煤层顶板稳定性是确保安全、高效生产的基本条件，是采矿工程技术人员研究的重点。顶板稳定性问题是岩体结构复杂性与井下工程适应性和协调性的综合反映，因此准确了解岩体结构及其对顶板稳定性影响，并在开采设计中加以考虑，对于顶底板岩层的控制与管理具有重要的理论和实际应用价值。 应用沉积岩石学、岩体力学和采矿工程学等理论与方法，对决定沉积岩体力学性质的因素如岩性、结构和赋存环境等进行了系统分析。阐明了煤炭开采过程中顶板稳定性的沉积岩体结构力学效应，探讨了顶板稳定性的受控机制，确定出不同岩体结构类型与地下开采煤层顶板稳定性的关系。取得了如下研究成果： 首先，基于沉积岩特征，在显微镜下对陆源碎屑岩的成分、碎屑颗粒粒径，胶结作用和胶结类型等进行定量统计，建立了显微结构与宏观力学性质之间的定量关系，认为碎屑岩中随着粒径大于0.03mm（或小于5f）的碎屑颗粒含量或碎屑石英含量的增加，岩石力学性质“包络线”上的值存在2次明显变化，表现为岩石力学性质跃变。第一次跃变发生在碎屑粒径大于0.03mm（或小于5f）的颗粒含量50％或石英含量40％处，当碎屑颗粒含量小于50％或石英含量小于40％范围内，单轴抗压强度和弹性模量包络线上值低，且随着碎屑颗粒含量的增加，包络线上值（即强度和刚度）增长缓慢，单轴抗压强度由54MPa增大到70MPa，弹性模量由24GPa增大到35GPa；同时在该区间内岩石单轴抗压强度和弹性模量的离散性较小。当碎屑颗粒含量为50％或石英含量为40％时，碎屑岩的力学性质发生跃变，且随着碎屑颗粒含量或石英含量的增加，碎屑岩单轴抗压强度和弹性模量包络线上值增长迅速，单轴抗压强度由70MPa增大到176MPa，弹性模量由35GPa增大到86GPa；同时在该区间内岩石单轴抗压强度和弹性模量值的离散性也增大。第二次跃变发生在碎屑颗粒含量80％和石英含量75％附近，随着碎屑颗粒含量或石英含量的继续增加，单轴抗压强度和弹性模量包络线上值增长减缓，甚至稳定不变。跃变的发生是随着碎屑颗粒含量增加到一定程度，岩石力学性质由量变到质变的结果。泥岩的力学性质与泥岩的化学成份密切相关，尤其是SiO2含量与烧失量（包括碳、硫、水分及有机物等）密切相关。表现为随着SiO2含量的增大，泥岩的单轴抗压强度和弹性模量总体呈增大趋势；而随着烧失量的增大，泥岩的单轴抗压强度和弹性模量总体呈减小趋势。同时，碎屑岩中碎屑颗粒的大小对其力学性质产生重要的影响。表现为随着f值的增大（或粒径减少），岩石力学性质包络线上的值逐渐增大到峰值强度和峰值刚度（粒径为2.5f），达到峰值后，随着f值的增大，岩石力学性质逐渐降低，呈现“粒径软化”特性，最后产生残余流动。 沉积岩石的力学性质，除受沉积岩的成分和结构影响外，主要受赋存条件的影响，本文探讨了不同岩性岩石在不同侧压和不同含水条件下的力学特征，分别建立了岩石力学性质与地应力和水等主要控制因素之间的定量关系。研究表明，岩石的变形和强度以及破坏机制与其所承受的有效侧压大小有关，表现为不同岩性岩石的刚度和强度均随侧压的增大而增大，呈非线性关系，其应变软化性态和破坏机制也均随侧压的增大而发生转化。水对岩石力学性质亦产生重要影响，在干燥或较少含水量情况下，岩石在峰值强度后表现为脆性和剪切破坏，应力－应变曲线具有明显的应变软化特性；随着含水量的增加，岩石单轴抗压强度和弹性模量值均急剧降低，主要表现为塑性破坏，且应变软化特性不明显。 沉积岩体结构的力学特征是由沉积岩石的岩性和岩体中各种类型结构面所决定。对于层组岩体采用硬质岩石百分比含量(K)来表示顶板岩体岩性特征，并将顶板岩体岩性分为三类，即硬质岩体、中硬岩体和软质岩体。基于淮南矿区煤层顶板实际，分析了顶板岩体沉积层序特征，将三角洲平原环境下形成的沉积层序概化为向上变细层序、向上变粗层序和粗细相间层序三种典型类型，对应地可将煤层顶板岩体力学类型分为下硬上软型、下软上硬型和软硬相间型三类，建立了顶板岩体沉积层序和顶板稳定性的关系。 在分析研究各种类型结构面的成因、演化及组合规律的基础上，根据结构面发育程度和工程规模将顶板沉积岩体结构划分为完整结构、块裂结构、碎裂结构和松散结构四类。