主採煤層頂底板工程地質分類
『壹』 岩土體的工程地質分類和鑒定
一、岩體
（一）岩體（岩石）的基本概念岩體（岩石）是工程地質學科的重要研究領域。岩石和岩體的內涵是有區別的兩個概念，又是密不可分的工程實體。在《建築岩土工程勘察基本術語標准》（JG J84-92）中給出的岩石定義是：天然產出的具有一定結構構造的單一或多種礦物的集合體。岩石的結構是指岩石組成物質的結晶程度、大小、形態及其相互關系等特徵的總稱。岩石的構造是指岩石組成物質在空間的排列、分布及充填形式等特徵的總稱。所謂岩體，就是地殼表部圈層，經建造和改造而形成的具有一定岩石組分和結構的地質體。當它作為工程建設的對象時，可稱為工程岩體。岩石是岩體內涵的一部分。
岩體（岩石）的工程分類，可以分為基本分類和工程個項分類。基本分類主要是針對岩石而言，根據其地質成因、礦物成分、結構構造和風化程度，用岩石學名稱加風化程度進行分類，如強風化粗粒黑雲母花崗岩、微風化泥質粉砂岩等。岩石的基本分類，在本書第一篇基礎地質中有系統論述。工程個項分類，是針對岩體（岩石）的工程特點，根據岩石物理力學性質和影響岩體穩定性的各種地質條件，將岩體（岩石）個項分成若干類別，以細劃其工程特徵，為岩石工程建設的勘察、設計、施工、監測提供不可缺少的科學依據，使工程師建立起對岩體（岩石）的明確的工程概念。岩石按堅硬程度分類和按風化程度分類即為工程個項分類。
在岩體（岩石）的各項物理力學性質中，岩石的硬度是岩體最典型的工程特性。岩體的構造發育狀況體現了岩體是地質體的基本屬性，岩體的不連續性及不完整性是這一屬性的集中反映。岩石的硬度和岩體的構造發育狀況是各類岩體工程的共性要點，對各種類型的工程岩體，穩定性都是最重要的，是控制性的。
岩石的風化，不同程度地改變了母岩的基本特徵，一方面使岩體中裂隙增加，完整性進一步被破壞；另一方面使岩石礦物及膠結物發生質的變化，使岩石疏軟以至鬆散，物理力學性質變壞。
（二）岩石按堅硬程度分類
岩石按堅硬程度分類的定量指標是新鮮岩石的單軸飽和（極限）抗壓強度。其具體作法是將加工製成一定規格的進行飽和處理的試樣，放置在試驗機壓板中心，以每秒0.5～1.0M Pa的速度加荷施壓，直至岩樣破壞，記錄破壞荷載，用下列公式計算岩石單軸飽和抗壓強度：
深圳地質
式中：R為岩石單軸飽和抗壓強度，單位為MPa；p為試樣破壞荷載，單位為N；A為試樣截面積，單位為mm2。
對岩石試樣的幾何尺寸，國家標准《工程岩體試驗方法標准》（GB/T50266-99）有明確的規定，試樣應符合下列要求：①圓柱體直徑宜為48～54mm；②含大顆粒的岩石，試樣的直徑應大於岩石的最大顆粒尺寸的10倍；③試樣高度與直徑之比宜為2.0～2.5。
在此標准發布之前，岩石抗壓強度試驗的試樣尺寸要求如下：極限抗壓強度大於75M Pa時，試樣尺寸為50mm×50mm×50mm立方體；抗壓強度為25～75MPa時，試樣尺寸為70mm×70mm×70mm立方體；抗壓強度小於25MPa時，試樣尺寸為100mm×100mm×100mm立方體。
（G B/T 50266-99）的規定顯然是為了方便取樣，以金剛石鑽頭鑽探，取出的岩心進行簡單的加工，即可成為抗壓試樣。岩樣的尺寸效應對岩石抗壓強度是略有影響的。
岩石按堅硬程度分類，各行業的有關規定，雖然各自表述方式有所區別，但其標準是基本一致的（表2-2-1）。
表2-2-1 岩石堅硬程度分類
除了以單軸飽和抗壓強度這一定量指標確定岩石堅硬程度外，尚可按岩性鑒定進行定性劃分。國標：建築地基基礎設計規范（GB50007-2002）按表2-2-2進行岩石堅硬程度的定性劃分。其他規范的劃分標准大同小異。
表2-2-2 岩石堅硬程度的定性劃分
岩石堅硬程度的劃分，無論是定量的單軸飽和抗壓強度，還是加入了風化程度內容的定性標准，都是用於確定小塊岩石的堅硬程度的。岩石的單軸飽和抗壓強度是計算岩基承載力的重要指標。
（三）岩石按風化程度分類
關於岩石風化程度的劃分及其特徵，國家規范和各行業的有關規范中均有規定，其分類標准基本一致，表述略有差異。表2-2-3至表2-2-10是部分規范給出的分類標准。
表2-2-3《工程岩體分級標准》（GB50218-94）岩石風化程度劃分表
表2-2-4《岩土工程勘察規范》（GB50021-2001）岩石按風化程度分類表
續表
表2-2-5《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTJ024-85）岩石風化程度劃分表
表2-2-6《水利水電工程地質勘察規范》（GB50287-99）岩體風化帶劃分表
《港口工程地質勘察規范》（JTJ240-97）、《港口工程地基規范》（JTJ250-98）岩體風化程度的劃分按硬質、軟質岩體來劃分，硬質岩石岩體風化程度按表2-2-7劃分。軟質岩石岩體風化程度按表2-2-8劃分。
表2-2-7 硬質岩石岩體風化程度劃分表
表2-2-8 軟質岩石岩體風化程度劃分表
表2-2-9《地下鐵道、輕軌交通岩土工程勘察規范》（GB5037-1999）岩石風化程度分類表
續表
表2-2-10 廣東省《建築地基基礎設計規范》（DBJ15-31-2003）岩石風化程度劃分表
國家標准《建築地基基礎設計規范》（GB5007-2002）對岩石的風化只有第4.1.3條作如下敘述：岩石的風化程度可分為未風化、微風化、中風化、強風化和全風化。未列表給出風化特徵，但在岩石堅硬程度的定性劃分中（表A.0.1）把不同風化程度的岩石歸類到了岩石堅硬程度的類別中。
深圳市標准：《地基基礎勘察設計規范》（報批稿）關於岩石風化程度的劃分標准，基本採用了《地下鐵道、輕軌交通岩土工程勘察規范》GB（50307-1999）的表述形成和內容（表2-2-9），文字略有調整。
縱觀各類規范對岩石風化程度的劃分，可以看出：
1）除個別規范未列出未風化一類外，岩石風化程度的劃分均為未風化、微風化、中等（弱）風化、強風化和全風化。特徵描述簡繁不一，中等風化與弱風化相對應的風化程度略有差別。
2）風化程度的特徵描述，主要是岩石的結構構造變化、節理裂隙發育程度、礦物變化、顏色變化、錘擊反映、可挖（鑽）性等方面來定性劃定。部分規范用波速和波速比及風化系數來定量劃定是對岩石風化程度確定的有力支撐。
3）從新鮮母岩到殘積土的風化過程是連續的，有些規范把殘積土的特徵描述放在岩石風化程度劃分表中，有一定的道理。國際標准：ISO/TC182/SC，亦將風化程度分為五級，並列入了殘積土。從工程角度考慮，殘積土對母岩而言已經發生了全面質的變化，物理力學性質和對它的理論研究已屬松軟土，表中對殘積土特徵的表述對區別殘積土與全風化岩是有現實意義的。
4）國家標准：《工程岩體分級標准》中「岩石風化程度的劃分」（表2-2-3）看似簡單，規范「條文說明」解釋了這一現象，表2-2-3關於岩石風化程度的劃分和特徵的描述，僅是針對小塊岩石，為表2-2-2服務的，它並不代表工程地質中對岩體風化程度的定義和劃分。表2-2-2是把岩體完整程度從整個地質特徵中分離出去之後，專門為描述岩石堅硬程度作的規定，主要考慮岩石結構構造被破壞，礦物蝕變和顏色變化程度，而把裂隙及其發育情況等歸入岩體完整程度這另一個基本質量分級因素中去。
5）上述列表中可以看出，某些規范把硬質岩石和軟質岩石的風化程度劃分區別開來，而《工程岩體分級標准》中「岩石堅硬程度的定性劃分」表（2.2-2）將風化後的硬質岩劃入軟質岩中。這里有兩個概念不可混淆：一是從工程角度看，硬質岩石風化後其工程性質與軟質岩相近，可等同於軟質岩；二是新鮮岩石中是存在軟質岩的，如深圳的泥質砂岩、泥岩、頁岩等。
6）相鄰等級的風化程度其界線是漸變的、模糊的，有時不一定能劃出5個完整的等級，如碳酸鹽類岩石。在實際工作中要按規范的標准，綜合各類信息，結合當地經驗來判斷岩石的風化等級。
（四）岩體的結構類型
在物理學、化學及其地質學等學科中對「結構」這一術語的概念是明確的，但有各自的含義，如原子結構、分子結構、晶體結構、礦物結構、岩石結構、區域地質結構、地殼結構等等，岩體作為工程地質學的一個主要研究對象，提出「岩體結構」術語的意義是十分明確的。
岩體結構有兩個含義，可以稱之為岩體結構的兩個要素：結構面和結構體。結構面是指層理、節理、裂隙、斷裂、不整合接觸面等等。結構體是岩體被結構面切割而形成的單元岩塊和岩體。結構體的形狀是受結構面的組合所控制的。
事實上，所有與岩石有關的工程，除建築材料外，都是與有較大幾何尺寸的岩體打交道，岩石經過建造成岩（岩漿岩的浸入，火山岩的噴出，沉積岩的層狀成沉積，變質岩的混合與動力變質）及後期的改造（褶皺、斷裂、風化等），使得岩體的完整性遭到了巨大的破壞，成為了存在大量不同性質結構面的現存岩體。為了給工程界一個明朗的技術路線，不妨以建造性結構面和改造性結構面（軟弱結構面）為基礎，從各自側面首先對岩體結構基本類型進行研究，其次將兩方面的成果加以綜合，即可得出關於岩體結構基本類型的完整概念（圖2-2-1）。
