自从人类进行煤炭开采伊始，就存在煤炭顶板安全问题。多年来，国内外学者对煤矿顶板稳定性研究进行了不懈的探索，取得了大量的研究成果。特别是近 30 多年来， “块体理论”、“模糊评判法”、“灰色理论法”、“模糊聚类法”、“人工神经网络法”、“沉积学方法”、“层次分析法”、“地震属性法”、“地应力分布法”等多种方法，从不同角度分析了顶板稳定性，对煤矿的安全生产起到了指导性作用。
1.2.1 国外研究历史
1.2.1.1 引入沉积作用分析
据郭德勇等 ( 2002，2003) 资料，20 世纪 60 年代，Zienkwicz ( 1977) ，Goodman( 1968) ，Desai 等就将有限元引入地质研究中。20 世纪 70 年代，Elliott ( 1974) ，Ferm 等( 1978) ，Horne 等 ( 1978) ，Hylbert ( 1977) 等学者注意到沉积作用与顶板稳定性的联系，将沉积学理论引入到顶板稳定性的研究中，着重分析了河道作用和决口扇沉积对顶板稳定性的影响。20 世纪 80 年代初，Petranoff ( 1980) ，Bunnell ( 1982) 等尝试从沉积学角度对顶板条件进行了分类，Houseknecht 等 ( 1982) 则进一步将沉积条件与煤和瓦斯突出、煤层变化相联系，Truman 和 Horne ( 1982) 已开始尝试将此类研究成果用于指导生产: 查明了影响煤矿顶板岩层稳定性的主要沉积地质因素有冲刷与凸顶、滑面、擦痕、夹薄顶煤层的砂页岩互层等; 发现煤矿顶板岩层在垂向上和侧向上厚度和岩性变化很大，在矿井煤炭开采过程中顶板冒落、老顶来压和岩煤层突出往往发生在老顶砂岩与页岩的过渡部位。T.V.Petranoff ( 1980) 和 H.H.Damberger ( 1980) 指出，井下回采时，煤层顶板的质量取决于各种岩石类型的内在联系、同沉积构造、沉积早期的压实强度和后期构造特征诸因素。其中顶板的大部分特征可能与沉积作用或早期压实过程有关，后期的构造运动起着强化这些早期特征的作用。1982 年，美国学者 C.D.Elifrits 将地理信息系统 ( GIS) 技术应用于房柱式开采煤矿地面塌陷，开拓了 GIS 在煤矿灾害方面应用之先河。
20 世纪 90 年代，V.R.Shear-Albin ( 1993) 总结认为煤矿井下遇到的大多数控制问题可归因于开采煤层围岩的沉积作用或早期压实强度和后期构造特征诸因素。其中顶板的大部分特征表现在沉积特征和构造特征两方面。与此同时，在地质构造复杂的矿区多采用仪器探测技术，如利用地质雷达探测工作面前方地质构造和地质异常体等技术。前苏联地质学家更重视利用各类地质参数预测开采前方地质变化，如研究煤的物理化学特征来预测断层，统计地质数据进行构造变形分析; 前联邦德国在鲁尔区采用构造成因解析法、槽波地震等方法对工作面前方构造及顶板稳定性进行分析预测，均取得了良好的效果。
1.2.1.2 引入地震分析技术
20 世纪 70 年代与 80 年代期间，在石油地震勘探中用得最多的地震属性研究是基于振幅的瞬时属性。90 年代，地震属性技术取得了重大突破，其范围从计算单道瞬时同相轴属性到提取复杂的多道分时窗的地震同相轴属性以及到生成地震体属性。地震属性技术的应用范围也从简单检测振幅异常发展到检测流体前缘随时间的变化。
1994 年，Amoco 石油公司开发了可用于描绘断层和地层特征的三维相干算法，在1995 年的第 65 届 SEG 年会上，Amoco 石油公司公布了一项用于描述断层和地层特征的解释性处理技术，即相干体 ( Coherence Cube) 技术。相干体技术的出现在地球物理界引起很大的反响，被视为三维地震领域尤其是资料处理解释方面的革命，加深了人们对三维数据体的地质理解。
1995～ 1996 年，Bahorich 和 Farmer 把地震相干性技术从其他地震数据处理技术中分离出来，将相干性作为一种独立的地震属性展示在物探工作者面前，并指出，对应于该项技术的相干算法在地质构造检测方面特别有效，可突出地下地层的细微变化。
