1.2.1外國研究史
1.2.1.1引起的沈降分析
根據郭德勇等人(2002，2003)的資料，20世紀60年代，Zienkwicz (1977)、Goodman( 1968)、Desai等人將有限元引入地質研究。20世紀70年代，Elliott (1974)、Ferm等人(1978)、Horne等人(1978)、Hylbert (1977)等學者註意到沈積作用與頂板穩定性的關系，將沈積學理論引入頂板穩定性研究。20世紀80年代初，Petranoff (1980)、Bunnell (1982)等人試圖從沈積學角度對頂板條件進行分類，而Houseknecht等人(1982)則進壹步將沈積條件與煤與瓦斯突出和煤層變化聯系起來。Truman和Horne (1982)已經開始嘗試用這類研究成果指導生產:影響煤礦頂板巖層穩定性的主要沈積地質因素有沖刷凸頂、滑動面、擦痕、砂頁巖與薄頂煤層互層等。發現煤礦頂板巖層的厚度和巖性在縱向和橫向上變化很大。煤礦開采過程中，老頂砂巖與頁巖過渡段經常發生冒頂、來壓和煤層突出。T.V.Petranoff (1980)和H.H.Damberger (1980)指出，煤層頂板的質量取決於各種巖石類型、同沈積構造、沈積早期壓實強度和後期構造特征的內在聯系。頂板的大部分特征可能與沈積作用或早期壓實過程有關，後期構造運動對這些早期特征起了強化作用。1982年，美國學者C.D.Elifrits將地理信息系統(GIS)技術應用於房柱式開采煤礦的底板塌陷，開創了GIS在煤礦災害中的應用。
20世紀90年代，V.R.Shear-Albin (1993)認為，地下煤礦遇到的大部分控制問題都可以歸因於開采煤層圍巖的沈積作用或早期壓實強度和後期結構特征等因素。其中，頂板的大部分特征表現在沈積特征和構造特征上。同時，在地質構造復雜的礦區，往往采用儀器探測技術，如利用地質雷達探測工作面前方的地質構造和地質異常。前蘇聯的地質學家更註重利用各種地質參數來預測開采前的地質變化，如研究煤的物理化學特征來預測斷層，統計地質數據分析構造變形等。前聯邦德國在魯爾區用構造成因分析和槽波地震等方法對工作面前方構造和頂板穩定性進行了分析預測，取得了良好的效果。
1.2.1.2引入地震分析技術。
20世紀七八十年代，石油地震勘探中應用最廣泛的地震屬性研究是基於振幅的瞬時屬性。20世紀90年代，地震屬性技術取得了重大突破，從計算單壹道的瞬時同相軸屬性，發展到提取復雜多道分時窗的同相軸屬性，生成地震體屬性。地震屬性技術的應用範圍也從單純檢測振幅異常發展到檢測流體前緣隨時間的變化。
1994年，Amoco石油公司開發了壹種三維相幹算法，可用於描述斷層和地層的特征。在1995第65屆SEG年會上，阿莫科石油公司公布了壹種描述斷層和地層特征的解釋處理技術，即相幹體技術。相幹體技術的出現在地球物理界引起了巨大反響，被認為是三維地震領域的壹場革命，特別是在數據處理和解釋方面，深化了人們對三維數據體的地質認識。
在1995 ~ 1996期間，Bahorich和Farmer將地震相幹技術從其他地震數據處理技術中分離出來，將相位相幹作為壹個獨立的地震屬性呈現給地球物理學家，並指出該技術對應的相幹算法在地質構造探測中特別有效，可以突出地下地層的細微變化。
在此期間，Mikes S.Bahorich發表了壹篇關於相幹數據體的論文，借助三維相幹數據體解釋了地震數據不連續成像的斷層和巖性變化帶。肯尼斯·奧特曼(Kenneth A.Ortmann)應用三維相幹數據體研究大地構造的扭曲運動，拓展了相幹數據體的應用領域。斯倫貝謝-GeoQuest地震解釋軟件公司也將相幹體技術對應的軟件投入市場，加速了相幹體技術的應用和普及。