（1）以建造性結構面為主的岩體結構基本類型的劃分（表2-2-11）
表2-2-11 建造性結構面的岩體結構分類
（2）以改造性結構面（軟弱結構面）為主的岩體結構類型的劃分（表2-2-12）
表2-2-12 改造結構面為主的岩體結構分類
圖2-2-1 岩體結構示意圖
（3）由建造性結構面和改造性結構面形成的三維岩體
三維岩體表現出了復雜多變的岩體結構特徵，將其綜合歸納，形成了較系統的岩體結構類型（表2-2-13）。
表2-2-13 岩體結構類型及其特徵
表中表述的岩體結構類型及其特徵基本上涵蓋了深圳地區岩體的全部結構類型。
（4）岩體完整程度的劃分
地質岩體在建造和改造的過程中，岩體被風化、被結構面切割，使其完整性受到了不同程度的破壞。岩體完整程度是決定岩體基本質量諸多因素中的一個重要因素。影響岩體完整性的因素很多，從結構面的幾何特徵來看，有結構面的密度，組數、產狀和延展程度，以及各組結構面相互切割關系；從結構面形狀特徵來看，有結構面的張開度、粗糙度、起伏度、充填情況、水的賦存等。從工程岩體的穩定性著眼，應抓住影響穩定性的主要方面，使評判劃分易於進行。在國標：《工程岩體分級標准》（GB50218-94）中，規定了用結構面發育程度、主要結構的結合程度和主要結構面類型作為劃分岩體完整程度的依據，以「完整」到「極破碎」的形象詞彙來體現岩體被風化、被切割的劇烈變化完整程度（表2-2-14）。
表2-2-14 岩體完整程度的定性分類表
在1994版的《岩土工程勘察規范》中，未見此表。很明顯，此表在《工程岩體分級標准》中出現後，在2001版修訂後的《岩土工程勘察規范》中得到了確認和使用。
（五）岩體基本質量分級
自然界中不同結構類型的岩體，有著各異的工程性質，岩石的硬度、完整程度是決定岩體基本質量的主要因素。在工程實踐中，系統地認識不同質量的工程岩體，針對其特徵性採取不同的設計思路和施工方法是科學進行岩體工程建設的關鍵。
1994年，國家標准《工程岩體分級標准》（50218-94）給出了岩體基本質量分級的標准（表2-2-15）。在此之前發布的國家標准《岩土工程勘察規范》（GB50021-94），該表是作為洞室圍岩質量分級標準的。在2001年修訂的《岩土工程勘察規范》（GB50021-2001）中，岩體基本質量分級以表2-2-15的形式來分類，岩體基本質量等級按表2-2-16分類。
表2-2-15 岩體基本質量分級
表2-2-16 岩體基本質量等級分類
（六）岩體圍岩分類
地鐵、公路、水電、鐵路以及礦山工程等行業，均有地下洞室和隧道（巷道）開挖，工程勘察均需對工程所處的圍岩進行分類。不同的規范對圍岩的分類方法略有不同。
1.隧道圍岩
《地下鐵道、輕軌交通岩土工程勘察規范》（GB50307-1999）和《公路工程地質勘察規范》（JTJ064-98）規定，隧道圍岩分類按表2-2-17劃分。
表2-2-17 隧道圍岩分類
續表
2.圍岩工程地質
《水利水電工程地質勘察規范》（GB50287-99）規定，在地下洞室勘察時，應進行圍岩工程地質分類。分類應符合表2-2-18規定。
表2-2-18 圍岩工程地質分類
上表中的圍岩總評分T為岩石強度、岩體完整程度、結構面狀態、地下水和主要結構面產狀5項因素之和。各項因素的評分辦法在該規范中均有明確規定。圍岩強度應力比亦有專門的公式計算。
3.鐵路隧道圍岩
《鐵路工程地質勘察規范》（TB10012-2001）規定，隧道工程地質調繪時，應根據地質調繪、勘探、測試成果資料，綜合分析岩性、構造、地下水及環境條件，按表2-2-19分段確定隧道圍岩分級。
表2-2-19 鐵路隧道圍岩的基本分級
續表
該規范還規定，鐵路隧道圍岩分級應根據圍岩基本分級，受地下水，高地應力及環境條件等影響的分級修正，綜合分析後確定。關於岩體完整程度的劃分，地下水影響的修正，高地應力影響的修正及環境條件的影響，規范中都有明確的規定。
4.井巷工程圍岩
礦山工程中的井巷工程，其功能和結構更為多樣，所以井巷工程對圍岩的分類更加詳盡，各種定性和定量指標明顯多於其他標准。《岩土工程勘察技術規范》（YS5202-2004、J300-2004）規定，井巷工程評定圍岩質量等級按表2-2-20劃分圍岩類別。
表2-2-20 井巷工程圍岩分類
續表
續表
5.工程岩體
國家規范：《錨桿噴射混凝土支護技術規范》（GB50086-2001）從工程岩體支護設計和施工的需要出發，給出圍岩分級表，與表2-2-20相比，僅少了Ⅵ、Ⅶ兩類，主要工程地質特徵少了岩石質量指標RQD和岩體及土體堅固性系數兩欄，其他完全相同。
（七）岩質邊坡的岩體分類
《建築邊坡工程技術規范》（GB50330-2002）對岩質邊坡的岩體分類方法，見表2-2-21
表2-2-21 岩質邊坡的岩體分類（GB50330-2002）
續表
表2-2-22 岩體完整程度劃分
（八）深圳地區岩體分類、鑒定中存在的問題和改進意見
1）深圳地區的建築工程除大量的房屋建築外，公路（道路）橋梁、水利、地鐵、鐵路等均有大量的投資建設，各行業對岩體質量等級的劃分在執行不同規范的分類標准。在當前情況下，這一狀況將繼續下去。但是，對某一岩體的不同分類標准，僅僅是某一行業的習慣性作法。宏觀上看不同分類標準的具體內容並無原則性的區別。無論採用哪種標准都不應該影響岩體評價的正確性。
2）岩體工程特性的評價中，岩體的結構分類應該受到足夠的重視。尤其是高大邊坡、地質災害評估等岩體結構對岩體穩定起主導作用的工程項目。只有採取多種科學勘察手段和縝密地進行分析，岩體的結構特徵才能弄清楚。
3）岩石風化程度的判斷，現場工作除很具經驗的野外觀察和標准貫入試驗外，應多採用岩體波速測試方法，使之成為常用方法之一。准確的波速測試結果，可能比標貫試驗所得結果更能准確地判斷岩石的風化程度。
4）岩石的風化程度是隨埋藏深度的增加而減弱的，風化岩石的強度則是隨埋藏深度的增加而增加的。為了充分發揮地基承載力，深圳市地基基礎勘察設計規范（送審稿）將厚層花崗岩強風化帶分為上、中、下3個亞帶，其劃分方法見表2-2-23。
表2-2-23 厚層花崗岩強風化帶細分
需要指出的是，花崗岩的風化規律一般是上部風化嚴重，隨深度增加而減弱，但也有個別情況，有時隨深度增加風化程度並無明顯變化，故在劃分風化亞帶時，應視強風化帶的厚度和風化程度改變的深淺，也可以劃分一個亞帶或兩個亞帶，不可強求一律劃分為3個亞帶。
龍崗區的碳酸鹽類岩石——灰岩、白雲岩、大理岩等基本上不存在全風化和強風化層。由於構造的影響或是其他某種原因（如表面溶蝕劇烈），可能岩石的裂隙比較發育，塊度比較小。
二、土體
（一）土體的含義及其工程地質分類
土是泛指還沒有固結硬化成岩石的疏鬆沉積物。土是堅硬岩石經過破壞、搬運和沉積等一系列作用和變化後形成的。土多分布在地殼的最上部。工程地質學把土看作與構成地殼的其他岩石一樣，均是自然歷史的產物。土的形成時間、地點、環境以及形成的方式不同，其工程地質特性也不同。因此在研究土的工程性質時，強調對其成因類型和地質歷史方面的研究具有特殊重要意義。
土的工程地質分類有以下特點：①分類涵蓋自然界絕大多數土體；②同類或同組的土具備相同或相似的外觀和結構特徵，工程性質相近，力學的理論分析和計算基本一致；③獲取土的物理力學指標的試驗方法基本相同；④工程技術人員，從土的類別可以初步了解土的工程性質。
土的工程地質分類是以鬆散粒狀（粗粒土）體系和鬆散分散（細粒土）體系的自然土為對象，以服務於人類工程建築活動為目的的分類。分類的任務是將自然土按其在人類工程建築活動作用下表現出的共性劃分為類或組。
合理的工程地質分類，具有以下實際用途：①根據土的分類，確定土的名稱，它是工程地質各種有關圖件中劃分土類的依據；②根據各類土的工程性質，對土的質量和建築性能提出初步評價；③根據土的類型確定進一步研究的內容、試驗項目和數量、研究的方法和方向；④結合反映土體結構特徵的指標和建築經驗，初步評價地基土體的承載能力和斜坡穩定性，為基礎和邊坡的設計與施工提供依據。
土的工程地質分類有普通的和專門的兩類。普通分類的劃分對象包括人類工程活動可能涉及的自然界中的絕大多數土體，適用於各類工程，分類依據是土的主要工程地質特徵，如碎石土、砂土、黏性土等。專門分類是為滿足某類工程的需要，或者根據土的某一或某幾種性質而制定的分類，這種分類一般比較詳細，比如砂土的密實度分類，黏性土按壓縮性指標分類等等。應當指出的是，普通分類與專門分類是相輔相成的，前者是後者的基礎，後者是前者的補充和深化。
（二）國外土的工程分類概況
