煤层顶板稳定性影响因素众多，但是不同地区差异很大，要寻找顶板稳定性评价指标，必须从其影响因素入手，可以说，指标体系的建立是在影响因素基础上提炼而成的。
7.1.1 影响煤层顶板稳定性的地质因素
7.1.1.1 煤层顶板岩性
岩性是影响煤层顶板稳定性的最基本也是最重要的因素。煤层顶板岩性几乎全为沉积岩层，极少数为岩浆岩。岩性不同，抗压强度截然不同 ( 表7.1) ，同一岩性层的抗压强度变化范围很大。例如同是细砂岩，由于矿物成分比例、胶结物成分、胶结类型不一，其抗压强度明显不同。一般地，硅质胶结的石英砂岩强度最大，岩性在直接顶板分类中起着至关重要的作用。据不完全统计，泥岩、页岩为不稳定顶板的占 67%。而砂岩、石灰岩则几乎都为稳定顶板。粉砂岩和砂质页岩之类则多为中等稳定顶板。
表7.1 不同岩性的抗压强度
不稳定型顶板的岩性往往是薄层泥质岩。如淮北海孜矿七煤顶板在东南部的不稳定区就是厚度小于 1m 的泥岩直接顶。大屯煤电公司姚桥矿 7602 工作面发生 9 起冒顶事故，有 2 起是由于泥岩顶局部冒落造成的。有的煤层是由含丰富的植物根化石的岩层组成的不稳定顶板。如美国东部某些煤层，当主采煤层和薄顶煤层间的页岩中广泛分布植物根化石时，页岩强度非常小，即使锚杆密集也无济于事。
直接顶板岩层的组合形式对稳定性也有很大影响，它是反映顶板整体性的最重要因素。这种组合形式也叫 “复合顶板”。复合顶板一般由下软上硬的不同岩性层组成。由于软硬岩层下沉不同步，软的快而硬的慢，从而导致软硬岩层 “离层”。如果顶板中间夹有一层煤线或软弱岩层，就会加快离层。如某矿 7103 工作面，煤层之上为 1m 左右页岩，再上为 1.6m 的砂页岩，其间夹 0.1～0.2m 的炭质泥岩。采掘中发生过冒顶。再如美国怀俄明州某矿 3 号煤层之上 1m 处有一薄煤层 ( 或煤线) ，多次冒顶几乎都是由于薄煤层或煤线与 3 号煤层顶板离层而致。而薄煤层缺失时，情况则截然不同。
有些顶板岩层组合中夹有砂岩透镜体，此时透镜体很容易剥离而发生冒落，尤其是透镜体的边缘部位。
事实已证明，直接顶板中的薄层砂岩往往是潜在的祸根。薄层砂岩的变形不同于其他岩层，它易造成离层而冒落。砂岩冒落的后果比粉砂岩、泥岩严重，往往呈大块岩体下落，造成人身伤亡和设备毁坏。
7.1.1.2 煤层顶板厚度
直接顶板的厚度一般为 2m 左右，但影响岩体强度的却是分层厚度。如果将顶板岩层视为梁，则悬壁梁的抗弯曲能力与分层厚度的三次方成正比，即分层厚度大 2 倍时，其抗弯能力可增加 8 倍。所以，分层厚度越大，直接顶越不容易弯曲变形，其稳定性越好。据不完全统计，在不稳定顶板中，0.1～0.3m 厚的分层厚度占 67%。
7.1.1.3 岩层的层理面
层理面其实也是一种弱面，当顶板悬空时，沿层理面易出现离层而发生顶板冒落。层理越发育，其顶板的整体性越差，因而易发生冒落。如页岩的整体性比厚层泥岩就差得多，前者易破碎，而后者则稳固些。一般认为，层面光滑的水平层理比层面粗糙不平的斜层理或波状层理更易产生离层; 岩性变化形成的层理比由植物碎片、结核等顺层分布所形成的层理更易产生离层。
7.1.1.4 地质构造
地质构造是影响煤层顶板稳定性最重要的因素，尤其是小型构造，它的出现使顶板岩层的整体性、坚固性完全破坏，强度大大减弱。需要强调的是，硬度大、厚度偏大的岩层，其破坏性大。煤矿的冒顶事故，有很多都是由于构造尤其是小断层造成的。
( 1) 小断层