在此期间，Mikes S.Bahorich 发表了关于相干数据体的论文，借助三维相干数据体解释地震资料不连续性成像的断层和岩性变化区带。Kenneth A.Ortmann 应用三维相干数据体研究大地构造的扭曲运动，延伸了相干数据体的应用领域。Schlumberger-GeoQuest 地震解释软件公司也把与相干体技术对应的软件推向市场，加速了相干体技术的应用和普及。
Marfurt 等在 1998 年和 1999 年分别提出了他们的研究成果 ( 李增学，1994) ，讨论了用基于相似的相干算法计算三维地震属性和存在构造倾角的相干计算方法。Marfurt 等人在原有的 C1、C2和 C3相干算法的基础上，对相干算法进行了一定程度的改进。
1.2.2 国内研究进展
1.2.2.1 传统地质学分析
国内一些学者从含煤地层沉积环境入手，在分析煤层及其顶板形成沉积条件的基础上，按不同沉积模式分别建立了区域性沉积模式与顶板稳定性关系，对顶板稳定性进行了成功预测。葛道凯 ( 1994) 、彭苏萍 ( 2000) 、孟召平 ( 2002) 等就沉积层序和顶板砂体厚度变化诸方面对顶板冒落性影响进行相似模拟试验研究的基础上，提出了顶板稳定性地质模型，并指出煤层顶板性质基本上取决于沉积建造亚相特征，顶、底板原始沉积环境的空间分布控制了采场顶板整体质量。提出从影响顶板稳定性的地质因素入手，结合岩石力学和采矿工程学的研究方法对煤层顶板稳定性进行了较详细的研究。
于双忠 ( 1994) 和彭向峰 ( 1997) 等从工程地质分析方法入手提出了煤矿巷道围岩稳定性评价新方法: 首先选定 4 个主要的影响因素，即岩石强度、结构面、水对岩体的影响及原岩地应力状态，然后把这 4 个指标综合到一张分类图表中。丁述理 ( 1998) 等建立了单因素分析、综合评判的研究方法: 根据能独立反映某地区某段岩石 ( 体) 工程稳定性的一些独立的因素或变数，如岩石的单向抗压强度、分层厚度、裂隙发育程度、岩性、岩石的形成环境、岩心完整性、岩心采取率等钻孔资料获得的信息，分析这些单因素的评价结果，去粗取精、去伪存真、综合评判，从而有效地削弱各种技术因素、自然因素和人为因素的影响，使最终分析结果能更准确地反映顶板岩石工程稳定性的实际情况。孟召平、程浪洪 ( 2007) 等分析了淮南矿区地应力条件，通过现场地应力测量和理论分析以及数值模拟计算，探讨了圆形硐室围岩应力分布和不同侧压下回采工作面顶板稳定性分布，得出了回采工作面顶、底板稳定性与侧压系数大小密切相关的结论。
徐东强 ( 1999，2000) 等提出运用块体理论法进行矿体顶板稳定性分析，通过详细的现场结构面调查，采用赤平极射投影或矢量分析方法，确定采场中的优势结构面产状，判断由优势结构面所切割块体的稳定性。
1.2.2.2 顶板稳定性的定量分析进展
从 20 世纪 70 年代起，我国的一些科研工作者开始了针对顶板稳定性的岩体工程力学数学方法及结合计算机进行的模拟运算，以期对煤层顶板稳定性进行定量评价和预测。涂敏 ( 1995) 利用模糊类聚法分析了煤层顶板稳定性; 杨双锁等 ( 1997) 利用有限元法对采场顶板稳定性进行了定量分析及分类研究; 张树光等 ( 2000) 应用离散元法对顶板稳定性进行了分析，如通过采用水平层状、正交节理模型顶板建立模型，检测整个顶板的变形来实现其稳定性预测和分析; 曹庆奎、蔡振禹 ( 2004) 利用加权灰色模型评价了煤层顶板稳定性，经过实例分析提出了主观赋权法和客观赋权法相结合的灰色加权关联度综合评价法，该方法可较好地反映出煤层顶板地质条件的灰色性特征，使评价结果客观合理; 文晓红、杨晓东 ( 2004) 提出了将单因素分析、模糊二级评判法相结合的方法来研究煤层顶板稳定性，合理选择能反映煤层稳定性的单因素地质因素，可以极大限度地利用现有勘探成果资料，合理地考虑各种因素来评判顶板综合质量，该方法简单、灵活，评判结果较为准确; 夏玉成、樊怀仁 ( 1998) ，朱宝龙、夏玉成 ( 2001) ，凌标灿等 ( 2003) 针对模糊综合评判模型需要确定因素权重集和隶属函数的人为性等缺点，提出运用人工神经网络定量评价矿井构造，通过构造网络，进行学习训练，得到评价模型，然后进一步计算和预测，该方法可避免偶然性引起的误差，在条件比较复杂或应用单因素难以判断时，获得了明显效果; 李增学、刘海燕等 ( 2004) 提出了应用层次分析法评价煤层顶板稳定性，在确定影响因素权值后，对研究区进行综合分区，依据沉积条件、构造发育特点和岩石力学特征，按照基本因素权重大小进行复合叠加，最终完成定量评价。
