浅埋弱胶结顶板工作面覆岩分带划分方法及应用

摘要

本发明公开一种浅埋弱胶结顶板工作面覆岩分带划分方法及应用，它首先根据各个岩层受到的最大拉应力与极限应力关系以及极限挠度与离层量的关系，客观分析岩层的断裂情况，然后再根据断裂岩层上部的岩层弱胶结岩层萌生裂纹时的最大挠度以及其破断时的极限挠度和离层量客观分析萌生裂纹的岩层层位，以此判断浅埋弱胶结顶板工作面覆岩划分为几个带，这个判定过程都是基于真实的计算数据，没有一点人为的因素掺杂在判断方法里边，高度准确预判了导水裂隙带发育，真正对现场起到指导性作用。通过对比工作面覆岩岩层完全断裂带的发育高度或覆岩裂纹损伤带最高范围与含水层的位置的大小，准确评价该工作面能否实现保水开采，为矿井安全工作提供了依据。

权利要求

1.一种浅埋弱胶结顶板工作面覆岩分带划分方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：试件制备

在煤矿采掘工作面获取大尺寸弱胶结岩体，采取防风化措施运至实验室进行取芯、打磨成不同岩层的长方体岩样试件;第二步：对长方体岩样试件进行三点弯曲试验

在静态应变仪上对岩样试件进行三点弯曲试验，在加载试验过程中用高速相机连续抓拍岩样试件表面图像，得到不同加载阶段的数字散斑图像，试验结束后，利用计算机处理，获得三点弯曲试验过程中长方体岩样试件煤岩体裂纹萌生、扩展到裂纹群形成宏观破裂的过程，确定加载过程中不同岩层的长方体岩样试件产生裂纹萌生的特征应力σix以及最大极限应力σip；

第三步：浅埋弱胶结顶板工作面覆岩破断的岩层最高范围判定

第3.1：收集浅埋弱胶结顶板工作面地质资料，确定工作面煤层埋深H、开采厚度M、直接顶的厚度hZ以及覆岩弱胶结岩层从下往上每一层的厚度hi，i=1，2，3……N…M…n，其中i代表岩层数；

第3.2：由于浅埋弱胶结顶板工作面开采后，直接顶岩层在采空区直接垮落，形成垮落带，直接顶上面的第一个岩层滞后一段时间断裂，所以从i=2开始，根据梁理论，计算在覆岩载荷作用下第i个岩层的最大弯矩及挠度，进而获得第i个岩层受到的最大拉应力σimax及其破断时的极限挠度ωimax；

第3.3：计算第i个岩层与第i-1个岩层岩梁间的离层量Si；

第3.4：从第二个岩层开始，依次比较第i个岩层受到的最大拉应力σimax与第i个岩层产生裂纹萌生的最大极限应力σip的关系，以及第i个岩层破断时的极限挠度ωimax与离层量Si的关系，从而判定第i个岩层是否破断；具体判断法是：若第i岩层受到的最大拉应力σ2max与其破断时的极限挠度ω2max分别大于其产生裂纹萌生的最大极限应力σip与离层量Si，那么第i岩层发生破断，转到第3.5步：否则不发生破断，那么确定浅埋弱胶结顶板工作面煤层上方第一个至第i-1个岩层全部破断，可称为完全断裂带；那么第i-1个岩层与煤层的垂直间距就是工作面覆岩破断的岩层最高范围Hi-1，此时设第i岩层的岩层数i用字母N代替，然后转入第四步；

第3.5：若第i个岩层发生破断，重复3.2-3.4步骤，继续判断第i+1个岩层发生破断情况，以此类推，直到确定某一个岩层不发生破断为止，设这个不发生破断的岩层为第N个岩层，由此可确定，浅埋弱胶结顶板工作面煤层上方第一个至第N-1个岩层全部破断，可称为完全断裂带；那么第N-1个岩层与煤层的垂直间距就是工作面覆岩岩层完全断裂带的最高范围HN-1；