近幾十年來，國外在土的工程地質分類研究方面有很大進展，工業和科學技術發達的主要國家，都分別先後制定了各自全國統一的分類標准（表2-2-24）。其中英國、日本、德國的分類均以美國分類為藍本，結合各自國情適當調整、修改而制定的。
表2-2-24 一些國家的土質分類簡況
上述各國的土質分類，都採用了統一分類體系和方法，不僅使各自國內對土質分類有了共同遵循的依據，而且體現了國際統一化的趨勢，以促進國際交流與合作。
下列美國的統一分類法（表2-2-25）作為樣本，以了解國外分類的標准和方法。
表2-2-25 美國的土的統一分類法
續表
（三）國內土的工程分類
1.統一分類法
1990年，國家標准《土的分類標准》（GBJ 145-90）發布，並於1991年8月起執行。在此之前或之後，水利水電、公路交通等行業土的分類標准與GBJ 145-90標准沒有明顯區別。（GBJ 145-90）土的分類如表2-2-26和表2-2-27所示。
表2-2-26 粒組的劃分
表2-2-27 土質分類表
2.建築分類法
國標《建築地基設計規范》（GB50007-2002）土的分類方法（簡稱：建築分類法）如表2-2-28。這是從早期《工業與民用建築地基基礎設計規范》（TJ7-74）（試行）到《建築地基基礎設計規范》（GBJ7-89）一直延續下來的土的分類標准。在TJ7-74規范之前，我國一直沿用前蘇聯規范（HИTY127-55）。建築分類法在房屋建築地基基礎工程或類似的工程中廣泛運用，這在不少行業規范中得以反映，此分類方法也為廣大工程技術人員所熟知。目前深圳除公路、鐵路行業外，大多採用此分類標准，並納入到深圳市的地方標准之中。
表2-2-28 土的分類
（四）土的狀態分類
土的狀態分類屬專門分類。對於某種行業或某類工程，土的狀態標準是有所區別的，現以《岩土工程勘察規范》（50021-2001）中規定的最常用的分類標准，對碎石土、砂土、粉土的密實度和對粉土的濕度及黏性土的狀態進行分類，見表2-2-29至表2-2-34。
表2-2-29 碎石土密實度按M63.5分類
表2-2-30 碎石土密實度按N120分類
表2-2-31 砂土密實度分類
表2-2-32 粉土密實度分類
表2-2-33 粉土濕度分類
表2-2-34 黏性土狀態分類
（五）土的現場鑒別方法
1.碎石土密實度現場鑒別方法（表2-2-35）
表2-2-35 碎石土密實度現場鑒別
2.砂土分類現場鑒別方法（表2-2-36）
表2-2-36 砂土分類現場鑒別
3.砂土密實度現場鑒別方法（表2-2-37）
表2-2-37 砂土密實度現場鑒別
4.砂土濕度的現場鑒別方法（表2-2-38）
表2-2-38 砂土濕度現場鑒別
5.粉土密實度現場鑒別方法（表2-2-39）
表2-2-39 粉土密實度現場鑒別
6.粉土濕度現場鑒別方法（表2-2-40）
表2-2-40 粉土濕度現場鑒別
7.黏性土狀態現場鑒別方法（表2-2-41）
表2-2-41 黏性土狀態現場鑒別
8.有機質土和淤泥質土的分類
土按有機質分類和鑒定方法，《岩土工程勘察規范》（GB50021—2001）的分類方法見表2-2-42。深圳市沿海近岸地區存在大量淤泥或淤泥質土，在上更新統（Q3）的雜色黏土中，有一層泥炭質土，局部有泥炭層發育。
表2-2-42 土按照有機質分類
（六）土的定名和描述
1.統一分類法定名
1）巨粒土和含巨粒的土、粗粒土按粒組、級配、所含細粒的塑性高低可劃分為16種土類；細粒土按塑性圖、所含粗粒類別以及有機質多寡劃分16種土類。
2）土的名稱由一個或一組代號組成：一個代號即表示土的名稱，由兩個基本代號構成時，第一個代號表示土的主成分，第二個代號表示副成分（土的級配或土的液限）；由3個基本代號構成時，第一個代號表示土的主成分，第二個代號表示液限；第三個代號表示土中微含的成分。
《土的分類標准》（G B J145-90），對特殊土的判別，列出了黃土，膨脹土和紅黏土。對花崗岩殘積土並沒有特別加以說明。根據深圳有關單位的經驗，花崗岩殘積土中的礫質黏性土相當於G B J145-90中的含細粒土礫，代號GF；砂質黏性土相當於細粒土質礫，代號GC-GM；黏性土相當於高液限粉土一低液限粉土，代號M H-M L。對淤泥和淤泥質土，G B J145-90分的不細，從工程需要出發，淤泥和淤泥質土的分類宜按建築行業標准。
2.建築行業定名
建築行業定名依照下列幾個標准：
1）土名前冠以土類的成因和年代。
2）碎石土和砂土按顆粒級配定名。
3）粉土以顆粒級配及塑性指數定名。
4）黏性土以塑性指數定名。
5）對混合土按主要土類定名並冠以主要含有物，如含碎石黏土，含黏土角礫等。
6）對同一土層中有不同土類呈韻律沉積時，當薄層與厚層的厚度比大於三分之一時，宜定為「互層」；厚度比為十分之一至三分之一時，宜定為「夾層」；厚度比小於十分之一的土層且多次出現時，宜定為「夾薄層」。當土層厚度大於0.5m時，宜單獨分層。
3.土的描述內容
（1）當按統一分類法（GBJ145-90）定名時，應按下列內容描述
1）粗粒土：通俗名稱及當地名稱；土顆粒的最大粒徑；巨粒、礫粒、砂粒組的含量百分數；土顆粒形狀（圓、次圓、稜角或次稜角）；土顆粒的礦物成分；土顏色和有機質；所含細粒土成分（黏土或粉土）；土的代號和名稱。
2）細粒土：通俗名稱及當地名稱；土顆粒的最大粒徑；巨粒、礫粒、砂粒組的含量百分數；潮濕時土的顏色及有機質；土的濕度（干、濕、很濕或飽和）；土的狀態（流動、軟塑、可塑或硬塑）；土的塑性（高、中或低）；土的代號和名稱。
（2）當按建築分類法（GB50007-2002）定名時，應按下列內容描述
1）碎石土：名稱、顆粒級配、顆粒排列、渾圓度、母岩成分、風化程度、充填物的性質和充填程度、膠結性、密實度及其他特徵。
2）砂土：名稱、顏色成分、顆粒級配、包含物成分及其含量、黏粒含量、膠結性、濕度、密實度及其他特徵。
3）粉土：名稱、顏色、包含物成分及其含量、濕度、密實度、搖振反應及其他特徵。
4）黏性土：名稱、顏色、結構特徵、包含物成分及其含量、搖振反應、光澤反應、干強度、韌性、異味及其他特徵。
5）特殊性土：除應描述上述相應土類的內容外，尚應描述其特徵成分和特殊性質，如對淤泥尚需描述臭味、有機質含量；對填土尚需描述物質成分、堆積年代、密實度和均勻程度等。
6）互層（夾層）土：對具有互層、夾層、夾薄層特徵的土，尚應描述各層的厚度及層理特徵。
『貳』 煤層頂板分類存在的主要問題
從以上研究來看，煤層頂板穩定性的研究已經很多，但是分類方案不統一，根據作者多年的研究經驗，造成這些不統一的原因主要是區域地質條件的差異、個人觀點不同等，具體表現在以下幾個方面:
1) 影響煤層頂板穩定性評價的指標體系內容不同。現今勘探時對煤層頂板穩定性研究主要有以下幾個方面: 第一，主要從構造角度來評價煤層頂板穩定性; 第二，根據岩性組合結合採礦觀點進行評價; 第三，從岩石力學角度進行分析。除以上 3 個方面外，隨著計算機技術的發展，出現了地球物理學、測井學等多學科技術的應用。然而，無論從哪個角度分析，往往都是注重某一個方面，而忽視其他方面，比如從構造角度來分析，往往在進行評價時，可能注重的是井田內煤層頂板構造的發育強度、分布密度，而往往忽視了從岩性組合以及岩石力學等其他角度進行綜合評價。有些評價即使考慮了這幾個因素，也往往忽略了其他的水文、地震、地溫等一些影響因素，然而，對於現今煤田開採的縱向發展，地溫、地壓、水文、地震等多方面影響的疊加，已經不僅僅是可以用構造、岩性組合所能解釋的。在前人研究的基礎上，如何提出多因素綜合的分析方法，並採用行之有效的方法進行評價將是未來頂板穩定性評價的重要內容。
2) 評價方法選取對煤層頂板穩定性評價結果影響很大。通過以上總結發現，煤層頂板穩定性評價方法很多，如模糊數學法、人工神經網路法、層次分析法、離散元分析法等，它們都是在強大數學支持基礎上提出來的。然而，對於一個未知或少知的煤炭勘探領域，對之評價的結果會因採用的方法不同而導致結果大相徑庭，因此，採用不同的評價方法，對煤層頂板穩定性的分類結果也會相差很大。
3) 不同地區頂板穩定性的界定不同。通過總結發現，一般說來頂板穩定性評價分級存在著不同的級別，然而，在不同的研究區內，相同的級別卻可能代表不同實質性內容，因此，要建立統一的指標體系，並進行統一的分級分類，這樣才能夠進行跨區對比研究和分析，有利於綜合的煤層頂板穩定性評價。
4) 穩定性因素評價需要進一步確定不同分類。採煤過程中，進行礦山頂板壓力分析是個重要的方面，本書側重於煤層勘探及未知領域煤層頂板穩定性評價，評價方法的復雜性與難度都大大增加，分類級別要求也就比較高，在評價過程中出現了很多難以界定的界別，而現今評價主要採用四分法，即穩定、較穩定、不穩定和極不穩定，但是在實際評價過程中較穩定和不穩定的級別很難確定，因此，本書建議採用五分法，在較穩定與不穩定之間增加一個中等類別。
