6.3.1 沉积特征与岩石力学性质的关系
沉积岩的沉积特征对其力学性质、岩石变形、井下顶板支护对策的研究均具有重要意义，下面以兖州煤田为例从几个不同方面进行分析。
1) 兖州煤田主采煤层顶板岩性主要为砂岩、粉砂岩、泥岩和粘土岩，岩性不同，岩石力学性质差异很大 ( 表6.10，表6.11) 。同一岩性层的抗压强度变化范围也很大，例如同是细砂岩，由于矿物成分比例、胶结物成分、胶结类型不同，其抗压强度有很大变化。一般情况下砂岩颗粒由大到小，岩石力学强度表现为由高到低。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型顶板。粉砂岩和砂质泥岩类则多为中等稳定顶板。
表6.10 不同岩性的抗压强度
表6.11 含煤岩系岩石力学强度类型
2) 不同岩性的组合关系也显示有不同的岩石力学性质。
·煤层 - 老顶砂岩组合，顶板结构为全硬型或为性质相近的坚硬岩层，具有下硬上软型结构，这种组合的顶板岩石强度高，较稳定，不易垮落，属稳定型顶板 ( Ⅰ级) 。
·煤层 - 泥岩 - 老顶砂岩组合或煤层 - 粉砂岩 - 老顶砂岩组合，顶板结构为下软上硬型结构，这种组合的顶板岩石力学强度次之，软岩层较易垮落，老顶砂岩稳定，属中等稳定型顶板 ( Ⅱ级) 。
·煤层 - 泥岩 - 粉砂岩 - 老顶砂岩或煤层 - 粉砂岩 - 泥岩 - 老顶砂岩组合，顶板结构为下软上硬型结构，这种组合的顶板岩石力学强度更低，下部软岩层极易垮落，直接顶分层厚度较薄，不同岩性层之间形成层理弱面，当顶板悬空时，沿层理面易出现离层而发生顶板冒落。分层越多，其顶板的整体性越差，顶板越不稳定。这种组合的顶板岩石力学性质较弱，属不稳定型顶板 ( Ⅲ级) 。
3) 对沉积岩而言，岩石碎屑之间凭借胶结结构连接在一起，形成固结岩石，因而其力学性质除与碎屑颗粒的矿物成分有关外，也与胶结作用和胶结类型等因素相关 ( 表6.11) 。胶结作用是碎屑沉积物转变为碎屑岩的主要成岩作用，胶结物的成分和胶结作用方式对岩石力学性质有极其重要的影响。碎屑岩中常见的胶结物有硅质、钙质、铁质和粘土质等，这些物质通过成岩阶段的重结晶、胶体的脱水陈化、成岩自生矿物的形成等方式把松散的碎屑胶结起来。试验结果表明，硅质胶结、铁质胶结的碎屑岩强度最高，抗水性强; 钙质胶结的碎屑岩，强度高，但易被水溶解; 泥质粘土质胶结的碎屑岩强度最低，抗水性弱，易泥化和软化。
表6.12 东滩煤矿 4305 -1 运输顺槽顶板岩样测试结果
续表
从表6.12 中的数据也可以看出，同是细砂岩，抗压强度有不同数值，最大者67.8MPa，最小者为 44.6MPa，经研究发现，抗压强度高的砂岩属于硅质胶结，裂隙不发育，即使有少量节理存在，一般被矿物质充填; 抗压强度低的砂岩为泥质胶结，存在大量裂隙、各种层理及生物碎屑。
6.3.2 测井曲线特征与岩石力学性质的关系
测井资料不仅可以定量分析个别点的岩体强度，而且可以确定所测井段的岩层强度，这对于查明较薄的软弱层是很有意义的。根据测井曲线的突向不同，可以反映岩性在垂向的变化规律，但是所确定的同一岩层，在测井曲线上所表现的并不是一条平直的光滑直线，而是有一定规律弯曲的，说明同一岩层的不同位置具有不同的物理力学性质，曲线的弯曲可以是沉积方面或构造方面作用产生的结果。