Marfurt等人分別在1998和1999中提出了他們的研究成果(李增學，1994)，討論了基於相似相幹算法的三維地震屬性和構造傾角的相幹計算方法。Marfurt等人在原有的C1、C2和C3相幹算法的基礎上，對相幹算法進行了壹定程度的改進。
1.2.2國內研究進展
1.2.2.1傳統地質分析
國內壹些學者從含煤地層的沈積環境出發，在分析煤層及其頂板沈積條件的基礎上，根據不同的沈積模式，建立了區域沈積模式與頂板穩定性的關系，並成功預測了頂板穩定性。葛道凱(1994)、(2000)和孟昭平(2002)對頂板砂體的沈積序列和厚度變化對頂板冒落的影響進行了類似的模擬實驗，提出了頂板穩定性的地質模型，指出煤層頂板的性質基本上取決於沈積亞相的特征，頂底板原始沈積環境的空間分布控制著采場頂板的整體質量。提出從影響頂板穩定性的地質因素出發，結合巖石力學和采礦工程的研究方法，對煤層頂板穩定性進行詳細研究。
於雙忠(1994)和彭祥峰(1997)從工程地質分析方法出發，提出了壹種評價煤礦巷道圍巖穩定性的新方法:首先選取巖石強度、結構面、水對巖體的影響、原巖地應力狀態四個主要影響因素，然後將這四個指標綜合成壹個分類圖。丁書立(1998)等人建立了單因素分析與綜合評價的研究方法:根據能夠獨立反映某壹區域某壹段巖石(體)工程穩定性的壹些獨立因素或變量，如巖石的單軸抗壓強度、層狀厚度、裂隙發育程度、巖性、巖石的形成環境、巖心完整性、巖心收獲率等鉆井資料獲得的信息，對這些單因素的評價結果進行分析。它能有效地削弱各種技術因素、自然因素和人為因素的影響，使最終的分析結果能更準確地反映頂板巖石工程穩定性的實際情況。孟昭平和程(2007)分析了淮南礦區的地應力條件。通過原位原位原位地應力測量、理論分析和數值模擬計算，探討了不同側壓力下圓形硐室圍巖應力分布和工作面頂板穩定性分布，得出了工作面頂底板穩定性與側壓力系數密切相關的結論。
徐東強(1999，2000)等人提出了分析礦體頂板穩定性的塊體理論方法。通過對結構面的詳細現場調查，用赤平投影或矢量分析法確定采場優勢結構面的產狀，判斷被優勢結構面切割的塊體的穩定性。
1.2.2.2頂板穩定性定量分析進展
自20世紀70年代以來，我國壹些研究人員開始了以頂板穩定性為目標的巖體工程力學數學方法和與計算機相結合的模擬運算，以定量評價和預測煤層頂板的穩定性。塗敏(1995)用模糊聚類方法分析了煤層頂板的穩定性。楊雙鎖等(1997)用有限元法對采場頂板穩定性進行了定量分析和分類。張曙光等(2000)應用離散元法分析頂板穩定性。例如，通過建立水平分層和正交節理模型，並檢測整個頂板的變形來預測和分析頂板的穩定性。曹慶奎和蔡振宇(2004)利用加權灰色模型評價煤層頂板穩定性，通過實例分析，提出了主觀賦權法和客觀賦權法相結合的灰色加權關聯度綜合評價方法，能更好地反映煤層頂板地質條件的灰色特征，使評價結果客觀合理；溫曉紅和楊曉東(2004)提出了采用單因素分析和模糊二級評價相結合的方法來研究煤層頂板的穩定性，合理選擇能反映煤層穩定性的單因素地質因素，既能充分利用現有勘探成果，又能合理考慮各種因素來判斷頂板的綜合質量。該方法簡單、靈活、準確。夏玉成、範懷仁(1998)、祝寶龍、夏玉成(2001)、淩彪燦等人(2003)提出用人工神經網絡對礦井構造進行定量評價，通過構造網絡、學習和訓練，得到評價模型，再進壹步計算和推算。李增學、劉海燕等(2004)提出應用層次分析法評價煤層頂板穩定性。確定影響因素的權重後，將研究區劃分為綜合區。根據沈積條件、構造發育特征和巖石力學特征，按照基本因素的權重進行復合疊加，最終完成定量評價。
