，厚度一般在0.5m以下，多由松软的泥岩、炭质页岩组成。伪顶的特点是随采随落，很难保留在工作面的上方，它的力学强度极低。所以伪顶对顶板的稳定性没有任何意义。有的煤层缺失伪顶。

直接顶:是指位于伪顶之上的岩层，煤层以上无伪顶时它可紧贴煤层。通常由泥岩、页岩、粉砂岩等比较容易垮落的岩层组成，一般厚度为1～2m，均具有一定稳定性。所以当工作面煤层被采落时，直接顶不会立即垮落。多数直接顶在回柱放顶时会垮落，有的则需人工强制放顶。直接顶是采掘工作面的支护对象，如果支护得不好，就会造成冒顶事故。多为页岩、粉砂岩等较易垮落的岩层组成，具有一定的力学强度。直接顶的稳定性是影响工作面回采的关键。有的煤层之上没有伪顶也没有直接顶，仅有老顶。

老顶: 又称基本顶，是指位于直接顶之上、有一定厚度的坚硬岩层。一般厚度较大，坚硬，整体性强，常为砂岩、砾岩、石灰岩等组成，能保持一定的控顶距。其特点是回柱后不自行垮落，往往只发生缓慢下沉。它也可能紧贴煤层之上。基本顶在采空区上方悬露到一定面积后才能垮落，一般只发生缓慢下沉。如果工作面支护不好，往往会造成大面积冒顶事故。因此，它对工作面顶板压力影响很大。

有的煤层上面没有伪顶。直接顶、老顶由下向上依次发育的顶板符合规律性成岩理论，这样的顶板类型简单，容易管理。三者不同时发育，或发育顺序没有一定的规律性时，顶板类型复杂，难于管理，易发生顶板事故。

从顶板管理角度和顶板岩性分析可将顶板分为易垮落的松软顶板、中等垮落顶板、难垮落的坚硬顶板、极难垮落的坚硬顶板和塑性弯曲顶板等 5 类顶板。

1) 易垮落的松软顶板: 一般是较易垮落的岩层，能随回柱垮落并能充满采空区，工作面来压比较缓和。

2) 中等垮落顶板: 直接顶为松散岩层，厚度不大，能随回柱垮落但不能充满采空区，工作面有周期来压现象。

3) 难垮落的坚硬顶板: 是直接覆盖煤层的基本顶，不能随回柱垮落。周期来压较明显，常常造成工作面条件恶化。

4) 极难垮落的坚硬顶板: 煤层之上覆盖极坚硬的厚岩层，采空区悬顶面积可达几千甚至几万平方米而不垮落，一旦垮落常会形成狂风、巨响，易造成重大事故。如大同矿务局某矿 1961 年 10 月的一次大冒顶，面积达 12.8 ×104m2。

5) 塑性弯曲顶板: 指直接顶具有一定厚度的塑性较大的坚硬岩层，回柱后不垮落而随采空面积增大呈缓慢弯曲下沉，逐渐与底板接触。

（1）伪顶：直接位于煤层之上，一般为薄层炭质页岩等软弱层组成，厚度在 0.3～0.5m 以 下，极易冒落。

（2）直接顶：直接位于煤层或伪顶之上的一层或数层岩层，常有泥质页岩、页岩、砂质泥 岩组成，厚度不等，并随回柱垮落。

（3）老顶：通常位于直接顶之上的厚而坚硬的岩层，常由砂岩、石灰岩、砂砾岩等组成， 回柱后可悬露大面积而不冒落。

就矿井顶板构造类型而言，矿井中出现的煤层顶板构造有褶皱、断裂两大基本类型，基础构造地质学所介绍的所有构造类型，在矿井中几乎都能见到。顶板构造类型主要分为两大类，详细介绍如下:

4.2.1 大、中型构造基本类型

根据控制性构造的性质，我们将大、中型构造划分为三大主体井田构造格架: 褶皱构造主体格架，断层主体格架，断层 - 褶皱或褶皱 - 断层主体格架，其基本特征见表4.1。

表4.1 矿井大、中型构造基本类型

4.2.2 小型构造基本类型

矿井中的煤层顶板小型构造具有多样性和复杂性的特点，虽然在井巷剖画中也可用正断层和逆断层命名，但其表现形式是较为复杂的，其形态往往不规则。对一些特殊型式和形态的小构造特征进行观察、测量和分析，如低角度正断层、铲状小断层、顶褶底不褶、顶断底不断、底褶顶不褶、底断顶不断、层间构造、层滑构造等。矿井小构造的基本类型和特征归入表4.2 中。

