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其他定量分析方法

7.5.1多因子工程地质分析法7.5.1.1原理多因子工程地质分析法是由许惠德于1989年提出的。

该法主要考虑井田建造、层组、岩组特征，以及岩性变异特征、岩体质量优劣分段、构造变异特征、河谷卸压影响及水文地质条件等工程地质因素。

以岩组划分为基础，融合其他工程地质因素，采用对比分类法，将煤层顶板划分成4种稳定区域。7.5.1.2方法(1)地质因素分析1)建造:为一定的大地构造单元内，成岩作用在时间上的分异特征的术语。

2)层组:指不同岩性的岩层作有规律的组合，其划分是在建造基础上进行的。据煤系地层沉积特征，可划分出单层结构和多层结构两大类(表7.19)。

3)岩组:为岩体与岩石在一般特征上类似工程地质特征上相近的组合，其划分是在层组基础上进行的(表7.19)。

4)岩性变异特征:对煤层顶底板岩体可进行室内物理力学性质指标测定、室内微观分析(包括薄片鉴定、差热分析、X-射线衍射分析和电子显微镜分析)等。

如对山西谱庄矿3号煤层顶板分析后得出如下结论:①泥岩、粉砂岩不具膨胀性，粉砂岩中石英有被粘土矿物交代现象，具泥质结构和显微定向构造，基底式胶结，胶结物为泥质，与泥岩有相似的物理力学性质，强度较低;②在同一岩组中，岩石的强度有由井田北部向中偏南降低的趋势;③井田中部岩体破碎程度较高;④随深度增加，各类岩石的完整程度增高。

5)岩体质量优劣分级:以岩石质量指标(RQD)作为岩体质量优劣的半定性评价。如潘庄矿(图7.11)首采区的中上部岩体质量极坏，据此可提出整个块段岩体质量评价。

6)构造变异特征:根据地层倾角、构造发育、顶板岩性组成等，评价一个地区的构造应力状况。

如山西某井田内地层倾角平缓(5°～15°)，褶皱呈舒缓波状，无较大的断层存在，地震烈度不高(6度)，3号煤层的顶板大多为松软岩石。因此，井田内不易积聚大量应变能，构造应力较低。

表7.19潘庄一号井田工程地质岩组划分7)河谷卸压:河谷卸压会影响采场和巷道顶、帮内的应力分布;而应力的增加、岩体的膨胀、松弛、裂隙的产生均会加剧顶板和围岩的不稳定性。

如潘庄矿3号煤层首采区上方为一构造剥蚀的低山区，河谷两侧为侵蚀堆积地形。河谷切割较深，卸压现象较为严重。

因此，根据3号煤层上覆岩层的厚度(图7.11)和性质、顶板岩层的强度，预测了相对严重卸压区段。8)水文地质条件:主要根据地质、水文地质观测、试验资料，利用一定计算方法评价地质条件。

如山西某矿通过分析计算煤层顶板岩体冒落带和破裂带的最大高度值，认为虽然冒落带与上覆含水层连接，采场充水似乎不可避免，但由于含水层水量较小易于疏干，因此不会造成突水威胁。

(2)工程地质稳定性分区通过对各种地质因素的分析和对比，利用一定的计算和统计方法，应用综合编图手段，最终作出工程地质稳定性分区图，可划分出稳定区、中等稳定区、不稳定区和极不稳定区等4类，如果采用数学地质、数理统计、定量评价等手段，可以给上述4类区段赋予评价指数(参数)。

图7.12为潘庄矿首采区工程地质稳定性分区。

图7.11层理岩组图图7.12山西潘庄采区工程地质分区7.5.2顶板稳定性沉积模式研究法7.5.2.1原理该方法属成因顶板稳定性研究范畴，从沉积环境分析入手，分析顶板沉积模式，最终探明顶板稳定类型。

7.5.2.2方法步骤(1)顶板岩性分类首先要对某煤层顶板(研究对象)进行岩性分类，分类的资料基础主要是勘探钻孔资料。

如J.Truman等利用钻孔资料，将1号煤层以上10英尺(1英尺=0.3048m)的岩性划分成16种类型，并用3位数码表示各种岩石(图7.13)。

(2)编制岩性分布图编制煤层之上不同高程的岩性分布图。从图中可以清楚地了解煤层之上岩性在横向和纵向上的分布及其变化。图7.14为美国怀俄明州某矿l号煤层之上10英尺岩性分布图。

(3)工程应用J.Truman等通过研究美国怀俄明州某矿1号煤层顶板类型，认为在地下开采过程中，河道沉积物(图7.13中的层序类型l，4，9，10，11，12，13)顶板一般坚固稳定，如果河道砂岩没有切入煤层顶部(图7.13中层序类型⑨，⑩，瑏瑡，瑏瑢，瑏A)，则插入的页岩可能有擦痕面。