『叄』 煤層的頂板怎麼分類
1.1煤層的頂板
1.1.1偽頂：是緊貼煤層之上的，極易隨煤炭的采出而同時垮落的較薄岩層，厚度一般為0.3～0.5m，多由頁岩、炭質頁岩等組成。
1.1.2直接頂：是直接位於偽頂或煤層（如無偽頂）之上岩層，常隨著回撤支架而垮落，厚度一般在1～2m，多由泥岩、而岩、粉砂岩等較易垮落的岩石組成。
1.1.3基本頂：又叫老頂，是位於直接頂之上或直接位於煤層之上（此時無直接頂和偽頂）的厚而堅硬的岩層。常在采空區上方懸露一段時間，直到達到相當面積之後才能垮落一次，通常由砂岩、礫岩、石灰岩等堅硬岩石的組成。
『肆』 采礦過程中煤層頂板的分類、規范
2.1.1 ( 1981 年煤炭工業部頒布) 煤層頂板分類規范
中國煤炭科學院北京開采研究所、中國礦業大學等 34 個單位，根據 350 個工作面的礦山壓力觀測資料，於 1981 年提出了 《緩傾斜煤層工作面的頂板分類方案》。這一方案被煤炭工業部採用為部頒試用方案。其分類依據是由岩石單軸抗壓強度 Rc、節理裂隙間距 b、分層厚度 h 綜合而成的強度指標 D。此外，再用直接頂初次垮落步距 L 作為參考指標進行檢驗。根據對350 個回採工作面的觀測統計，按穩定性不同將直接頂分為4 類 ( 表2.1 至表2.3) 。
測定岩石單抽抗壓強度 Rc的岩樣可取老頂，製作成直徑為 48～ 56mm，高徑比為1.8～ 2.2 的試樣，然後按煤炭工業部部頒標准在實驗室測定。
節理裂隙間距 b 以在巷道內肉眼可見的最發育的一組構造裂隙為准。用測定有代表性的 10～15 個觀測數據的平均值作為計算指標。
分層厚度 h 指的是不同岩性的岩層間和同一岩性內沿層面間距。可在巷道控頂區觀測統計有代表性的 10～15 個數據，用其平均值作為分類的計算指標。
直接頂初次垮落步距 L 是當冒高在 -1.5m 以上、范圍佔全長度 1/2 以上時面切頂線到開切眼煤壁之間的距離。
如果工作面長度 l 與步距 a 之比小於 3，則可採用等效步距 a' = la/( l + a) 作為分類的參考指標。老頂的分級主要採取直接厚度和采高的比值Km=Σh/m，並參照老頂初次來壓步距L，可將老頂分為4級(表2.4)。
表2.1 煤炭工業部部頒試用方案中煤層直接頂分類指標
注:D為強度指標，D=RcC1C2。其中，Rc為岩石單軸抗壓強度(MPa);C1為節理影響系數;C2為分層厚度影響系數。C1值可按測量所得到的節理裂隙間距b，然後套表2.2得出;C2值可按所測得的分層厚度h套表2.3得出。
表2.2 b與C1值的關系
表2.3 h和C2值的關系
表2.4 煤炭工業部部頒試用方案中煤層老頂分級指標
2.1.2 ( 1996 年煤炭工業部頒布) 煤層頂板分類規范
( 1) 分類的原則和意義
頂板分類系統是為解決地下工程支護問題而建立的，是經驗設計法的一個組成部分，在許多地下結構及采礦設計中，岩體分類已經提供了唯一的系統設計方法，取代了很不可靠的 「誤差與驗證」方法，成為指導生產實踐的有力武器。本分類工作主要遵從了以下幾個主要原則:
1) 以煤炭工業部部頒 《緩傾斜煤層採煤工作面頂板分類》 ( 以下簡稱 《頂板分類》)為指導;
2) 將區域的頂板岩體按相似變形特徵分成若干組，構成不同的等級類型;
3) 分類反映頂板岩層的主要特徵、識別並提供影響頂板強度及穩定性的最顯著指標，對其進行細化和量化，具有可比性;
4) 把頂板分類級別和各項採掘支護參數指標相聯系，使分類具有實用性和可操作性。
通過分類可以為現場工程設計提供定量依據，增強不同區域岩體的對比度，進一步提高現場調查的可靠性，更好地服務工程判斷。
( 2) 分類方法及幾個主要特點
1996 年 8 月經原煤炭工業部批准，頒布了新的 《頂板分類》 行業標准，並於 1997 年2 月 1 日正式實施。在新標准中，規定了緩傾斜採煤工作面直接頂穩定性分類為 1 類至 4類，及基本頂壓力顯現為Ⅰ級至Ⅳ級，直接頂分類數據指標為同一煤層採煤工作面直接頂初次垮落步距的平均值 Iv以及以岩性和結構特徵做參考要素。基本頂來壓級別以基本頂初次來壓當量 Pe作為分級指標，按下列公式計算:
煤層頂板穩定性評價、預測理論與方法
式中:Pe———基本頂初次來壓當量，kN/m2;
Lf———基本頂初次來壓步距，m;
N———直接頂充填系數(直接頂厚度與煤層采高之比);
hm———煤層采高，m。
該方案較1981年的標准有更好的可操作性和靈活性。方案中關鍵參數基本頂初次來壓步距Lf依賴於礦壓實測結果，同時，在工作面支架工作阻力確定方面反映不夠直接，特別是在大采高和放頂煤工作面支架工作阻力的確定出現誤差時會更大，不能滿足工程實際的需要。
盡管頂板來壓強度是由直接頂和基本頂共同作用於支架上的載荷決定的，但直接頂載荷是一種恆定載荷，基本頂載荷是伴隨初次來壓和周期來壓而產生的波動載荷，在工作面支架載荷確定時應考慮這種恆定和波動載荷的疊加量級，因而必須考慮頂板來壓強度的影響。
2.1.3 採煤過程中煤層頂板分類
井下開採煤層頂板質量取決於頂板岩石成分、結構和沉積構造以及沉積早期差異壓實和後期構造作用等，由於煤層頂板岩體受沉積環境演化影響，岩性岩相在橫向和縱向上變化很大。位於煤層之上一定距離的岩層都屬於頂板岩石這一范疇。位於煤層上面的岩層叫煤層頂板。采礦工程技術人員根據其力學性質、冒落特徵、頂板的堅硬程度和距煤層的遠近通常將頂板劃分為偽頂、直接頂和老頂3種(圖2.1)。
圖2.1 煤層頂板構成
偽頂:緊貼煤層之上，極易垮落的薄岩層，厚度一般在0.5m以下，多由松軟的泥岩、炭質頁岩組成。偽頂的特點是隨采隨落，很難保留在工作面的上方，它的力學強度極低。所以偽頂對頂板的穩定性沒有任何意義。有的煤層缺失偽頂。
直接頂:是指位於偽頂之上的岩層，煤層以上無偽頂時它可緊貼煤層。通常由泥岩、頁岩、粉砂岩等比較容易垮落的岩層組成，一般厚度為1～2m，均具有一定穩定性。所以當工作面煤層被采落時，直接頂不會立即垮落。多數直接頂在回柱放頂時會垮落，有的則需人工強制放頂。直接頂是採掘工作面的支護對象，如果支護得不好，就會造成冒頂事故。多為頁岩、粉砂岩等較易垮落的岩層組成，具有一定的力學強度。直接頂的穩定性是影響工作面回採的關鍵。有的煤層之上沒有偽頂也沒有直接頂，僅有老頂。
老頂: 又稱基本頂，是指位於直接頂之上、有一定厚度的堅硬岩層。一般厚度較大，堅硬，整體性強，常為砂岩、礫岩、石灰岩等組成，能保持一定的控頂距。其特點是回柱後不自行垮落，往往只發生緩慢下沉。它也可能緊貼煤層之上。基本頂在采空區上方懸露到一定面積後才能垮落，一般只發生緩慢下沉。如果工作面支護不好，往往會造成大面積冒頂事故。因此，它對工作面頂板壓力影響很大。
有的煤層上面沒有偽頂。直接頂、老頂由下向上依次發育的頂板符合規律性成岩理論，這樣的頂板類型簡單，容易管理。三者不同時發育，或發育順序沒有一定的規律性時，頂板類型復雜，難於管理，易發生頂板事故。
從頂板管理角度和頂板岩性分析可將頂板分為易垮落的松軟頂板、中等垮落頂板、難垮落的堅硬頂板、極難垮落的堅硬頂板和塑性彎曲頂板等 5 類頂板。
1) 易垮落的松軟頂板: 一般是較易垮落的岩層，能隨回柱垮落並能充滿采空區，工作面來壓比較緩和。
2) 中等垮落頂板: 直接頂為鬆散岩層，厚度不大，能隨回柱垮落但不能充滿采空區，工作面有周期來壓現象。
3) 難垮落的堅硬頂板: 是直接覆蓋煤層的基本頂，不能隨回柱垮落。周期來壓較明顯，常常造成工作面條件惡化。
4) 極難垮落的堅硬頂板: 煤層之上覆蓋極堅硬的厚岩層，采空區懸頂面積可達幾千甚至幾萬平方米而不垮落，一旦垮落常會形成狂風、巨響，易造成重大事故。如大同礦務局某礦 1961 年 10 月的一次大冒頂，面積達 12.8 ×104m2。
5) 塑性彎曲頂板: 指直接頂具有一定厚度的塑性較大的堅硬岩層，回柱後不垮落而隨采空面積增大呈緩慢彎曲下沉，逐漸與底板接觸。
『伍』 煤礦頂板、老頂的劃分及標准
根據頂底板岩層相對煤層的位置和垮落性能，強度等特徵的不同，從上至下頂板劃分為基本頂（老頂）、直接頂、偽頂三個部分；底板分為偽底、直接底及老底三個部分。不過，對於某個特定的煤層來說，其頂底板的這六個組成部分不一定發育俱全。可能缺失某一個或幾個組成部分的岩層。
1.1煤層的頂板
1.1.1偽頂：是緊貼煤層之上的，極易隨煤炭的采出而同時垮落的較薄岩層，厚度一般為0.3～0.5m，多由頁岩、炭質頁岩等組成。
1.1.2直接頂：是直接位於偽頂或煤層（如無偽頂）之上岩層，常隨著回撤支架而垮落，厚度一般在1～2m，多由泥岩、而岩、粉砂岩等較易垮落的岩石組成。