第四步：判定浅埋弱胶结顶板工作面覆岩第N个以上岩层产生萌生裂纹的岩层层位，以此判断浅埋弱胶结顶板工作面覆岩划分为几个带第4.1：根据梁理论，计算在覆岩载荷作用下第N个弱胶结岩层萌生裂纹时的最大挠度ω2N以及其破断时的极限挠度ωNmax；

第4.2：计算第N层弱胶结岩层与第N-1层岩梁间的离层量SN；

第4.3：通过判别SN与ωNmax、ω2N大小，判定上覆岩层可划分为几带，具体方法如下：若ω2N＞SN，则第N层弱胶结岩层内部无裂纹产生，以弹性变形为主，此时第N层至地表的全部岩层主要以弹性弯曲变形为主，岩层较完整无破坏，此范围岩层成为弹性变形带，弹性变形带的厚度HD为第N个岩层至地表的全部岩层的厚度，这样工作面开采后，上覆岩层可划分为三带，由煤层至上依次形成垮落带、完全断裂带与弹性变形带；

若ω2N≤SN＜ωNmax，则判定第N层弱胶结岩层生成裂纹但没有完全断裂，继续第4.4步骤；

第4.4：若第N个岩层生成裂纹，那么重复4.1至4.3步骤，继续判断下一个N+1岩层有无裂纹，以此类推，直到确定某一个岩层不生成裂纹，设这个不生成裂纹的岩层为第M岩层，由此判定第M-1个岩层为萌生裂纹的最后岩层层位，由此可确定，浅埋弱胶结顶板工作面煤层上方第N个至第M-1个岩层生成裂纹，此部分称为裂纹损伤带，其厚度为第N个至第M-1个岩层的总厚度，同时裂纹损伤带发育至第M-1个岩层，覆岩裂纹损伤带的发育高度为第M-1个岩层与煤层的垂直间距HM-1；这样第M个至地表的全部岩层主要以弹性弯曲变形为主，岩层较完整且无破坏，也就是弹性变形带，其厚度HD为第M个至地表的全部岩层的厚度；这样工作面开采后，上覆岩层可划分为四带，由煤层至上依次形成垮落带、完全断裂带、裂纹损伤带与弹性变形带。

2.一种利用权利要求1所述的浅埋弱胶结顶板工作面覆岩分带划分方法评价工作面保水开采的方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：首先判断采煤工作面开采后，浅埋弱胶结顶板工作面覆岩划分为三带还是四带；

第二步：通过查阅地质勘探资料或现场测试，获得采煤工作面含水层的最低端到煤层上方的距离HW；

第三步：根据比较工作面覆岩岩层完全断裂带的最高范围HN-1与含水层的最低端到煤层上方的距离HW的大小，评价该工作面能否实现保水开采；具体分为以下两种情况：第一种情况：若采煤工作面开采后覆岩顶板划分为三带，对比工作面覆岩岩层完全断裂带的最高范围HN-1与含水层的最低端到煤层上方的距离HW的大小，若HN-1≥HW，则评价该工作面不能实现保水开采，反之能够实现保水开采；

第二种情况：若采煤工作面开采后覆岩顶板划分为四带，对比覆岩裂纹损伤带的发育高度HM-1与含水层的最低端到煤层上方的距离HW的大小，若HM-1≥HW，则评价该工作面不能实现保水开采，反之能够实现保水开采。

说明书

浅埋弱胶结顶板工作面覆岩分带划分方法及应用

技术领域

[0001] 本发明涉及矿井采场一种覆岩分带划分方法，尤其是用于浅埋弱胶结顶板工作面覆岩分带划分方法，可用于瓦斯抽放钻孔的布置、工作面覆岩导水带的评估。

背景技术

[0002] 覆岩的移动破坏,在竖直方向上通常划分为“三带”，即垮落带、断裂带和弯曲带。垮落带的高度主要取决于采高和上覆岩石的碎胀性，通常为采高的3～5倍，而断裂带取决于岩层间离层量及岩层自身力学强度，一般为采高的10～15倍。高度准确地划分顶板“三带”，对地表变形、保水开采、井下支护、瓦斯抽放以及顶板水害等重要问题有着较大的影响。因此，准确地划分顶板“三带”，在生产实践中具有重要现实的意义。