1.2.2.3地球物理勘探技術研究
(1)物探方法的應用
自20世紀60年代以來，礦山地球物理勘探方法越來越受到人們的重視。如巖體地應力測量、高精度重磁探測、各種波動法、DC電場層析成像、放射性紅外測量、鉆孔電視和防爆測井、磁偶極子頻率探測、地電法等。近年來，隨著計算機技術的提高，各種檢測儀器的現代化水平不斷提高。體積小、靈敏度高、存儲信息量大、操作簡單、功能強大的聲波測試儀的應用，給煤層頂板穩定性的監測帶來了極大的方便。
煤田地震勘探在地質構造探測方面優勢明顯，在我國起步較晚。20世紀80年代中期以後，蓬勃發展和成熟的高分辨率數字2D地震勘探技術在煤炭勘探中得到廣泛應用。魏(1998)提出了利用鉆孔聲波測試數據進行巖體精確速度分層的數據處理方法，並通過理論模型和實際聲波測試數據對層析成像技術進行了分析和論證。王洪圖等(1989)利用巖體地應力的聲波測試方法確定了四川某礦巖體中的松動圈範圍。徐東強等(1999)在金廠峪金礦難采礦體頂板穩定性研究中，利用聲波測試技術成功預測了頂板松動圈厚度和破碎帶位置及厚度。郭等(l999)利用聲波探測技術探測了爆破對礦柱的破壞程度和影響範圍，為研究礦柱的穩定性提供了依據。王輝、黃鼎成(2000)根據巖體結構理論和地震波在軟弱結構面中的傳播特征，利用地震層析成像技術準確檢測巖體的穩定性，定位軟弱結構面。吳等(2000)利用巖石聲波探測技術對淮北蘆嶺煤礦巷道圍巖松動圈進行了測量，並對圍巖穩定性進行了分級，為蘆嶺煤礦今後的巷道支護設計提供了依據。
(2)地震信息解釋技術的應用
在20世紀90年代中期，應用了有效探測小構造的3D地震技術。近年來，基於三維地震信息進行構造精細解釋的地震屬性技術和相幹/方差體技術得到了重視和發展。
相幹/方差體技術利用相鄰地震信號之間的相似性來描述地層和巖性的橫向非均質性，特別是在識別斷層和了解與儲層特征密切相關的砂體分布方面。利用相幹/方差算法對三維地震數據體進行相幹處理後，可以得到相應的三維相幹/方差數據體。三維相幹/方差時間切片應用於構造解釋和巖性解釋，可以幫助解釋人員快速了解整個工區斷層等構造的整體空間分布特征，從而加快解釋速度，提高解釋精度，縮短勘探周期。
國內對相關技術的探討比較晚，基本上是借鑒、吸收、消化國外的先進成果。石油行業在1996開始使用相幹體技術，取得了很好的效果。佘德平和曹暉(1998)發表了相幹數據體的研究成果，提出了相幹數據體的制作方法，討論了三維相幹數據體在實際資料解釋中的應用，證明了相幹數據體技術有效、快速、無需人工幹預。杜文峰的研究(1998)表明，相幹體技術在斷層解釋、采空區圈定和巷道探測中的應用，可以解釋落差3m左右的小斷層，比常規解釋方法更直觀、更快捷。
對於方差數據量，目前的研究成果很少。林建東(2000)的研究表明，方差技術能更好地滿足礦井建設的要求，準確解釋含煤地層中落差較小的斷層，更準確地給出斷裂帶的產狀和延伸方向，找出較小的地質異常。常鎖良(2003)等人利用方差體技術對小斷層、陷落柱等地質異常良好的自動識別能力，進行了有效的探索。地球物理技術已成為高產高效煤礦生產中不可或缺的手段。近年來，地震屬性技術受到了地球物理界的高度重視。地震屬性研究已成為地震數據處理和解釋的重要研究內容之壹。我國地震屬性技術的發展始於20世紀80年代中後期，其主要目的是將地震屬性應用於儲層描述。郭、孟昭平(2006)介紹了應用地震屬性技術預測煤層頂板巖性的方法。利用交會圖和相關分析方法，分析了鉆孔地震屬性與煤層巖性的關系，並對地震屬性進行了優化。利用神經網絡對獲取的地震屬性進行識別，然後進行應用和預測，取得了良好的應用效果。