小断层常常出现于顶板中尤其是脆性岩层的顶板中，落差小于煤厚的小断层，虽然对工作面布置关系不大，但对顶板的稳定性却影响很大，应特别注意。
工作面中出现小断层时，不论是正断层还是逆断层，在断层下盘靠近断层面附近最易冒顶。这时断层面为薄弱面，工作面推进时，使下盘岩层与上盘岩层 “离层”而发生冒落，有人把这种包括断层面在内的顶板也叫 “复合顶板”。
小断层走向与工作面的推进方向也有很大关系。当小断层与工作面斜交时，由于顶板被断层面分割为上、下盘两大块，其间失去了连接力，也就不存在抗弯、抗剪和抗拉的能力。因此，两盘岩体会向煤层倾向方向或老塘方向滑移，使支架失稳而产生冒落。当断层与工作面平行时，冒顶范围可能影响到整个工作面控顶区，尤其当工作面倾向煤壁时情况更为严重。因为控顶区顶板正是上述包括断层面在内的 “复合顶板”。断层面是一弱面，它可以导致上、下盘岩体离层，下盘岩体冒落。当断层走向与工作面近似垂直时，其上、下盘局部范围内都有冒顶区。断层下盘冒顶主要是由所谓 “复合顶板”中断层这一弱面起关键作用。断层面上盘冒顶主要是由于顶板向煤层倾向方向或老塘方向滑移，造成支架失稳，尤其当回柱放顶位置距断层很近 ( 一般在 5～ 8m) 时，顶板整体性更差，冒落块体更加活动，就更易发生下滑而冒落。
当工作面内出现两条以上断层时，冒顶的可能性更大。特别是当两条断层的倾向相反组成地垒时，在两断层面之间更易发生冒顶。例如某矿某工作面直接顶为页岩，厚2m，往上为3m厚的砂岩，倾角20°。平行运输巷遇一正断层F1，倾角30°，H=2m。工作面14m处又有一正断层F2，倾角45°，H=1.5m。工作面回采后，初次放顶期间，首先从工作面下端冒顶，继而14m以下部分全部推垮，造成重大事故(图7.1)。
图7.1 某矿某工作面运输巷由于断层存在导致冒顶事故
(2)裂隙
顶板中出现裂隙的多少，直接反映其整体性和坚固性。在直接顶板分类中，把裂隙作为计算强度指数的系数之一。一般以在回采巷道内测得最发育的一组裂隙间距为基准，以具代表性的10～15个观测数据的平均值作为计算指标。但要注意不要把采动形成的裂隙统计在内。据不完全统计，在不稳定顶板中，裂隙间距为0.3m以下的占75%以上。所以，裂隙越发育，密度越大。其间距越小，顶板的稳定性就越差，冒落的可能性就越大。事实上，许多局部冒顶事故都与裂隙密切相关。
例如，当两裂隙面倾向相反时，造成中间岩体呈“A”字形(图7.2(a))，煤采出后最易造成局部冒顶。有的顶板裂隙成弧形，使岩体像一顶草帽盖在煤层之上，称为“草帽裂隙”(图7.2(b))。有的裂隙使岩体像大锅一样支在煤层之上，称为“锅底状裂隙”(图7.2(c))。这些裂隙都有可能造成局部冒顶。锅底状裂隙先是在边缘发生局部冒顶，而后整个“锅”下落，如措施不力，将会压垮支架，造成大冒顶事故。有的顶板被四周裂隙切割成六面体或菱面体的“游离岩块”，当这种游离岩块悬空时，可能造成局部冒顶，特别是当游离岩块厚度为1m左右的硬砂岩时，其危害更大。
图7.2 顶板裂隙与冒顶的关系(据毕华照，1991)
当裂隙面倾向煤壁时，回采空间淋水增大，使工作条件变劣，降低顶板岩石强度，并使支架经受侧向推力，易造成冒顶。当裂隙面倾向采空区时，顶板将缓慢下沉，冒顶事故少，但片帮严重。
( 3) 褶曲
小褶曲对顶板稳定性也有较大影响。一般认为小褶曲的轴部裂隙发育，易造成局部冒顶。当工作面经过向斜时，由于顶板岩层下沉极易离层，或下沉产生张裂隙，从而导致顶板冒落。工作面推过褶曲时，时而采上坡，时而采下坡，造成顶板管理非常困难。采下坡时，采空区垮落岩石可能冲向工作面，撞倒支架，引起冒顶。当回采巷道位于向斜轴部时，由于压应力集中，顶板极易冒落，管理更为困难。但回采巷道如果位于背斜的轴部，由于上拱作用，顶板不易冒落。