[0003] 现阶段，确定覆岩岩层分带高度的方法主要有经验方法、地球物理方法、垂直钻孔观察方法、数值模拟和相似模拟。这些方法加深了人们对于顶板岩体分带理论和对各分区内岩体变形和破坏特征的认识。但是这些方法也存在一定问题，经验方法缺乏理论基础，而相似模拟和数值模拟方法往往对现场实际情况进行了大量简化，从而使其结果很难应用于现场。而垂直钻孔观测方法来源于对现场的直接观测，但是其也有自身的缺点。如具有以下缺点：第一，现场由于成本控制，可用观测顶板分层的钻孔较少，而实际顶板岩层高度往往会因为构造、岩性等的不同，而出现较大的差别，从而引起钻孔观测结果的不准；第二，钻孔观测的对象主要为宏观裂缝，因此这就导致垂直钻孔观察方法往往在确定导水裂隙带应用较多，而不能很好应用到顶板分带的进一步细化和变形特征确定上。

[0004] 现有的技术中，针对工作面覆岩分带划分方法，进行了一系列技术改进，例如：(1)中国专利公开号CN104405372A公开了一种基于高位钻孔流量的测试采场覆岩竖三带高度方法，该发明在工作面煤巷实体煤向采空区侧卸压区域布置走向斜交高位钻孔，利用走向斜交高位钻孔的抽采数据判定和测试采场覆岩冒落带、导水裂隙带高度。中国专利公开号CN108119142A公开的一种“五图-三带-两分区”保水采煤方法，这两个文献公开的技术均需要提前进行钻孔，在浅埋弱胶结顶板矿井布置时，由于浅埋弱胶结顶板强度较低，完整性较差，容易出现塌孔，不利于钻孔抽采，影响监测数据，导致采场覆岩冒落带、导水裂隙带高度判断不准确，无法科学的对现场进行指导。(2)已有专利CN108733964 A公开了一种短壁块段式采煤覆岩导水裂隙带发育高度预测方法，该发明通过现场调研及实验室实验，确定回采范围及煤岩层物理力学参数；然后借助借助3DEC数值模拟软件，得出主控因素与导水裂隙带发育高度之间的关系；最后采用MATLAB对导水裂隙带高度模拟结果进行非线性回归分析，最终建立预测短壁块段式采煤覆岩导水裂隙带发育高度的模型，但是该发明中采用数值模拟的方法对导水裂隙带发育高度进行研究，由于数值模型结果完全取决于建模方法、输入参数、模型结果验证等诸多方面,模拟结果主观性较大，很难反映真实情况，导致对导水裂隙带发育高度预判不准确，无法对现场起到指导性作用。

发明内容

[0005] 为了准确判断浅埋弱胶结顶板工作面开采导水裂隙带高度，真实反映现场情况，本发明提出一种新的浅埋弱胶结顶板工作面覆岩分带划分方法，利用该方法可对工作面开采后的浅埋弱胶结顶板进行分带划分。

[0006] 本发明同时提供该方法在评判能否实现保水开采上的应用。

[0007] 为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

[0008] 一种浅埋弱胶结顶板工作面覆岩分带划分方法，其特征在于，包括以下步骤：

[0009] 第一步：、试件制备

[0010] 在煤矿采掘工作面获取大尺寸弱胶结岩体，采取防风化措施运至实验室进行取芯、打磨成不同岩层的长方体岩样试件；

[0011] 第二步：对长方体岩样试件进行三点弯曲试验

[0012] 在静态应变仪上对岩样试件进行三点弯曲试验，在加载试验过程中用高速相机连续抓拍岩样试件表面图像，得到不同加载阶段的数字散斑图像，试验结束后，利用计算机处理，获得三点弯曲试验过程中长方体岩样试件煤岩体裂纹萌生、扩展到裂纹群形成宏观破裂的过程，确定加载过程中不同岩层的长方体岩样试件产生裂纹萌生的特征应力σix以及最大极限应力σip；

