神东矿区是我国最大的煤炭生产基地,其所属布尔台矿是一个年产20Mt的大型现代化矿井。在煤矿开采过程中,矿井多次出现上覆岩层切落的安全事故;同时,由于埋深浅、薄基岩和厚风化层等特殊的地质条件导致其经常受煤层动压威胁。因此,急需查明顶板岩石的物理力学特性,进而解决煤层顶板的安全问题,为管理煤层顶板提供科学依据。本文结合地质背景资料分析了研究区的沉积环境,研究了顶板岩体的沉积特征,并利用GMS软件建立三维地质模型分析了顶板岩层的空间展布规律及岩体结构特征,并从宏观角度探讨了层理、裂隙面和岩层面等结构面与岩体质量的关系。同时,通过岩石单轴抗压试验、薄片偏光显微镜实验和声波速度测定试验、XRD及数理统计等方法,从微观角度研究了影响岩石物理力学性质的因素,建立了岩石微观特征与其物理力学性质的关系。结果表明:(1)布尔台井田形成于陆相沉积环境,陆相沉积因介质动力与环境变化不定,岩性比较复杂,一般以陆源碎屑沉积岩为主,颗粒大小不均匀,类型多样,岩相变化大,研究区顶板在垂向上具有旋回结构,具体表现为同种岩性和岩相在垂直方向上重复出现,岩层厚度变化明显;在横向上没有明显的规律性,岩性变化不定,层厚也有较大起伏。(2)研究区构造展布方向以北北东向为主,北北西向次之,矿区内无大型构造,中小型构造比较发育,其中以中小型正断层为主,无逆断层;布尔台矿岩体结构面主要以Ⅲ级、Ⅳ级结构面为主,Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级结构面控制着顶板岩体的力学行为。(3)研究区顶板由一套碎屑岩组成,以砂岩为主;布尔台矿常见层理构造有平行层理、波状层理、交错层理;砂岩中含有大量植物碎片或根茎化石,炭化严重,岩体结构中炭屑含量不同导致其岩体完整性破坏不一。(4)研究区砂岩结构较疏松,矿物颗粒无定向排列,磨圆度中等,胶结类型主要为泥质胶结,部分为钙质胶结;颗粒接触关系以点接触为主,少量为线接触;颗粒支撑类型以杂基支撑为主,少量为颗粒支撑;砂岩矿物主要为石英,其次为长石、云母和岩屑,有机质含量相对较少;石英以单晶石英为主,长石有条纹现象,其蚀变作用明显。(5)布尔台矿砂岩的矿物成分影响其宏观力学性能,石英含量越高,长石含量越低,岩样的力学性能越强;沉积岩的微观结构特征对岩样的力学性质也有重要影响,当颗粒平均粒径减小、分选性变好,岩样的力学性质增强。(6)岩样的声波速度与平均粒径、分选性有关,当岩样平均粒径减小,颗粒分选性越好,岩样的声波速度越大,则岩样的致密性越高,利于岩石力学性质的提高。