1.2.2.3 地球物理探测技术研究
( 1) 地球物理勘探方法的应用
从 20 世纪 60 年代以来，矿井地球物理勘探方法受到人们的普遍重视。如岩体原位应力测量、高精度重磁探测、各种波法、直流电场层析成像、放射性红外测量、孔中电视与防爆测井、磁偶源频率探测与地电法等。近几年，随着计算机技术水平的提高，各种测试仪器的现代化水平也不断提高，体积小、灵敏度高、存储信息量大、操作简单而功能强大的声波测试仪的应用，给煤层顶板稳定性监测带来了很大的方便。
对地质构造探测有显著优势的煤田地震勘探在我国起步较晚。在 20 世纪 80 年代中期以后，蓬勃发展并臻成熟的高分辨率数字二维地震勘探技术在煤田勘探中得到广泛应用。魏树满 ( 1998) 利用钻孔声波测试数据，提出了对岩体进行较精确的速度分层的一种数据处理方法，并通过理论模型及实际声波测试资料对层析技术进行了分析论证。王宏图等( 1989) 利用岩体地应力声波测试方法确定了四川某矿岩体内松动圈范围。徐东强等( 1999) 利用声波测试技术在金厂峪金矿难采矿体顶板稳定性研究中成功预测出了顶板松动圈厚度以及破碎带位置和厚度。郭学彬等 ( l999) 应用声波探测技术探测爆破作用对矿柱损伤的程度和影响范围，为研究矿柱的稳定性提供了依据。王辉、黄鼎成 ( 2000) 利用地震层析成像技术，根据岩体结构理论和地震波在软弱结构面的传播特性，利用地震层析成像技术，实现了岩体稳定性的准确探测与软弱结构面的空间定位。吴文金等 ( 2000)运用岩体声波探测技术测定了淮北芦岭煤矿巷迈围岩松动圈，进行了围岩稳定性分类，为芦岭煤矿今后的巷道支护设计提供了依据。
( 2) 地震信息解释技术的应用
进入 20 世纪 90 年代中期，有效探测小构造的三维地震技术得到应用，近年来基于三维地震信息精细解释构造的地震属性技术和相干/方差体技术得到重视和发展。
相干/方差体技术利用相邻道地震信号之间的相似性来描述地层、岩性等的横向非均匀性，特别是在识别断层以及了解与储集层特征密切相关的砂体展布等方面非常有效。利用相干/方差算法对三维地震数据体进行相干处理后就可得到对应的三维相干/方差数据体。应用三维相干/方差时间切片进行构造解释和岩性解释，可以帮助解释人员迅速认识整个工区断层等构造及岩性的整体空间展布特征，从而达到加快解释速度及提高解释精度、缩短勘探周期的目的。
国内对相干技术的讨论相对较晚，基本上是借鉴、吸收消化国外的先进成果。石油行业于 1996 年开始使用相干体技术并取得了较好的效果。佘德平、曹辉 ( 1998) 等发表了相干数据体研究成果，提出了相干数据体的制作方法并论述了三维相干数据体在实际资料解释中的应用，证明了相干体技术有效、快速和无需人工干预等特点; 杜文凤 ( 1998)的研究表明，在断层解释、采空区圈定、巷道检测等方面应用相干体技术能解释落差为3m 左右的小断层，并且比常规解释方法更直观、快捷。
对于方差数据体，目前研究成果较少。林建东 ( 2000) 的研究表明，方差技术能够更好地满足矿井建设的要求，准确解释含煤地层中落差更小的断层，而且可以更加准确地给出断裂带的产状和延伸方向，也可探明更小的地质异常体。常锁亮 ( 2003) 等则在方差体技术应用小断层、陷落柱等地质异常体良好的自动识别能力方面进行了有效的探索。地球物理技术已经成为高产高效煤矿生产中必不可少的手段。近几年来，地震属性技术受到地球物理界的极大关注。地震属性研究已经成为地震数据处理和解释中重要的研究内容之一。地震属性技术在我国的发展，起步于 20 世纪 80 年代中后期，主要的目的是将地震属性应用于油藏描述。郭彦省、孟召平 ( 2006) 等介绍了应用地震属性技术预测煤层顶板岩性的方法，通过应用交会图、相关分析方法，对钻孔处地震属性与煤层岩性关系进行分析，优选地震属性，将得到的地震属性用神经网络来识别，进而进行应用和预测，取得了较好的应用效果。