1.1.3基本頂：又叫老頂，是位於直接頂之上或直接位於煤層之上（此時無直接頂和偽頂）的厚而堅硬的岩層。常在采空區上方懸露一段時間，直到達到相當面積之後才能垮落一次，通常由砂岩、礫岩、石灰岩等堅硬岩石的組成。
1.2煤層底板
1.2.1偽底：直接位於煤層之下的薄層軟弱岩層，多為炭質頁岩或泥岩，厚度一般為0.2～0.3m。
1.2.2直接底：直接位於煤層之下硬度較低的岩層，厚度一般由幾十厘米到1米左右，通常由泥岩、頁岩或粘土岩。若直接底為粘土岩，則遇水後易膨脹，可能造成巷道底鼓與支架插底現象，輕者影響巷道運輸與工作面支護，重者可使巷道遭受嚴重破壞。
1.2.3老底：指位於直接底之下，比較堅硬的岩層，多為砂層，石灰岩等。
2 採煤工作面頂板分類
根據工作面頂板冒落的難易程度，將頂板分為五類。
2.1易冒落的松軟頂板。該類頂板的特點是煤層頂板是易垮落的松軟岩層，回柱後頂板能立即冒落，且能填滿采空區。這類頂板由於冒落比較充分，使位於裂隙帶的老頂岩層，在回採過程中，很容易取得平衡，因而老頂的開裂，彎曲下沉，對工作面幾乎沒有什麼影響，工作面來壓比較緩和，無明顯的周期壓力，靠采空區一側的頂板下沉量較穩定，頂板容易管理。
2.2中等冒落性的頂板。該類頂板的特點是直接頂，厚度一般小於煤層平等的6～8倍，其上部為比較堅硬的老頂，雖然回柱後直接頂隨之垮落，但因厚度不大，不能填滿采空區，老頂則置於懸露狀態，當工作面推進一段距離後老頂才開始垮落，此時因采空區落差較大，致使工作面呈現周期來壓狀態，嚴重時可使采場切頂垮面。對於這類頂板應注意老頂的活動規律。
2.3難冒落的堅硬頂板。這類頂板的特點是老頂直接賦於煤層之上，或有一偽頂，無直接頂，由於老頂垮時采空區的落差太大，使工作面呈現明顯的周期來壓，工作面平時的下沉量及下沉速度較小，而當周期來壓時下沉速度急劇增加，工作面頂板情況迅速惡化，應當注意及時採取措施。
2.4極難冒落的堅硬頂板。這類頂板的特點是煤層板為極其堅硬的整體性厚岩層，在采空區能懸露上萬平方米而不垮落，當垮落時則能形成暴風，致使工作面造成垮面和嚴重破壞。
2.5可塑性彎曲的頂板。該類頂板的特點是直接頂，雖是具有一定厚度的堅硬岩層（如砂岩、石灰岩），但由於其中存在有平行於工作面的節理裂隙，採煤後頂板下沉，在移動過程中斷裂成塊，但仍互相擠在一起具有傳遞水平的能力，就像「砌體梁」一樣，各岩塊互相牽制而成平衡，隨工作面推進頂板彎曲下沉接觸底板
『陸』 煤層頂板分類研究進展
煤層頂板分類方法眾多，隨著世界採煤業的發展，出現了很多種對煤層頂板的劃分方案。我國煤層頂板研究在世界上處於領先地位，勘探階段的煤層頂板穩定性研究主要源於20 世紀 70 年代，當時阜新礦業學院王維純等 ( 1972) 發表文章 「談緩傾斜煤層的頂板分類」指出煤層頂板分類的依據主要有兩個: 下伏岩層的穩定性和上覆岩層的穩定性、垮落性。前者是決定控頂區頂板破壞的首要因素，是選擇架型的主要依據; 後者是決定支架工作參數的主要因素，對選型有重要作用，並指出了煤層頂板劃分方案。1981 年煤炭工業部頒布了新的煤層頂板分類方案，得到了廣泛的應用。其後，1982 年 「頂板分類研究組」在 《煤炭學報》發表文章將直接頂按照岩性指標和工程指標等將其劃分為 4 類，即不穩定頂板、中等穩定頂板、穩定頂板和堅硬頂板。姜榮超等 ( 1988) 結合煤炭工業部頒發的煤層頂板分類方案採用點荷法對緩斜煤層直接頂板進行了分類並對老頂進行了分級。丁述禮等 ( 1994) 利用鑽孔資料開展了單因素分析綜合評價的方法，將煤層頂板穩定性評價指標劃分為 11 個指標，最後採用模糊數學的方法綜合提出煤層頂板穩定性 4 個等級: 穩定、較穩定、不穩定和極不穩定。塗敏 ( 1995) 運用模糊聚類法分析了煤層頂板穩定性，將煤層頂板穩定性劃分為 3 類: 穩定、中等穩定和不穩定。王生全等 ( 1997)利用綜合指數等方法對河北邢台顯得旺井田進行了穩定性評價，將研究區頂板穩定性分為4 種: 穩定頂板、較穩定頂板、不穩定頂板和極不穩定頂板。張樹光等 ( 2000) 通過運用離散等數學理論，對煤層頂板進行了力學分析，並指出了頂板變形特徵及破壞機理。劉衡秋等 ( 2002) 利用模糊評判方法，將煤層頂板穩定性分為 5 類，指出了潘西煤礦頂板穩定性分區。郭德勇等 ( 2002) 根據地質構造因素控制煤層頂板穩定性作用的研究，提出煤層頂板穩定性預測評價的礦井地質構造特徵解析方法，並對平頂山十三礦煤層頂板穩定性進行了預測研究，將十三礦井田煤層頂板分為穩定型、中等穩定型、不穩定型和極不穩定型。文紅偉等 ( 2004) 從 9 個方面採用模糊評判法對煤層頂板穩定性進行了評價，並將山西地區沁水盆地主採煤層頂板分成 4 種類型: 穩定型頂板、較穩定型頂板、不穩定型頂板和極不穩定型頂板。吳教錕等 ( 2004) 對朱家河井田進行了煤層頂板穩定性評價，採用模糊動態聚類與回歸分析等方法，將煤層頂板穩定性評價為 4 類: Ⅰ類不穩定頂板，Ⅱ類中等穩定頂板，Ⅲ類穩定頂板和Ⅳ類非常穩定頂板。高峰等 ( 2005) 採用可拓學理論對其研究區銅礦頂板進行了評價，將頂板評價為 5 個級別: 極穩定、穩定、中等、不穩定和極不穩定。劉海燕等 ( 2006) 採用層次分析法和兩極模糊評判法對兗州煤田頂板穩定性進行了評價，將研究區煤層頂板劃分為 4 種類型: 非常穩定、穩定、中等穩定和不穩定。潘建西等 ( 2006) 採用聲波測井方法對煤層頂板穩定性進行了評價，並將煤層頂板穩定性分為 4 種: 不穩定頂板、中等穩定頂板、穩定頂板和堅硬頂板。劉欽甫等 ( 2007)結合模糊數學理論和灰色理論等方法，對潘三礦煤礦頂板進行了評價，評價結果為 3 類:好、中等和差。張保東 ( 2007) 採用模糊數學方法對貴州五風一煤礦主採煤層頂板穩定性進行了評價，將其劃分為 4 個等級: 穩定性、較穩定、不穩定和極不穩定。李增學等( 2008) 通過採用人工神經網路方法對龍固井田煤層頂板穩定性進行了評價，將主採煤層頂板劃分為穩定型、較穩定型、中等穩定型、較不穩定型、不穩定型 5 級。
綜合以上研究來看，關於煤礦頂板穩定性評價的方法較多，但是，至今沒有一個完全統一的標准和方案。當前劃分方案主要有 3 種。第一種，將煤層頂板穩定性劃分為 3 類:穩定、中等和不穩定; 第二種，也是現今運用得最多的方案，將煤層頂板穩定性劃分為 4類，即穩定、較穩定 ( 中等) 、不穩定和極不穩定; 第三種，將煤層頂板穩定性劃分為 5類，即穩定、較穩定、中等、不穩定和極不穩定。
『柒』 煤層的頂板怎麼分類
1.1煤層的頂板
1.1.1偽頂：是緊貼煤層之上的，極易隨煤炭的采出而同時垮落的較薄回岩層，厚度一般答為0.3～0.5m，多由頁岩、炭質頁岩等組成。
1.1.2直接頂：是直接位於偽頂或煤層（如無偽頂）之上岩層，常隨著回撤支架而垮落，厚度一般在1～2m，多由泥岩、而岩、粉砂岩等較易垮落的岩石組成。
1.1.3基本頂：又叫老頂，是位於直接頂之上或直接位於煤層之上（此時無直接頂和偽頂）的厚而堅硬的岩層。常在采空區上方懸露一段時間，直到達到相當面積之後才能垮落一次，通常由砂岩、礫岩、石灰岩等堅硬岩石的組成。
『捌』 頂板定性及岩性分類
井下開採煤層頂板質量取決於頂板岩石成分、結構和沉積構造以及沉積後早期差異壓實和後期構造作用等，煤層頂板岩體由於沉積環境的演化，岩性岩相在橫向和縱向上變化很大。采礦工程技術人員根據其力學性質和冒落特徵通常將頂板劃分為 3 類，也就是前文提到的偽頂、直接頂和老頂。其中，偽頂一般是由炭質泥岩或炭質頁岩組成，力學強度低，隨采垮落; 直接頂一般由泥岩和砂質泥岩組成，具有一定的力學強度，通常能保持一定寬度的空頂而不冒落，便於支護; 老頂一般由厚層的砂岩組成，能保持一定的空頂距，從而使采場的空間在一定時間內保持穩定。
基於上述實踐，結合多年的實踐研究發現，華北地區煤層頂板組合類型多樣，尤其是三角洲煤層。通過研究發現，煤層與其頂板岩層組合類型分為老頂與煤層直接接觸、煤層- 泥岩 - 老頂組合、煤層 - 粉細砂岩 - 老頂組合、煤層 - 泥岩 - 粉細砂岩 - 老頂組合、煤層 - 粉細砂岩 - 泥岩 - 老頂組合等類型。
1) 老頂直接位於煤層之上。老頂在華北地區分為砂岩和石灰岩，砂岩主要分布在山西組以上的層位，砂岩厚度較大，具有很高的力學強度，只有受到較強的動力地質作用時，老頂砂岩的穩定性才會受到影響，一般較小作用力對頂板穩定性影響微弱。灰岩主要分在晚石炭世—早二疊世，一般說來，灰岩與煤層距離較近，且一般直接與煤層接觸，穩定情況較好，所以這類頂板在工程地質上屬最穩定頂板。但由於采後應力集中，當周期來壓時，就會產生突然的空氣沖擊而毀壞礦井並威脅礦工人身安全，常發生大面積塌頂，因此采後需要特殊的治理措施控制頂板。