( 4) 倾角及其变化
顶板岩层倾角的变化程度也反映顶板破坏程度。有两种区域: 一是倾角相对变化较大的区域; 二是相邻控制点的倾角变化无规律的区域。这两种情况都可能反映顶板岩层发生了断裂或揉皱。总之，岩层整体性、坚固性发生了变化，其强度被大大减弱。因此，上述两种区域的煤层顶板稳定性较差，须特别提防。若煤层倾角较大，直接顶破碎，则顶板岩体易向下滑移，造成局部冒顶。从而使支架失稳，导致工作面压垮。
7.1.1.5 冲刷、相变
在后生冲刷的边缘，由于冲刷体与原顶板岩体粘结力弱，易离层，往往是顶板冒落的潜在危险区; 在顶板相变边缘地带，易发生顶板冒落区，这些冒落区的范围，可以通过对直接顶板岩性分布的分析确定。
7.1.1.6 水文地质条件
水文地质条件对顶板稳定性也有一定影响，其中影响最大的是粘土岩顶板。当岩层中含有遇水易膨胀的粘土矿物 ( 如蒙脱石、伊利石等) 时，矿物晶胞间吸收水分子造成“粒内膨胀”，以及矿物颗粒扩散厚度增大造成 “粒内膨胀”，最终导致岩层发生膨胀，使其与其他岩层发生剥离而造成顶板冒落。若顶板为软硬相间的层状岩体，尤其是为上硬下软顶板时表现更为突出，因硬岩层易产生裂隙，透水性好，而软岩层透水性差 ( 或不透水) ，这样，地下水易在两个岩层面之间富集，使软岩层大量吸水软化，削弱了其坚固性。发生膨胀后，易离层而造成顶板冒落。
考虑水文地质条件时，主要注意下列因素: ①矿物成分及含量，具有膨胀性的矿物遇水后才能发生膨胀，而粘土矿物含量在达到一定比例时，才能表现出显著的膨胀性; ②胶结物及胶结程度，显然，泥质胶结的岩石最易发生膨胀，实验表明，钙质的存在，削弱了岩石的膨胀性，胶结程度越高的岩石，其膨胀率较小; ③含水层、隔水层与顶板的相对位置，这种情况较为复杂，要对具体情况做具体分析。一般含水层离顶板较远，或有隔水层隔离时，影响小。
7.1.1.7 顶板上覆岩层厚度
顶板上覆岩层的厚度越大，其压力越大，顶板的稳定性就越差。美国犹他州某矿就发现，顶板塌落的次数随覆盖层厚度的增加而增加。顶板塌落出现的高百分率位置在厚度接近或超过 600m 的覆盖层下。
7.1.2 指标体系的建立
顶板稳定性评价因素至今在国内仍没有一个完整的指标体系，不同区域根据不同的现实情况采用不同指标进行评价。在选择指标时应根据以下原则: 所选的评选指标应便于实际操作; 应全面反映目标煤矿生产能力; 应能反映煤矿可持续发展能力; 所选指标应具有可比性。
根据山东龙固井田实际的区域情况，选择四大类指标来评价 3 煤层顶板稳定性，即:顶板沉积条件、构造展布、岩性力学性质、其他因素 ( 地震、开采技术) ，每一大类指标又包括若干个指标，共 11 个具体的指标，如图7.3 所示。其中，顶板沉积条件分析主要从岩层组合方式、岩性及层理等 3 个方面进行评价，顶板构造等方面主要从区域构造展布、小构造分布、强岩层效应值以及结构面发育情况进行研究，岩石岩性力学分析主要从结构面发育情况、岩石力学指标及岩石物理性质等因素进行分析，其他因素诸如地震、开采技术条件等应该根据实际情况进行研究。总之，煤层顶板稳定性影响因素繁多，从力学角度、沉积角度等多个方面进行指标综合分析是解决某一个具体问题的关键。
图7.3 顶板稳定性影响因素的递阶层次模型