地震屬性是指由疊前或疊後地震數據通過數學變換得到的地震波的幾何形態、運動學特征和統計特征。它是地震數據中的描述性定量特征，代表原始地震數據中包含的全部信息的子集。目前廣泛應用的地震屬性有20多種，並且不斷從地震資料中挖掘出新的地震屬性。單壹地震屬性提供的信息往往是片面的，這就需要對許多復雜的、相互關聯的地震屬性有更深入、更細致的了解。
到目前為止，地震屬性的分類還沒有統壹的標準，不同的學者提出了不同的屬性分類。結合煤田地震勘探的特點，地震屬性按運動學/動力學特征可分為八類:時間、振幅、頻率、相位、波形、相關性、吸收衰減和速度。地震屬性有多種類型，應根據要解決的地質問題選擇相應的地震屬性。
(3)地震反演技術
自20世紀70年代以來，地球物理學家提出了許多地震反演方法。地震反演具有明確的物理意義，是預測巖性的確定性方法，在實際應用中取得了顯著的地質效果。
地震反演是利用地表觀測到的地震資料，在已知地質規律和鉆井、測井資料約束下，對地下地層的空間結構和物性進行成像(求解)的過程。它是壹種特殊的反演地層波阻抗(或速度)的地震處理解釋技術。
地震反演通常指波阻抗反演。波阻抗反演技術是巖性地震勘探的重要手段之壹。根據鉆孔測井資料垂向分辨率高的有利條件，對鉆孔附近的地震資料進行約束反演，在此基礎上，對井間地震資料進行反演，推斷出煤系地層在平面上的巖性變化，從而將已知的垂向分辨率高的測井資料與連續觀測的地震資料聯系起來，實現優勢互補，大大提高了三維地震資料的垂向和橫向分辨率以及地下地質條件的勘探研究程度(李，
地震反演方法基於介質模型的不同假設，包括直接離散反演方法和波動方程連續估計反演方法；基於研究領域的不同，時間域反演方法和頻率域反演方法；從實現方法上可分為三類，即遞歸反演、基於模型的反演和地震屬性反演；根據解的不同，有直接反演法、叠代反演法和搜索反演法。
近年來，隨著勘探地球物理的發展，非線性反演方法有了長足的進步。除了壹些傳統的非線性反演方法，如梯度法、牛頓法和蒙特卡羅法，壹些啟發式反演方法，如模擬退火、遺傳算法、人工神經網絡、小波分析等。隨著並行計算機的出現，需要大量計算時間的非線性反演方法有了發展的前提。
波阻抗反演是以實際地震資料和地質鉆井、測井信息為約束，求解地質構造和儲層物性的過程，是儲層預測和描述的必要手段。普通高分辨率地震剖面無法區分薄儲層，而測井約束波阻抗反演技術以測井數據豐富的高頻信息和完整的低頻成分補充了有限地震帶寬的不足，將地質和測井信息整合為約束，獲得高精度波阻抗數據。
目前地震反演軟件主要有:俄羅斯地礦部的PARM、法國CGG公司的ROVIM、中國尤氏大學的ANNLOG、加拿大Hampson-Russell公司的STRATA、荷蘭JASON公司的JA-SON、丹麥的“伊斯蘭國”。這些軟件各有特色。STRATA是使用最多的反演軟件，使用起來相當方便，地質學家和地球物理學家都可以直接做反演工作。
1.2.2.4多源信息預測方法
1982年，美國學者C.D.Elifrits將地理信息系統(GIS)技術應用於房柱式開采煤礦地面塌陷，開創了GIS在煤礦災害防治中的應用。從20世紀80年代後期開始，我國學者也引進了GIS技術，並不斷擴大其應用範圍，主要包括煤層頂板穩定性預測、煤礦突水預測、巖溶陷落柱探測等。，並取得了壹定的成績。GIS技術的引入為煤層頂板穩定性預測提供了新的思路和手段。