2) 煤層 + 粉砂岩、細砂岩 - 老頂組合型式，指煤層之上有數層較薄的粉砂岩和細砂岩岩層，之上為一厚層老頂砂岩。這類頂板是比較穩定的類型，老頂下部的細砂岩、粉砂岩直接頂具有一定的力學強度，在不考慮其他方面因素的影響時，這種組合方式一般是穩定的，但實際情況往往很復雜，岩層中常有裂面、節理等結構面存在，使岩層的穩定情況大不相同。直接頂板岩層不太厚時常因采動影響而垮落下來，給頂板的穩定分析帶來一定的難度。
3) 煤層 + 泥岩 - 粉細砂岩 - 老頂組合型式指直接頂由泥岩和粉砂岩構成，上部與厚層砂岩老頂相接。此類頂板屬於較不穩定類型或中等穩定頂板，泥岩為偽頂，隨采垮落，直接頂岩性工程性質很低，隨采隨落，如果老頂強度不夠大，有可能隨直接頂一起冒落，造成整個頂板的失穩。
4) 煤層 + 粉砂岩 - 泥岩 - 老頂組合與泥岩 - 粉砂岩 - 老頂組合型式性質類似，岩體工程性質較低，粉砂岩—泥岩為偽頂，隨采垮落，直接頂和老頂工程性質很低，屬較不穩定頂板組合類型。
5) 泥岩 - 老頂組合型式指主採煤層之上為泥岩和厚層老頂砂岩組合，當泥岩很薄時被稱為偽頂，如果泥岩有一定的厚度，則歸為直接頂。這種類型的頂板是最不穩定的，泥岩的工程性質很低，隨煤層向前開采，直接頂泥岩失穩，垮落下來，破壞頂板岩層原有的平衡狀態，常產生頂板冒頂事故。
值得注意的是，由於偽頂太厚，很難維護采場工作面所需的空間，這時礦井常採用掩護式支架支護，如果偽頂或直接頂尖滅，老頂砂岩 ( 灰岩) 直接與煤層接觸，會給頂板管理帶來一定困難，因此周期來壓可能產生空氣沖擊毀壞礦井，毀壞大面積頂板，因此，理想的頂板條件是: 較薄的偽頂或沒有偽頂，厚度適中的直接頂 ( 直接頂厚度與煤層采高有關) ，直接頂與偽頂之間無明顯的軟弱面。由此可見，礦井開采時頂板岩體質量不但與岩石類型有關，而且與岩石組合有關。岩層組合方式主要考慮砂岩與泥岩的相對比例，並進行定量評價。岩層組合既有不同岩性的岩層組合、又有不同厚度的岩層組合。相同類型的組合，距煤層距離不同，穩定程度也不相同。頂板的分層厚度越大，直接頂越不易彎曲變形，穩定性越好。
『玖』 主採煤層頂板結構類型及特點
華北晚古生代陸表海盆地形成廣闊的聚煤區域，本次主要以山東的兗州煤田、巨野煤田的龍固井田為例，結合前人研究成果 ( 主要是安徽地區等) ，分析華北地區主採煤層頂板結構類型及其特點。
3.6.1 兗州煤田
3.6.1.1 頂板類型
兗州煤田山西組為淺水三角洲沉積序列，第 3 層煤就是在三角洲平原上聚積形成的。頂板的沉積層序可概化為向上變細層序、向上變粗層序和粗細相間層序，對應的頂板岩體沉積組合關系可分為下硬上軟型、下軟上硬型和復雜型 3 類。
( 1) 向上變細的層序———下硬上軟型頂板
這種類型主要是在以河流作用為主的三角洲平原環境下形成的沉積層序。從下向上，由砂岩 - 粉砂岩 - 砂、泥岩互層 - 泥岩構成。頂板岩體強度由下往上迅速降低，中間存在明顯的沉積弱面。由於河道砂岩橫向上多呈透鏡狀，在砂體下兩側大都為泥岩，並隨砂岩變薄尖滅，泥岩厚度逐漸加厚。砂岩與泥岩交界面常由於在成岩作用過程中產生的差異壓實作用而產生滑面和縱向節理，從而使岩體強度降低，給支護帶來一定的困難。
研究區東灘礦補 34 號孔 3上煤層頂板岩層組合為下硬上軟型頂板 ( 圖3.10) ，由下往上主要包括分流河道、泥炭沼澤、分流間窪地、決口扇及泛濫平原、堤外越岸沉積組合，具有明顯向上變細的半韻律粒度結構，岩相變化快，砂體中層理發育，類型豐富。
東灘礦補 16 號孔 3上煤層頂板岩層組合也屬於下硬上軟型頂板 ( 圖3.11) ，由下往上主要包括分流間灣、分流河道、天然堤相，具有明顯的旋迴構造。層序底部有大型波狀層理和交錯層理，上部為水平交錯層理。整個層序的底部具明顯的沖刷構造，沖刷面常沉積為粗砂岩和中砂岩，向上沉積粉砂岩、泥岩和粘土岩，層理構造規模及層厚均有向上遞減的趨勢。
岩體工程性質與沉積環境存在著密切的關系，在分流河道內沉積的中砂岩與細砂岩形成於較高能量的沉積環境，總體上岩石的粘土含量較少，粒度以砂級為主，經成岩膠結後具有相當高的力學強度。同時在不同的河道深度上，水動力條件也有差異，即由下向上，水動力條件逐漸減弱，底部堆積含泥質包裹體、植物莖干及碎片和粒度較粗的沉積物，粘土質較少，原生孔隙較為發育，在成岩過程中化學膠結物往往難以完全充填膠結這些原生孔隙，成岩後尚存在較大的孔隙度而呈半充填型式，因此在分流河道層序中相對上部的砂岩而言，底部砂岩力學強度有所降低; 而在分流河道的中上部，水力條件較強，粘土雜質較少，並且具有較好的分選性，原生孔隙度適中，在成岩過程中化學膠結物可以較好地膠結充填這些孔隙，因此，整個沉積層序下部即分流河道相的中上部砂岩具有相當高的力學強度，向上至頂部，由於水動力減弱，水位變化等影響，以懸浮載荷沉積作用為主。因此，岩石體力學強度低。上部岩層沉積在分流間窪地、決口扇以及泛濫平原地區，砂泥岩粒度較細，一般為粉砂岩、黏土岩及粉泥或粉細砂岩互層沉積，水動力條件相對較弱，粘土雜質含量明顯增加，力學性質有下降的趨勢。
圖3.10 東灘補 34 號孔煤層頂板組合特徵 ( 下硬上軟型)
圖3.11 東灘補 16 號孔頂板岩層組合型式 ( 下硬上軟型)
下硬上軟型頂板，在采動過程中頂板穩定性極好，但易造成大面積冒頂事故，需採用特殊方法控制和管理。
( 2) 向上變粗層序———下軟上硬型頂板
這種類型主要形成於三角洲平原沉積環境，如大型決口扇和分流間泛濫平原沉積，發育較好的三角洲沉積體系。從下向上粒度逐漸增大，因而沉積物的岩性及結構在垂直層序上具有下細上粗的特徵，如煤田內鮑 2002 - 2 號孔煤層頂板組合為下軟上硬型 ( 圖3.12) 。煤層頂板沉積層序下部為泥炭沼澤、分流間窪地、決口扇三角洲以及分流間泛濫平原，上部為分流河道相及分流間窪地，整體為向上變粗的沉積層序。岩體工程性質由下向上有增高的趨勢。
由於沼澤沉積中有大量的植物根莖，炭質含量高，破壞了沉積物的原始結構。定向排列的植物碎片、碎屑化石及鏡煤條帶形成大量的沉積軟弱結構面，使岩體力學強度有所降低。沼澤相之上的泥岩、粉砂岩均形成於較弱的水動力條件，為低能靜水環境，以懸浮載荷的沉積作用為主，發育水平層理或波狀交錯層理，因此岩體工程性質強度低，上部主要為分流河道相砂岩，岩體工程力學性質迅速增高。這類頂板為下軟上硬型沉積組合結構，是一種頂板管理條件最為理想的類型 ( 圖3.12) 。
下軟上硬型頂板，符合岩層發育的一般規律，在采動過程中為比較理想的組合型式，通常要根據頂板下部軟質岩石的厚度即直接頂和采高來控制和管理頂板。
( 3) 粗細相間層序———復雜型頂板
這類組合主要形成於越岸沉積、分流間灣和大型決口扇環境，與分流河道相沉積伴生，分布於分流河道的一側或兩側，其沉積均以灰白色中細粒石英砂岩與深灰色粉砂質泥岩及互層為特徵。砂岩中見小型交錯層理和波狀交錯層理 ( 圖3.13) 。
復雜型頂板沉積層序由下向上沉積有分流間窪地、分流河道、決口扇、分流間泛濫平原、堤壩等 ( 圖3.13) 。沉積形成復雜型頂板時，水動力條件起決定作用。砂泥岩互層形成於水動力強弱交替、變化頻繁且劇烈的環境，使得沉積物在成分和結構上產生不均一性和交互性，沉積軟弱結構面發育。此外，在較厚的泥岩中往往發育一層或數層炭質頁岩或薄煤層。在細砂岩沉積層中局部發育裂隙，充填方解石脈，底部具大型槽狀交錯層理，具沖刷結構。
頂板岩體沉積組合結構對頂板穩定性產生很大影響。復雜型頂板，從本質上講，主要有兩種組合型式:
1) 煤層頂板由下向上硬度不同，岩性岩層在垂向上旋迴變化，因此岩層內層理面發育，類型豐富，分層厚度小，頂板易產生彎曲變形 ( 圖3.14) 。
2) 軟硬岩層間夾有煤線或薄弱軟岩層，形成一軟弱結構面，構成復合關系。由於薄頂煤層及其下伏含植物根的粘土岩力學強度小，在采動過程中沿此層易於產生離層冒落。因此，這類頂板穩定性差，管理困難 ( 圖3.15) 。
圖3.12 鮑 2002 -2 號孔煤層頂板組合 ( 下軟上硬型)
圖3.13 南屯丁 18 號孔煤層頂板組合 ( 復雜型)
圖3.14 東灘 6 -2 號孔煤層頂板組合 ( 復雜型)
圖3.15 東灘補 27 號孔煤層頂板岩性組合 ( 復雜型)
3.6.1.2 煤層頂板沉積特徵橫縱對比
由於煤層頂板沉積岩層形成於不同的時期，因此在橫向和縱向上均有變化。
( 1) 頂板岩性分布特點研究區內頂板岩層岩性可以分成兩種類型，一類是性質較軟弱的泥岩，包括粘土岩、泥岩、粉砂岩以及粉砂質泥岩和泥質粉砂岩等; 另一類是性質較堅硬的砂岩，包括礫岩、粗砂岩、中砂岩、細砂岩以及相互間的夾層和它們之間的過渡岩性等。