利用视电阻率曲线间接获得岩石抗压强度的主要原理是: 在沉积岩表面往往吸附离子形成 “电偶层”，外层离子在外电场作用下形成电流，增加了岩石的导电能力，根据一般造岩矿物的溶解度情况，当岩石颗粒变细时，特别是在地层水矿化度较低的情况下，有一部分矿物水解，使溶液中离子数目增加，岩石的电阻率降低，岩石颗粒间的胶结物不同也影响电阻率的高低。例如在其他条件不变的情况下，硅质胶结比泥质胶结的砂岩电阻率高。另外，岩石的孔隙度增大也会使岩石的视电阻率降低。因此，用视电阻率测井曲线可以间接测定岩层的力学性质。
自然伽马曲线形态特征可以从下面几个方面分析。
1) 曲线的幅度是测井曲线形态的重要特性之一，它可以反映出沉积体的粒度、分选性及泥质含量等沉积特征的变化，再把沉积性质与力学性质相结合。粗粒沉积物是高能环境中的产物，一般具有低自然伽马值; 细粒沉积物是低能环境中的产物，一般具有高自然伽马值，根据自然伽马曲线幅度的变化，可以了解环境能量的变化。
2) 曲线形态，反映沉积过程中物源供应与水动力条件等的沉积特征。单层砂岩的顶、底部测井曲线形态，一般可分为渐变型和突变型两大类，反映砂岩沉积初期、末期的物源与水动力条件。
3) 曲线的次级形态如曲线光滑程度与水动力条件对沉积物改造持续时间的长短有关。曲线光滑，说明沉积时水动力作用强、时间长; 若曲线锯齿多，则说明沉积时水动力作用弱、时间短。一般测井曲线的锯齿形态有 4 种类型，即箱形、钟形、漏斗形和菱形( 图6.10) 。
图6.10 测井曲线主要形态
6.3.2.1 兖州煤田测井特征
兖州煤田进行煤田开采时，进行了大量的测井，本次研究重点以兖州煤田为例，对其测井曲线所反映出的岩石力学特征进行研究。
由图6.11 可以看到在井深 559.20m 处有一层厚 13.9m 的粗砂岩，视电阻率曲线表现为砂层上部两个高峰值，砂层下部出现低值段。通过具体分析表明，粗砂岩的上部石英含量高，致密坚硬，裂隙很少发育，孔隙度亦较低，岩体力学强度高，因此视电阻率值高;砂层下部长石含量增加，裂隙发育，岩体切割，力学性质相对上部减弱，视电阻率亦随之降低。自然伽马曲线也能反映上述特点，特别是在砂层低部裂隙的出现，使岩体强度降低，自然伽马曲线对应出现高峰值。
由图6.12 可以看到，在孔深 542.65m 处有一层厚 13.6m 的中砂岩，视电阻率曲线表现为多个峰值，说明岩性分布不均一。当视电阻率处于低峰，伽马曲线表现为高峰值时，对应的中砂岩岩层的沉积环境为低能状态，水动力条件较弱，沉积的细粒物质较多，泥质含量高，岩层表现为弱力学性质，而且局部发育的裂隙也导致岩体强度降低，使测井曲线峰值不断变化。
图6.13 和图6.14 也可以用类似方法分析顶板各分层的力学性质，利用视电阻率曲线特点，结合伽马曲线分析、测定岩层的强度特征。
6.3.2.2 龙固井田
龙固井田为鲁西南地区新发现大煤田，本次研究对之进行了分析，有利于煤田勘探的进行与研究。
由图6.15 可以看出，L -2 号孔 798.60～802.30m 处粉砂岩为缓波状层理，均一，充填黄铁矿，抗压强度较高，为104.4MPa; 至780.05～782.13m 层段粉砂岩呈参差状断口，含煤线，单轴抗压强度较低，为 67.2MPa。图6.16 中 L -21 号孔 967.87～971.40m 层段细砂岩具冲刷构造，夹粉砂岩包裹体及薄层，以石英为主，次为长石，具裂隙，充填方解石及黄铁矿。抗压强度较低，为 42.4MPa; 981.89～955.80m 处细砂岩以石英为主，其次为泥质岩屑，含较多暗色矿物，夹煤线及黄铁矿薄层，发育高角度裂隙，抗压强度较高，为 135.2MPa。
图6.11 鲍 2002 -2 号孔柱状图及测井曲线
图6.12 鲍 2002 -3 号孔柱状图及测井曲线
图6.13 东滩补 33 号孔柱状图及测井曲线
图6.14 兴隆庄生 18 号孔柱状图及测井曲线