[0013] 第三步：浅埋弱胶结顶板工作面覆岩破断的岩层最高范围判定

[0014] 第3.1：收集浅埋弱胶结顶板工作面地质资料，确定工作面煤层埋深H、开采厚度M、直接顶(垮落带)的厚度hZ以及覆岩弱胶结岩层从下往上每一层的厚度hi(i＝1，2，3……N…M…n)，其中i代表岩层数；

[0015] 第3.2：由于浅埋弱胶结顶板工作面开采后，直接顶岩层在采空区直接垮落，形成垮落带，直接顶上面的第一个岩层滞后一段时间断裂，所以从i＝2开始，根据梁理论，计算在覆岩载荷作用下第i个岩层的最大弯矩及挠度，进而获得第i个岩层受到的最大拉应力σimax及其破断时的极限挠度ωimax；

[0016] 第3.3：计算第i个岩层与第i-1个岩层岩梁间的离层量Si；

[0017] 第3.4：从第二个岩层开始，依次比较第i个岩层受到的最大拉应力σimax与第i个岩层产生裂纹萌生的最大极限应力σip的关系，以及第i个岩层破断时的极限挠度ωimax与离层量Si的关系，从而判定第i个岩层是否破断；具体判断法是：

[0018] 若第i岩层受到的最大拉应力σ2max与其破断时的极限挠度ω2max分别大于其产生裂纹萌生的最大极限应力σip与离层量Si，那么第i岩层发生破断，转到第3.5步：

[0019] 否则不发生破断，那么确定浅埋弱胶结顶板工作面煤层上方第一个至第i-1个岩层全部破断，可称为完全断裂带；那么第i-1个岩层与煤层的垂直间距就是工作面覆岩破断的岩层最高范围Hi-1，此时设第i岩层的岩层数i用字母N代替，然后转入第四步；

[0020] 第3.5：若第i个岩层发生破断，重复3.2-3.4步骤，继续判断第i+1个岩层发生破断情况，以此类推，直到确定某一个岩层不发生破断为止，设这个不发生破断的岩层为第N个岩层，由此可确定，浅埋弱胶结顶板工作面煤层上方第一个至第N-1个岩层全部破断，可称为完全断裂带；那么第N-1个岩层与煤层的垂直间距就是工作面覆岩岩层完全断裂带的最高范围HN-1；

[0021] 第四步：判定浅埋弱胶结顶板工作面覆岩第N个以上岩层产生萌生裂纹的岩层层位，以此判断浅埋弱胶结顶板工作面覆岩划分为几个带

[0022] 第4.1：根据梁理论，计算在覆岩载荷作用下第N个弱胶结岩层萌生裂纹时的最大挠度ω2N以及其破断时的极限挠度ωNmax；

[0023] 第4.2：计算第N层弱胶结岩层与第N-1层岩梁间的离层量SN；

[0024] 第4.3：通过判别SN与ωNmax、ω2N大小，判定上覆岩层可划分为几带，具体方法如下：

[0025] 若ω2N＞SN，则第N层弱胶结岩层内部无裂纹产生，以弹性变形为主，此时第N层至地表的全部岩层主要以弹性弯曲变形为主，岩层较完整无破坏，此范围岩层成为弹性变形带，弹性变形带的厚度HD为第N个岩层至地表的全部岩层的厚度，这样工作面开采后，上覆岩层可划分为“三带”，由煤层至上依次形成垮落带、完全断裂带与弹性变形带；