表4.2 矿井小型构造基本类型

续表

井下开采煤层顶板质量取决于顶板岩石成分、结构和沉积构造以及沉积后早期差异压实和后期构造作用等，煤层顶板岩体由于沉积环境的演化，岩性岩相在横向和纵向上变化很大。采矿工程技术人员根据其力学性质和冒落特征通常将顶板划分为 3 类，也就是前文提到的伪顶、直接顶和老顶。其中，伪顶一般是由炭质泥岩或炭质页岩组成，力学强度低，随采垮落直接顶一般由泥岩和砂质泥岩组成，具有一定的力学强度，通常能保持一定宽度的空顶而不冒落，便于支护老顶一般由厚层的砂岩组成，能保持一定的空顶距，从而使采场的空间在一定时间内保持稳定。

基于上述实践，结合多年的实践研究发现，华北地区煤层顶板组合类型多样，尤其是三角洲煤层。通过研究发现，煤层与其顶板岩层组合类型分为老顶与煤层直接接触、煤层- 泥岩 - 老顶组合、煤层 - 粉细砂岩 - 老顶组合、煤层 - 泥岩 - 粉细砂岩 - 老顶组合、煤层 - 粉细砂岩 - 泥岩 - 老顶组合等类型。

1) 老顶直接位于煤层之上。老顶在华北地区分为砂岩和石灰岩，砂岩主要分布在山西组以上的层位，砂岩厚度较大，具有很高的力学强度，只有受到较强的动力地质作用时，老顶砂岩的稳定性才会受到影响，一般较小作用力对顶板稳定性影响微弱。灰岩主要分在晚石炭世—早二叠世，一般说来，灰岩与煤层距离较近，且一般直接与煤层接触，稳定情况较好，所以这类顶板在工程地质上属最稳定顶板。但由于采后应力集中，当周期来压时，就会产生突然的空气冲击而毁坏矿井并威胁矿工人身安全，常发生大面积塌顶，因此采后需要特殊的治理措施控制顶板。

2) 煤层 + 粉砂岩、细砂岩 - 老顶组合型式，指煤层之上有数层较薄的粉砂岩和细砂岩岩层，之上为一厚层老顶砂岩。这类顶板是比较稳定的类型，老顶下部的细砂岩、粉砂岩直接顶具有一定的力学强度，在不考虑其他方面因素的影响时，这种组合方式一般是稳定的，但实际情况往往很复杂，岩层中常有裂面、节理等结构面存在，使岩层的稳定情况大不相同。直接顶板岩层不太厚时常因采动影响而垮落下来，给顶板的稳定分析带来一定的难度。

3) 煤层 + 泥岩 - 粉细砂岩 - 老顶组合型式指直接顶由泥岩和粉砂岩构成，上部与厚层砂岩老顶相接。此类顶板属于较不稳定类型或中等稳定顶板，泥岩为伪顶，随采垮落，直接顶岩性工程性质很低，随采随落，如果老顶强度不够大，有可能随直接顶一起冒落，造成整个顶板的失稳。

4) 煤层 + 粉砂岩 - 泥岩 - 老顶组合与泥岩 - 粉砂岩 - 老顶组合型式性质类似，岩体工程性质较低，粉砂岩—泥岩为伪顶，随采垮落，直接顶和老顶工程性质很低，属较不稳定顶板组合类型。

5) 泥岩 - 老顶组合型式指主采煤层之上为泥岩和厚层老顶砂岩组合，当泥岩很薄时被称为伪顶，如果泥岩有一定的厚度，则归为直接顶。这种类型的顶板是最不稳定的，泥岩的工程性质很低，随煤层向前开采，直接顶泥岩失稳，垮落下来，破坏顶板岩层原有的平衡状态，常产生顶板冒顶事故。

值得注意的是，由于伪顶太厚，很难维护采场工作面所需的空间，这时矿井常采用掩护式支架支护，如果伪顶或直接顶尖灭，老顶砂岩 ( 灰岩) 直接与煤层接触，会给顶板管理带来一定困难，因此周期来压可能产生空气冲击毁坏矿井，毁坏大面积顶板，因此，理想的顶板条件是: 较薄的伪顶或没有伪顶，厚度适中的直接顶 ( 直接顶厚度与煤层采高有关) ，直接顶与伪顶之间无明显的软弱面。由此可见，矿井开采时顶板岩体质量不但与岩石类型有关，而且与岩石组合有关。岩层组合方式主要考虑砂岩与泥岩的相对比例，并进行定量评价。岩层组合既有不同岩性的岩层组合、又有不同厚度的岩层组合。相同类型的组合，距煤层距离不同，稳定程度也不相同。顶板的分层厚度越大，直接顶越不易弯曲变形，稳定性越好。

② 直接顶：直接在煤层上面，厚度小于1.5~2.0m，较软弱、下面又无老顶的分层。（位于煤层或伪顶之上有一定的稳定性，移架或回柱后能自行垮落的岩层。）岩性多为砂页岩、页岩