對兩類岩層砂岩和泥岩厚度進行統計，分別作出了泥岩厚度等值線圖、砂岩厚度等值線圖和砂泥比等值線圖( 圖3.16 至 3.18) ，用來分析岩性在整個兗州煤田的分布規律。
從圖3.16 中可以看出兗州煤田內泥岩厚度變化呈近似橢圓狀的圈層向外圍增厚。特別是在鮑店礦區，中部泥岩厚度較薄，最小值為14.94m ( 鮑3 孔) ，四周向外厚度均有增大的趨勢，最大值 60.93m ( 鮑補 15 孔) 。泥岩統計厚度較大的數據還有 60.11m ( 鮑補20 孔) 、50.06m ( 鮑 17 孔) 、50.85m ( 鮑 88 - 5 孔) 、58.08m ( 鮑 1 孔) 。
圖3.16 泥岩厚度等值線 ( m) 圖
泥岩厚度比較集中的區域，煤層頂板統計厚度的岩層主要由泥岩組成，只有少量粉砂岩和細砂岩的夾層存在。平面上泥岩厚度展布似盆形，中心厚度小，四周厚度大。南屯礦區內存在一個泥岩厚度增高區，最大值為 55.72m ( 231 孔) ，向外泥岩厚度逐漸變薄，最小值為5.58m ( 南補26 孔) ，形態表現似穹窿狀。總體上泥岩厚度在整個礦區內呈有規律的帶狀變化，穿越井田中心大致北東 - 南西向存在一條泥岩薄層帶，向兩側泥岩厚度均有所增加，但再向西北及東南方向延伸，泥岩厚度又變薄。
圖3.17 砂岩厚度等值線 ( m) 圖
砂岩在兗州煤田 3上煤層頂板岩層中的展布規律不如泥岩明顯 ( 圖3.17) ，但還是可以看出砂岩在全區內有兩條貫穿南北、斷續分布的厚度增高帶，分別位於礦區的東西兩側，且中部零星分布有穹狀砂岩增厚區。南部丁 65 號孔砂岩厚度為 53.91m，南補 21 號孔砂岩厚 53.02m，均為砂岩厚度較大區域。向北到東灘井田補 13 號孔砂岩厚 56.78m，東補 14 號孔砂岩厚 55.41m，東補 12 號孔砂岩厚 45.43m。再往北程 18 號孔砂岩厚40.14m，興 56 號孔砂岩厚 42.95m，興 49 號孔砂岩厚 48.03m。鮑店礦區內鮑 3 號孔砂岩厚 51.08m，向周圍厚度逐漸減小。
砂岩厚度和泥岩厚度變化可以通過圖3.16 和圖3.17 進行觀察對比，分析全區的岩性、岩相變化規律。泥岩厚度變化 ( 圖3.16) 與砂岩分布 ( 圖3.17) 進行對比，可以看出在泥岩厚度增大的區域，砂岩厚度逐漸減小，而砂岩厚度明顯增大的區域，泥岩厚度則相對降低。
圖3.18 砂泥比等值線圖
圖3.18 由砂/泥統計數據編制而成，結合圖3.17 和圖3.16，可以看出，礦區南部即南屯井田中部，砂泥厚度比值由外圍向中心逐漸增大，如南補 26 號孔和丁 65 號孔砂泥比值分別為 6.20 和 5.53，表明本區砂岩最大厚度是泥岩厚度的 5～ 6 倍之多。東灘井田中部，也有一個比值較大的區域，如東補13、14 號孔統計砂泥比值分別為8.16 和9.22，表明這一區域砂岩厚度是泥岩厚度的 8～9 倍。另外在鮑店井田內也有一個砂岩較厚的區域，比值在 3 左右。
( 2) 煤層頂板岩性岩相橫向對比
由於不同的沉積環境形成不同的岩層，因此橫向上各環境單元也表現出明顯的差異性。根據鑽孔統計數據和岩性描述特徵，在整個礦區進行橫向比較，對頂板岩層厚度及岩性相變的過程進行分析研究。
圖3.19 主要反映兗州煤田 3上煤層頂板在橫向上岩性由泥岩相變為砂岩，再由砂岩逐漸相變為泥岩的橫向變化，頂板岩層厚度起伏明顯，即使為同一層泥岩或砂岩橫向上比較也有很大差異。
如鮑 4 號孔 3 煤層之上直接頂為薄層粉砂岩，到東補 33 號孔相變為粉細砂岩互層，還有薄層泥質岩夾層，至東 15 號孔相變成泥岩，再至東 12 號孔和東 7 號孔又相變為粉砂岩。
直接頂上部一般出現厚層的中砂岩老頂。從鮑 4 號孔直接頂上部為厚層中砂岩，到鮑5 號孔相變為厚層細砂岩，至鮑 44 號孔為厚層中砂岩，東 15 號孔出現厚層中砂岩夾一薄層粉砂岩，東 12 號孔相變為粉細砂岩互層，東 7 號孔出現厚層粗砂岩和中砂岩互層以及薄層細砂岩和中砂岩互層，東2 號孔見細砂岩、中砂岩與粉砂岩互為夾層狀薄層產出。
老頂之上為 2 煤層底板，鮑 4 號孔沉積為薄層粉砂岩 - 泥岩的組合方式，鮑 5 號孔出現厚度增大的粉砂岩，鮑 44 號孔為粉砂岩及較厚的泥層組合，東 12 號孔由下向上有粉砂岩、泥岩、細砂岩和粉砂岩的組合型式，東 7、東 2 號孔又相變為粉砂岩、泥岩的組合型式。
再向上一層為 2 煤層，全區基本穩定，厚度在不同地方有所變化。
2 煤層之上，泥岩、粘土岩厚度明顯增加，特別在鮑 44 號孔、東補 33 號孔、東 15號孔都有厚層泥岩、粘土岩出現，整體上表現出岩體力學性質低的特點。
由於岩性、岩相全區變化，因此岩體表現出不同的工程地質性質。厚層砂岩且粒度較粗的岩體較穩定; 發育粉砂岩、泥岩或有軟弱夾層的岩體工程地質性質相對較弱，由此可以對全區進行橫向對比研究。
3.6.1.3 煤層頂板沉積分區
( 1) 3上煤層頂板岩性分區
根據鑽孔統計數據，每個鑽孔按頂板研究厚度分別計算出泥岩、粘土岩、砂質泥岩以及煤線的厚度總和，粉砂岩和細砂岩、粉細砂岩互層的厚度總和，中砂岩和粗砂岩的厚度總和，然後比較 3 個數據大小，記錄其中最大者，以此作為每個鑽孔的頂板岩性主體，劃分頂板岩性分區 ( 圖3.20) 。
圖3.19 3煤層頂板岩性橫向對比
圖3.20 3上煤層頂板岩性分布
圖3.20反映了3上煤層頂板岩性分布特點，可以看出頂板以泥岩為主的分區呈零星狀展布，面積較小，全區均有分布，局部集中。頂板以中粗砂岩為主的區域，呈近似條狀斷續分布，北部面積較大，中部和南部呈窄條帶狀。其餘面積煤層頂板以細砂岩和粉砂岩為主體，約佔全區的50%，說明井田大部分區域從岩性上判斷屬比較穩定型。
(2)3上煤層頂板岩性組合類型分區
統計3上煤層直接頂岩性與第一層老頂砂岩之間的組合關系，把頂板岩層組合類型分為老頂與煤層直接接觸、煤層-泥岩-老頂組合、煤層-粉細砂岩-老頂組合、煤層-泥岩-粉細砂岩-老頂組合、煤層-粉細砂岩-泥岩-老頂組合等類型。按照各鑽孔統計的岩性組合不同，繪出頂板岩性組合分區圖(圖3.21)。
圖3.21主要反映3煤層上部直接頂岩性與老頂岩層的組合關系，本區直接頂與老頂岩層組合可分為5種類型。
1)老頂直接位於煤層之上，這種類型主要位於兗州煤田北部興隆庄井田內，南部有小面積出現，約占井田面積的15%。老頂砂岩厚度較大，具有很高的力學強度，只有受到較強的動力地質作用時，老頂砂岩的穩定情況才會受到影響，一般較小作用對頂板穩定性影響微弱。所以這類頂板在工程地質上屬最穩定頂板。但由於采後應力集中，常發生大面積塌頂，因此采後需要特殊的治理措施控制頂板。
圖3.21 3上煤層頂板岩層組合分區
2)粉砂岩、細砂岩-老頂組合型式，指煤層之上有數層較薄的粉砂岩和細砂岩岩層，之上為一厚層老頂砂岩。這樣的頂板組合型式全區均有分布，且整體上集中，約占井田面積的35%左右。這類頂板是比較穩定的類型，老頂下部的細砂岩、粉砂岩直接頂具有一定的力學強度，在不考慮其他方面因素的影響時，這種組合方式一般是穩定的，但實際情況往往很復雜，岩層中常有裂面、節理等結構面存在，使岩層的穩定情況大不相同。直接頂板岩層不太厚時常因采動影響而垮落下來，給頂板的穩定分析帶來一定的難度。
3)泥岩-粉砂岩-老頂組合型式指直接頂由泥岩和粉砂岩構成，上部與厚層砂岩老頂相接。這類頂板類型主要在礦區北部和中部較集中，一般呈連續帶狀，約佔全區面積的25%。此類頂板屬於較不穩定類型，直接頂岩性工程性質很低，隨采隨落，如果老頂強度不夠大，有可能隨直接頂一起冒落，造成整個頂板的失穩。
4) 粉砂岩 - 泥岩 - 老頂組合與泥岩 - 粉砂岩 - 老頂組合型式性質類似，岩體工程性質較低，屬較不穩定頂板組合類型。僅在煤田東部成窄條帶狀分布，約佔全區面積的 5%左右。
5) 泥岩 - 老頂組合型式指 3上煤層之上為泥岩和厚層老頂砂岩組合，當泥岩很薄時被稱為偽頂，如果泥岩有一定的厚度，則歸為直接頂。這種類型的頂板是最不穩定的，泥岩的工程性質很低，隨煤層向前開采，直接頂泥岩失穩，垮落下來，破壞頂板岩層原有的平衡狀態，常產生頂板冒頂事故。
3.6.2 巨野煤田龍固井田
3.6.2.1 頂板類型
巨野煤田龍固井田山西組煤層形成於三角洲平原環境，為淺水三角洲沉積序列，第 3層煤就是在三角洲平原上聚積形成的。頂板的沉積層序可概化為向上變細層序、向上變粗層序和粗細相間層序，對應的頂板岩體沉積組合關系可分為下硬上軟型、下軟上硬型和復雜型 3 類。
( 1) 向上變細層序———下硬上軟型頂板
主要為在以河流作用為主的三角洲平原環境下形成的沉積層序。從下向上，由砂岩 -粉砂岩 - 砂、泥岩互層 - 泥岩構成。頂板岩體力學強度由下往上迅速降低，中間存在明顯的沉積弱面。由於河道砂岩體橫向上多呈透鏡狀，在砂體下兩側大都為泥岩，並隨砂岩變薄尖滅，泥岩厚度逐漸加厚。砂岩與泥岩交界面常由於在成岩作用過程中產生的差異壓實作用而產生滑面和縱向節理，從而使岩體強度降低，給支護帶來一定的困難。