[0026] 若ω2N≤SN＜ωNmax，则判定第N层弱胶结岩层生成裂纹但没有完全断裂，继续第4.4步骤；

[0027] 第4.4：若第N个岩层生成裂纹，那么重复4.1至4.3步骤，继续判断下一个N+1岩层有无裂纹，以此类推，直到确定某一个岩层不生成裂纹，设这个不生成裂纹的岩层为第M岩层，由此判定第M-1个岩层为萌生裂纹的最后岩层层位，由此可确定，浅埋弱胶结顶板工作面煤层上方第N个至第M-1个岩层生成裂纹，此部分称为裂纹损伤带，其厚度为第N个至第M-1个岩层的总厚度，同时裂纹损伤带发育至第M-1个岩层，覆岩裂纹损伤带的发育高度为第M-1个岩层与煤层的垂直间距HM-1；这样第M个至地表的全部岩层主要以弹性弯曲变形为主，岩层较完整且无破坏，也就是弹性变形带，其厚度HD为第M个至地表的全部岩层的厚度；这样工作面开采后，上覆岩层可划分为“四带”，由煤层至上依次形成垮落带、完全断裂带、裂纹损伤带与弹性变形带。

[0028] 至此，本发明浅埋弱胶结顶板工作面覆岩分带划分方法结束。

[0029] 利用本发明浅埋弱胶结顶板工作面覆岩分带划分方法评价工作面能否实现保水开采的方法为：

[0030] 第一步：首先判断采煤工作面开采后，浅埋弱胶结顶板工作面覆岩划分为三带还是四带；

[0031] 第二步：通过查阅地质勘探资料或现场测试，获得采煤工作面含水层的最低端到煤层上方的距离HW；

[0032] 第三步：根据比较工作面覆岩岩层完全断裂带的最高范围HN-1与含水层的最低端到煤层上方的距离HW的大小，评价该工作面能否实现保水开采；具体分为以下两种情况：

[0033] 第一种情况：若采煤工作面开采后覆岩顶板划分为“三带”(由煤层至上依次形成垮落带、完全断裂带与弹性变形带)，对比工作面覆岩岩层完全断裂带的最高范围HN-1与含水层的最低端到煤层上方的距离HW的大小，若HN-1≥HW，则评价该工作面不能实现保水开采，反之能够实现保水开采。

[0034] 第二种情况：若采煤工作面开采后覆岩顶板划分为“四带”(由煤层至上依次形成垮落带、完全断裂带、裂纹损伤带与弹性变形带)，对比覆岩裂纹损伤带的发育高度HM-1与含水层的最低端到煤层上方的距离HW的大小，若HM-1≥HW，则评价该工作面不能实现保水开采，反之能够实现保水开采。

[0035] 本发明的优点是：

[0036] 1、本发明工作面覆岩分带划分方法不需要提前进行钻孔，不会破坏浅埋弱胶结顶板工作面覆岩，在实施时不影响监测数据，导水裂隙带高度判断准确，能科学的对现场进行指导。

[0037] 2、本发明工作面覆岩分带划分方法完全是依据浅埋弱胶结顶板工作面地质资料，首先根据各个岩层受到的最大拉应力与极限应力关系以及极限挠度ωimax与离层量Si的关系，客观分析岩层的断裂情况，然后再根据断裂岩层上部的弱胶结岩层萌生裂纹时的最大挠度ω2N以及其破断时的极限挠度ωNmax和离层量SN，客观分析萌生裂纹的岩层层位，以此判断浅埋弱胶结顶板工作面覆岩划分为几个带，这个判定过程都是基于真实的计算数据，没有一点人为的因素掺杂在判断方法里边，高度准确预判了导水裂隙带发育，真正对现场起到指导性作用。

[0038] 3、本发明通过对比工作面覆岩岩层完全断裂带的发育高度或覆岩裂纹损伤带最高范围与含水层的位置的大小，准确评价该工作面能否实现保水开采，为矿井安全工作提供了依据。