用原始沉积—构造控制论的观点，采用岩性和岩体结构参数，提出了新的煤层顶板稳定性的沉积岩体岩性—结构评价方法，确定出不同岩体结构类型与地下开采煤层顶板稳定性的关系。结合淮南新集井田实际，编制了井田13-1煤顶板稳定性分区评价图，能超前对顶板稳定性进行定量评价与预测。 应用有限变形力学理论，首次对煤层顶板沉积岩体构造变形进行了应变—转动(S-R)分离计算，并以平均整旋角（q）的梯度作为基本特征量，按介质非协调转动产生断裂的思想，研究了淮南新集井田煤层顶板岩体变形转动破坏规律，指出用变形转动场反映构造断裂分布特征，从而反映岩体结构的新途径。 基于沉积结构面特征，研究了沉积结构面力学特征及其力学效应。提出了弱面型层理、层系或层系组界面和岩层面以及不整合面均为沉积构造弱面，这些弱面对沉积岩体力学性质产生重要的影响，使沉积岩体易于产生垂直于结构面方向的张性破坏和沿结构面方向的剪切破坏，岩体力学性质呈各向异性。断层带附近煤岩体破碎，在采动影响下顶板稳定性差，煤岩体中裂隙的发育程度随距断层面距离的变小而增强，煤岩体力学强度越靠近断层越低，裂隙的力学性质向断层面方向由张性向张扭、压扭性再到张性转化。 结合淮南矿区实际，将煤顶板沉积岩体结构概化为沉积相变模型、断层模型和节理模型三类地质力学模型，对煤层顶板稳定性的沉积岩体结构效应进行了物理模拟和数值模拟分析，研究和探讨了由于顶板岩层沉积作用的差异和后期构造分布以及原岩应力分布对煤矿开采过程中顶板和上覆岩层变形与破坏的影响。确定出不同岩体结构类型与井下开采煤层顶板稳定性的关系，获得了一系列工程技术参数。证实了老顶砂岩厚度及其分布和断裂构造，尤其是断层对围岩应力分布规律、顶板冒落、老顶初次来压和周期来压步距有重大影响。 研究表明，存在一层或多层砂岩骨架层情况下，老顶初次和周期断裂步距大，支承压力大，冒裂带高；在无砂岩骨架层情况下，老顶初次和周期断裂步距小，支承压力小，冒裂带也低，且矿压显现不明显；而在砂岩尖灭过渡带，顶板岩体破碎，稳定性差，顶板难以维护。在采动影响下断层“活化”，在断层带及其影响范围内岩体破碎，表现为周期断裂步距小，冒落带高，尤其是断层下盘，顶板稳定性差；当工作面开采到离断层面22.5-30米时，直到断层位置的前方煤体中支承压力增大，煤体被压碎，且随着距断层面距离的减小，支承压力的峰值位置向工作面前方转移；过断层后，顶板岩体中支承压力减小，比无断层存在的情况要低。由于顶板岩体中节理发育程度的不同，顶板岩体变形破坏规律和矿压分布各异。表现为由完整到块裂和碎裂结构，老顶的初次垮落步距、周期垮落步距和冒裂带高度均随着岩体破坏程度的增强而减小；顶板岩体中的支承压力亦由大到小变化，且支承压力峰值位置随着岩体破坏程度的增强向顶板岩体内部转移。 在连续沉积介质条件下，在采动影响下采场周围岩体应力重新分布，形成支承压力区和卸载压力区。在顶底板岩体中明显地存在着一种对称的双应力拱，回采工作面之上的卸载压力几乎与回采工作面前方煤层之上加载压力一样大，呈镜像对称关系。回采工作面两侧支承压力影响区范围小于工作面前方，且随着工作面推进不断向煤体深部转移，有逐渐均化现象。随着工作面向前推进，由开采诱发比较显著的拉伸变形发生在工作面后方，采场底板岩体在支承压力作用下产生纵弯褶皱作用，岩层向上移动，移动范围小，主要表现为底鼓。 由于介质的不连续性导致采动应力场的挠动，局部产生附加应力，在回采过程中将对煤层顶底板的稳定性产生不利的影响。研究表明，在强度较高的砂岩骨架层顶板岩体中，支承压力大，工作面前方支承压力峰值距工作面距离小；而在强度较低的泥岩顶板区，尤其是在砂岩尖灭过渡带内，顶板岩体不能和砂岩骨架层一样抵抗覆岩压力，且支承压力小，支承压力的峰值向岩体内部推移。在断层模型中在回采工作面煤壁和其前方断层之间煤柱之上压力分布类似于小的残留煤柱的情况，即压力峰值出现在煤柱中部，并且煤柱愈窄、压力峰值愈高，煤的抗压强度是残留煤柱承压作用的极限。 来源：二○○二年全国优秀博士学位论文评选结果 原作者：孟召平 作者简介：男，1963年01月出生，1996年09月师从于中国矿业大学（北京校区）彭苏萍教授，于1999年06月获博士学位。