地震属性 ( seismic attribute) 指的是那些由叠前或叠后的地震数据，经过数学变换而导出的有关地震波的几何形态、运动学特征和统计特征，它是地震资料中可描述的定量化特征，代表了原始地震资料中所包含的总信息的子集。现在广泛应用的地震属性有 20 多种，并且新的地震属性还不断地从地震数据中被挖掘出来。单一的地震属性所提供的信息往往是片面的，需要对众多复杂而又相互关联的地震属性进行更深入、更贴近本质的认识。
地震属性的分类至今没有统一的标准，不同的学者分别提出过不同的属性分类。结合煤田地震勘探的特点，可以根据运动学/动力学特征把地震属性分成 8 个类别: 时间、振幅、频率、相位、波形、相关、吸收衰减、速度。地震属性的类型很多，要根据解决的地质问题来选择相应的地震属性。
( 3) 地震反演技术
自 20 世纪 70 年代以来，地球物理学家提出了多种地震反演方法。地震反演具有明确的物理意义，是预测岩性的确定性方法，在实际应用中取得了显著的地质效果。
地震反演是利用地表观测地震资料，以已知地质规律和钻井、测井资料为约束，对地下岩层空间结构和物理性质进行成像 ( 求解) 的过程，是反演地层波阻抗 ( 或速度) 的地震特殊处理解释技术。
地震反演通常指波阻抗反演。波阻抗反演技术是岩性地震勘探的重要手段之一，根据钻孔测井数据纵向分辨率很高的有利条件，对井旁地震资料进行约束反演，并在此基础上对孔间地震资料进行反演，推断煤系地层岩性在平面上的变化情况，这样就把具有高纵向分辨率的已知测井资料与连续观测的地震资料联系起来了，实行优势互补，大大提高了三维地震资料的纵、横向分辨率和对地下地质情况的勘探研究程度 ( 李庆忠，1993) 。
地震反演方法基于介质模型的假设条件不同，有直接离散反演方法和波动方程连续估计反演方法; 基于研究域的不同，有时域反演方法和频率域反演方法; 从实现方法上可分为 3 类，即递推反演、基于模型反演和地震属性反演; 基于求解方式的不同，有直接反演方法、迭代反演方法和搜索类反演方法。
近年来，随着勘探地球物理学的发展，非线性反演方法突飞猛进。除一些传统的非线性反演方法，如梯度法 ( Gradient method) 、牛顿法 ( Newton method) 和蒙特卡洛法( MonteCarlo method) 外，一些启发式的反演方法，如模拟退火法 ( Simulated Annealing) 、遗传算法 ( Genetic Algorithm) 、人工神经网络法 ( Artificial Neural Networks) 、小波分析法( Wavelet Analysis) 等应运而生。随着并行计算机的出现，需要大量计算时间的非线性的反演方法有了发展的前提。
波阻抗反演是利用实际地震资料，以地质钻井和测井信息为约束条件，对地质构造和储层物性进行求解的过程，是进行储层预测和描述的必要手段。普通的高分辨率地震剖面不能分辨薄储层，而测井约束波阻抗反演技术以测井资料丰富的高频信息和完整的低频成分补充地震有限带宽的不足，综合地质、测井信息作为约束条件，得到高精度的波阻抗资料。
目前地震反演软件主要有: 俄罗斯地矿部的 PARM，法国 CGG 公司的 ROVIM，中国石油大学的 ANNLOG，加拿大 Hampson-Russell 公司的 STRATA，荷兰 JASON 公司的 JA-SON，丹麦的 ISIS。这些软件各有特色，使用最多的反演软件是 STRATA，它使用起来相当方便，无论是地质人员还是物探人员都可以直接做反演工作。
1.2.2.4 多源信息预测方法
1982 年，美国学者 C.D.Elifrits 将地理信息系统 ( GIS) 技术应用于房柱式开采煤矿地面塌陷，开拓了 GIS 在煤矿灾害防治方面应用之先河。从 80 年代后期起，我国学者也引进了 GIS 技术，并且不断拓展它的应用范围，主要包括煤层顶板稳定性预测、煤矿突水预测、岩溶陷落柱的探测等，取得了一定的效果。GIS 技术的引入，为煤层顶板稳定性预测提供了新的思路和手段。