③ 老顶：又称牢顶

煤层顶板分类方法众多，随着世界采煤业的发展，出现了很多种对煤层顶板的划分方案。我国煤层顶板研究在世界上处于领先地位，勘探阶段的煤层顶板稳定性研究主要源于20 世纪 70 年代，当时阜新矿业学院王维纯等 ( 1972) 发表文章 “谈缓倾斜煤层的顶板分类”指出煤层顶板分类的依据主要有两个: 下伏岩层的稳定性和上覆岩层的稳定性、垮落性。前者是决定控顶区顶板破坏的首要因素，是选择架型的主要依据后者是决定支架工作参数的主要因素，对选型有重要作用，并指出了煤层顶板划分方案。1981 年煤炭工业部颁布了新的煤层顶板分类方案，得到了广泛的应用。其后，1982 年 “顶板分类研究组”在 《煤炭学报》发表文章将直接顶按照岩性指标和工程指标等将其划分为 4 类，即不稳定顶板、中等稳定顶板、稳定顶板和坚硬顶板。姜荣超等 ( 1988) 结合煤炭工业部颁发的煤层顶板分类方案采用点荷法对缓斜煤层直接顶板进行了分类并对老顶进行了分级。丁述礼等 ( 1994) 利用钻孔资料开展了单因素分析综合评价的方法，将煤层顶板稳定性评价指标划分为 11 个指标，最后采用模糊数学的方法综合提出煤层顶板稳定性 4 个等级: 稳定、较稳定、不稳定和极不稳定。涂敏 ( 1995) 运用模糊聚类法分析了煤层顶板稳定性，将煤层顶板稳定性划分为 3 类: 稳定、中等稳定和不稳定。王生全等 ( 1997)利用综合指数等方法对河北邢台显得旺井田进行了稳定性评价，将研究区顶板稳定性分为4 种: 稳定顶板、较稳定顶板、不稳定顶板和极不稳定顶板。张树光等 ( 2000) 通过运用离散等数学理论，对煤层顶板进行了力学分析，并指出了顶板变形特征及破坏机理。刘衡秋等 ( 2002) 利用模糊评判方法，将煤层顶板稳定性分为 5 类，指出了潘西煤矿顶板稳定性分区。郭德勇等 ( 2002) 根据地质构造因素控制煤层顶板稳定性作用的研究，提出煤层顶板稳定性预测评价的矿井地质构造特征解析方法，并对平顶山十三矿煤层顶板稳定性进行了预测研究，将十三矿井田煤层顶板分为稳定型、中等稳定型、不稳定型和极不稳定型。文红伟等 ( 2004) 从 9 个方面采用模糊评判法对煤层顶板稳定性进行了评价，并将山西地区沁水盆地主采煤层顶板分成 4 种类型: 稳定型顶板、较稳定型顶板、不稳定型顶板和极不稳定型顶板。吴教锟等 ( 2004) 对朱家河井田进行了煤层顶板稳定性评价，采用模糊动态聚类与回归分析等方法，将煤层顶板稳定性评价为 4 类: Ⅰ类不稳定顶板，Ⅱ类中等稳定顶板，Ⅲ类稳定顶板和Ⅳ类非常稳定顶板。高峰等 ( 2005) 采用可拓学理论对其研究区铜矿顶板进行了评价，将顶板评价为 5 个级别: 极稳定、稳定、中等、不稳定和极不稳定。刘海燕等 ( 2006) 采用层次分析法和两极模糊评判法对兖州煤田顶板稳定性进行了评价，将研究区煤层顶板划分为 4 种类型: 非常稳定、稳定、中等稳定和不稳定。潘建西等 ( 2006) 采用声波测井方法对煤层顶板稳定性进行了评价，并将煤层顶板稳定性分为 4 种: 不稳定顶板、中等稳定顶板、稳定顶板和坚硬顶板。刘钦甫等 ( 2007)结合模糊数学理论和灰色理论等方法，对潘三矿煤矿顶板进行了评价，评价结果为 3 类:好、中等和差。张保东 ( 2007) 采用模糊数学方法对贵州五风一煤矿主采煤层顶板稳定性进行了评价，将其划分为 4 个等级: 稳定性、较稳定、不稳定和极不稳定。李增学等( 2008) 通过采用人工神经网络方法对龙固井田煤层顶板稳定性进行了评价，将主采煤层顶板划分为稳定型、较稳定型、中等稳定型、较不稳定型、不稳定型 5 级。

综合以上研究来看，关于煤矿顶板稳定性评价的方法较多，但是，至今没有一个完全统一的标准和方案。当前划分方案主要有 3 种。第一种，将煤层顶板稳定性划分为 3 类:稳定、中等和不稳定第二种，也是现今运用得最多的方案，将煤层顶板稳定性划分为 4类，即稳定、较稳定 ( 中等) 、不稳定和极不稳定第三种，将煤层顶板稳定性划分为 5类，即稳定、较稳定、中等、不稳定和极不稳定。