这些擦痕面是由于砂岩与页岩之问的致密程度不同而造成的，它们可能是引起顶板稳定性差异的重要因素，层序类型瑏A(流状沉积)发生在河曲的切割侧。

当发生滑动时，它们可使层理扭曲，大大降低了岩石强度，并常造成严重冒顶。一般来说，河道与河道之间的过渡带是不稳定的。

另外还要注意煤层顶面到河道砂岩底面之间的距离，以确保使用合适的顶板锚杆，从而使锚点放在砂岩的底部。

天然堤沉积(图7.13中层序类型⑥常含有植物根，这些植物根破坏了层理，降低了岩石的强度，必须加以锚固或强制冒落。

决口扇(图7.13中层序类型②，③)往往是煤层发育的台坪，从而产生一个软弱带。决口扇与煤层之间的间距以及决口扇的厚度应予以注意，以确保锚杆有足够的长度，使锚点在砂岩中或是薄煤层之上。

图7.131号煤层以上10英尺内的典型岩石层序(据J.Truman等，1985)①均质砂岩10英尺;②1号煤层直接顶板的决口扇砂岩厚度;③1号煤层以上2～3英尺的决口扇砂岩厚度;④324至124为向上变细层序(1号煤层以上的距离);⑤均质砂质页岩(324);⑥均质砂岩与页岩互层(124);⑦向上变粗层序;⑧均质页岩(124);⑨河道砂岩，厚度＜10英尺;⑩河道砂岩底部，大于10英尺，1号煤层以上0～4英尺;瑏瑡河道砂岩底部，＞10英尺，1号煤层以上4～6英尺;瑏瑢河道砂岩＞10英尺，1号煤层以上6～10英尺;瑏A1号煤层以上10英尺间隔内的流动构造;瑏A1号煤层以上0～4英尺的薄煤层;瑏瑥1号煤层以上4～6英尺的薄煤层;瑏瑦1号煤层以上6～10英尺的薄煤层015—炭质砂岩;020—煤层;124—粘土;324—砂质泥岩;544—砂岩图7.141号煤层以上10英尺内的岩石类型层序$（据J.Truman等，1985）$海湾沉积物(图7.13中层序类型⑤，⑦，⑧)一般是坚固稳定的。

稳定性最差的是(图7.13中层序类型（16）)1号煤层之上的薄煤层及其下伏层是被植物根穿透的页岩，为顶板弱带，最易发生离层，造成顶板不稳定。

7.5.3单项分析、综合评判法7.5.3.1原理和方法如前所述，影响煤层硬板稳定性的地质因素很多，多则十几项，少则四、五项。

对某一煤田或井田来说，所有因素中总是有主有次，因此需要逐一甄别，即单项分析，以筛选出几个主要因素，经过综合评判，然后与已采区实际揭露和顶板冒落情况进行对比，给予恰当的科学评分。

最后在综合图上据评分结果划出各种不同的区域。7.5.3.2步骤以山东新汶某矿第2煤层硬板为例，简述工作步骤。(1)单项地质因素分析1)岩性:第2煤层顶板岩性主要有砂岩、粉砂岩、页岩。

评判给分如表7.20所示。表7.20各单向因素评分注:括号中数字为评分。2)岩层厚度:岩层厚度是评判的主要参数，因此需据不同岩性、不同厚度分别评分。

对砂岩、粉砂岩、页岩等岩层厚度评判的评分结果见表7.20。3)倾角变异系数:在煤层构造图上采用“滑动窗口法”计算出倾角变异系数，然后分指标段给予评分(表7.20)。

4)小断层发育密度:同样采用“滑动窗口法”计算出小断层发育密度，未采区应先进行小断层发育规律及密度的预测，然后给予评分(表7.21)。

表7.21综合评判评分结果5)第2煤距上部第1煤的距离:第2煤层上部有的地方发育了一薄煤层(即第1煤层)。由于薄煤层是个软弱层，所以开采后最易发生离层而冒落。

而且，这种冒落的影响因素中最关键的是第2煤层距第1煤层的距离。据该矿历次实际冒落情况分析，给予表7.20所示评判记分。

(2)综合评判—稳定性区划据各次评判记分结果编图，经综合分析进行顶板稳定性区划，经与已采区的实际冒落情况对比基本吻合，最后成果见表7.21和图7.15。

图7.15第2煤层顶板稳定性分区7.5.4人工神经网络法7.5.4.1人工神经网络简介随着计算机技术的普及和发展，利用计算机进行顶板预测的研究大量出现，如利用模糊数学法(丁述礼，1994;王生全，1997;刘衡秋，2002)、层次分析法(刘海燕，2004)、模糊聚类法(涂敏，1995)、分形几何法(徐林生，1996;张玉三，1995)等方法来预测和评价顶板稳定性，并在相应方面和区域取得了明显的成效。

本节将用人工神经网络法建立顶板稳定性预测模型，预测龙固井田顶板稳定性，进一步做出顶板稳定性综合分区图。

(1)人工神经网络的