研究區 L -1 號孔 3 煤層頂板岩層組合為下硬上軟型頂板 ( 圖3.22) ，由下往上主要包括分流間灣、分流河道、天然堤、決口扇及泛濫平原沉積組合，具有明顯的向上變細的半韻律結構，岩相變化快，砂體中層理發育，類型豐富。層序底部有大型板狀交錯層理和槽狀交錯層理，上部為水平層理。整個層序的底部具明顯的沖刷構造，沖刷面常沉積為粗砂岩和中砂岩，向上沉積粉砂岩、泥岩和粘土岩，層理構造規模及層厚均有向上遞減趨勢。龍固 L -12 號孔 3 煤層頂板岩層組合亦屬於下硬上軟型頂板 ( 圖3.23) ，由下往上主要包括分流間灣、分流河道、天然堤、決口扇及分流間窪地沉積組合，具有明顯的旋迴構造。岩相變化快，砂體常呈透鏡體產出，層理發育，類型豐富。
岩體工程性質與沉積環境存在著密切的關系，在分流河道內沉積的中砂岩與細砂岩形成於較高能量的沉積環境，總體上岩石的粘土含量較少，粒度以砂級為主，經成岩膠結後具有相當高的力學強度。同時在分流河道沉積環境中，不同的河道深度水動力條件也有差異，即由下向上水動力條件逐漸減弱，底部堆積了含泥質包裹體、植物莖干及碎片和粒度較粗的沉積物，粘土質較少，原生孔隙較為發育，在成岩過程中化學膠結物往往難以完全充填膠結這些原生孔隙，成岩後尚存在較大的孔隙度而呈半充填型式，因此在分流河道層序中相對上部的砂岩而言，底部砂岩力學強度有所降低; 而在分流河道的中上部，水力條件較強，粘土雜質較少，並且具有較好的分選性，原生孔隙度適中，在成岩過程中化學膠結物可以較好地膠結充填這些孔隙，因此，整個沉積層序下部即分流河道相的中上部砂岩具有相當高的力學強度，向上至頂部，由於水動力減弱、水位變化等影響，以懸浮載荷沉積作用為主。因此，岩石體力學強度低。上部岩層沉積在分流間窪地、決口扇以及泛濫平原地區，砂泥岩粒度較細，一般為粉砂岩、粘土岩及粉泥或粉細互層沉積，水動力條件相對較弱，粘土雜質含量明顯增加，力學性質有下降的趨勢。
圖3.22 龍固礦 L -1 號孔煤層頂板組合特徵 ( 下硬上軟型)
圖3.23 龍固礦 L -12 號孔煤層頂板沉積組合特徵 ( 下硬上軟型)
下硬上軟型頂板，在采動過程中頂板穩定性極好，但易造成大面積冒頂事故，需採用特殊方法控制和管理。
( 2) 向上變粗層序———下軟上硬型頂板
這種類型主要形成於三角洲平原沉積環境，如大型決口扇和分流間泛濫平原沉積，發育較好的三角洲沉積體系。從下向上粒度逐漸增大，因而沉積物的岩性及結構，在垂直層序上具有下細上粗的特徵，如 L -2 號孔煤層頂板組合為下軟上硬型 ( 圖3.24) 。煤層頂板沉積層序下部為泥炭沼澤相、分流間窪地及分流間灣相，上部為分流河道相及分流間泛濫平原，整體為向上變粗的沉積層序。岩體工程性質由下向上有增高的趨勢。
由於沼澤沉積中有大量的植物根莖，炭質含量高，破壞了沉積物的原始結構。定向排列的植物碎片、碎屑化石及鏡煤條帶，形成大量的沉積軟弱結構面，使岩體力學強度大大降低。沼澤相之上的泥岩、粉砂岩均形成於較弱的水動力條件，一般為低能靜水環境，以懸浮載荷的沉積作用為主，發育水平層理或波狀交錯層理，因此岩體力學強度低，上部主要為分流河道相砂岩，岩體工程力學性質迅速增高。
下軟上硬型頂板，符合岩層發育的一般規律，在采動過程中為比較理想的組合型式，通常要根據頂板下部軟質岩石的厚度即直接頂和采高來控制和管理頂板。
( 3) 粗細相間層序———復雜型頂板
這類組合主要形成於越岸沉積、分流間灣和大型決口扇環境，與分流河道相沉積伴生，分布於分流河道的一側或兩側，其沉積均以灰白色中細粒石英砂岩與深灰色粉砂質泥岩及互層為特徵。砂岩中見小型交錯層理和波狀交錯層理。
復雜型頂板沉積層序由下向上沉積有分流間窪地、分流河道、決口扇、分流間泛濫平原等 ( 圖3 -25) 。沉積形成復雜型頂板時，水動力條件起決定作用。砂泥岩互層形成於水動力強弱交替、變化頻繁且劇烈的環境中，使得沉積物在成分和結構上產生不均一性和交互性，沉積軟弱結構面發育。此外，在較厚的泥岩中往往發育一層或數層炭質頁岩或薄煤層。在細砂岩沉積層中局部發育裂隙，充填方解石脈，底部具大型槽狀交錯層理，具沖刷結構。
頂板岩體沉積組合結構對頂板穩定性產生很大影響。復雜型頂板，從本質上講，主要有兩種組合型式:
1) 煤層頂板由下向上硬度不同，岩性岩層在垂向上旋迴變化，因此岩層內層理面發育，類型豐富，分層厚度小，頂板易產生彎曲變形 ( 圖3.26) 。
2) 軟硬岩層間夾有煤線或薄弱軟岩層，形成一軟弱結構面，構成復合關系。由於薄頂煤層及其下伏含植物根的粘土岩力學強度小，在采動過程中沿此層易於產生離層冒落。因此，這類頂板穩定性差，管理困難 ( 圖3.25) 。
3.6.2.2 煤層頂板結構分區
( 1) 龍固井田 3 煤頂板岩性分區
根據鑽探、測井資料和物探解釋結果，確定煤層頂板岩性空間展布，劃分頂板岩性分區 ( 圖3.27) 。
圖3.24 龍固礦 L -2 號孔煤層頂板沉積組合特徵 ( 下軟上硬型)
圖3.25 龍固 144 號孔煤層頂板組合 ( 復雜型)
圖3.26 龍固 G -40 號孔煤層頂板岩性組合 ( 復雜型)
圖3.27 龍固井田 3 煤頂板岩性分布圖
由圖3.27 可以看出，龍固井田 3 煤層頂板以泥岩為主的地區呈條帶狀連續分布，中南部面積較大，北部南北窄條帶狀分布，面積較小; 頂板以中粗砂岩為主的區域也以條帶狀分布在井田的中部和南部，面積較小; 其餘地區煤層頂板以細砂岩和粉砂岩為主，約佔全區的 60%，說明全區大部分區域從岩性上看屬於比較穩定區域。
( 2) 龍固井田 3 煤頂板岩性組合類型分區
統計 3 煤層直接頂岩性與第一層老頂砂岩之間的組合關系，把頂板岩層組合類型分為: 老頂與煤層直接接觸、煤層 - 泥岩 - 老頂組合、煤層 - 粉細砂岩 - 老頂組合、煤層 -泥岩 - 粉細砂岩 - 老頂組合、煤層 - 粉細砂岩 - 泥岩 - 老頂組合等類型。按照各鑽孔統計的岩性組合不同，繪出頂板岩性組合分區圖( 圖3.28) 。
圖3.28 龍固井田 3 煤層頂板岩層組合分區圖
圖3.28 主要反映 3 煤層上部直接頂岩性與老頂岩層的組合關系，本區直接頂與老頂岩層組合可分為 5 種類型。
Ⅰ.老頂直接位於煤層之上，這種類型主要位於井田東部，呈條帶狀出現，出現面積較大，約占井田面積的 20%左右，老頂砂岩厚度較大，具有很高的力學強度，只有受到較強的動力地質作用時，老頂砂岩的穩定情況才會受到影響，一般較小作用對頂板穩定性影響微弱。所以這類頂板在工程地質上屬最穩定頂板。但由於采後應力集中，常發生大面積塌頂，因此采後需要特殊的治理措施控制頂板。
Ⅱ.粉砂岩、細砂岩 - 老頂組合型式，指煤層之上有數層較薄的粉砂岩和細砂岩岩層，之上為一厚層老頂砂岩。這樣的頂板組合型式主要分布在井田西部，井田北部和東南部小面積出現，約占井田的 25%左右。這類頂板是比較穩定的類型，老頂下部的細砂岩、粉砂岩直接頂具有一定的力學強度，在不考慮其他方面因素的影響時，這種組合方式一般是穩定的，但實際情況往往很復雜，岩層中常有裂面，節理等結構面存在，使岩層的穩定情況大不相同。直接頂板岩層不太厚時常因采動影響而跨落下來，給頂板的穩定分析帶來一定的難度。
Ⅲ.泥岩 - 粉砂岩 - 老頂組合型式指直接頂由泥岩和粉砂岩構成，上部與厚層砂岩老頂相接。這類頂板類型主要在礦區中部呈連續帶狀出現，東北部也有部分出現，約佔全區面積的 25%。此類頂板屬於較不穩定類型，直接頂岩性工程性質很低，隨采隨落，如果老頂強度不夠大，則有可能隨直接頂一起冒落，造成整個頂板的失穩。
Ⅳ.粉砂岩 - 泥岩 - 老頂組合與泥岩 - 粉砂岩 - 老頂組合型式性質類似，岩體工程性質較低，屬較不穩定頂板組合類型。僅在煤田南部零星出現，約佔全區面積的 5%左右。
Ⅴ.泥岩 - 老頂組合型式，指 3 煤層之上以泥岩和厚層老頂砂岩組合，當泥岩很薄時被稱為偽頂，如果泥岩有一定的厚度，則歸為直接頂。這種類型的頂板是最不穩定的，泥岩的工程性質很低，隨煤層向前開采，直接頂泥岩失穩，垮落下來，破壞頂板岩層原有的平衡狀態，常產生頂板冒頂事故。
『拾』 什麼層狀岩類中等型的三類二型的工程地質類型
井田內岩石以碎屑沉積岩為主，層狀結構，岩體各向異性；力學強度變化大回，煤層頂底板岩答石的強度低，以軟弱岩石為主，岩體的穩定性較差。井田內地質構造簡單，岩石裸露地表後易風化破碎，第四系鬆散層分布廣泛，厚度較大，鬆散，未來煤礦開采後，局部地段易發生頂板冒落及底板軟化變形等礦山工程地質問題。因此，井田工程地質勘查類型劃分為第三類第二型層狀岩類工程地質條件中等型。