附图说明

[0039] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

[0040] 图1为试件示意图；

[0041] 图2为三点弯试验示意图；

[0042] 图3为三点弯试验应力-时间曲线示意图；

[0043] 图4为上覆岩层“三带”示意图；

[0044] 图5为上覆岩层“四带”示意图。

具体实施方式

[0045] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

[0046] 第一步：试件制备

[0047] 在西部典型浅埋矿井井下集中巷或工作面顺槽现场获取大块弱胶结砂质泥岩，并用保鲜膜密封后运至室内实验室；使用切割机将大块结砂质泥岩制备成长×宽×高为150mm×35mm×35mm的长方体岩样试件，(见图1)；利用磨平机将长方体试件六个断面打磨平滑，要求两端面不平行度≤0.01mm，直径偏差≤0.02mm。为保持岩样力学性质的稳定性，在制备岩样时尽可能在同一大块结砂质泥岩制备试件。另外，对制备的长方体试件进行声波测试，每个岩层挑选波速相近的5个试件开展如下室内实验。

[0048] 第二步：对砂质泥岩长方体试件进行三点弯曲加载试验见图2

[0049] 第2.1：采用伺服压力实验机对砂质泥岩长方体试样进行加载速率为0.01mm/s的三点弯曲加载试验；在加载过程中，同步采用高速摄像机对砂质泥岩长方体表面进行实时拍照，获得三点弯曲试验过程中长方体岩样表面煤岩体裂纹萌生、扩展到裂纹群成带形成宏观破裂的过程，捕捉试件岩样表面裂纹萌生特征点；另外，利用伺服压力实验机的控制与记录系统，记录加载压头的载荷，获得压头的载荷与加载时间的关系。

[0050] 所述试验步骤具体如下：

[0051] (1)先将制备好的砂质泥岩长方体试样放置试验架中间，用游标卡尺测量试件的长度L；

[0052] (2)打开伺服压力实验机载荷控制与记录系统，控制伺服压力实验机加载贴近试样，注意此时试验机压头不能对试件进行加载，同时也不记录数据；

[0053] (3)用白光光源照射岩样表面，将高速照相机放置与试件正前方；调整高速相机照射角度，调整相机镜头与岩样表面近似平行，再人工调整对焦，使高速相机抓拍的岩样图像清晰；同时，将高速摄像机与计算机相连接，控制连续拍照并存储拍摄照片。

[0054] (4)以0.01mm/s的速度给试件施加荷载直至试件基本丧失承载能力，通过伺服压力实验机的控制与记录系统记录压头载荷，获得图3所示的载荷-时间曲线；同时利用计算机启动高速摄像机拍摄试件表面图像，直至试件基本失去承载能力停止拍摄；

[0055] (5)重复(1)-(4)，直到将5个岩样试验完毕；

[0056] 第2.2、确定岩样产生裂纹萌生的特征应力σx以及最大极限应力σp[0057] (1)试验加载完毕后，通过对高速摄像机拍摄试件表面图像进行分析，捕捉岩样裂纹萌生时刻T；

[0058] (2)因三点弯曲加载试验与高速摄像同步进行，故可在载荷-时间曲线上找出岩样裂纹萌生时刻T对应的载荷F1；此外，也可在载荷-时间曲线上获得最大载荷值F2(见图3)；

[0059] (3)根据材料力学中简支梁理论，利用公式(1)即获得不同岩层试样裂纹萌生的特征应力σix；根据公式(2)获得试样最大极限应力σip

[0060]

[0061]

[0062] 式中，b为试样宽度；h为试样的高度；F1为试样萌生裂纹时的压头载荷；F2压头最大载荷；L为试件的长度。

[0063] 第三步：浅埋弱胶结顶板工作面覆岩破断的岩层最高范围判定

[0064] 第3.1：收集浅埋弱胶结顶板工作面地质资料，确定工作面煤层埋深H、开采厚度M、直接顶(垮落带)的厚度hZ以及覆岩弱胶结岩层从下往上每一层的厚度hi(i＝1，2，3……N…M…n)，其中i代表岩层数；其中，直接顶(垮落带)的厚度hZ可通过公式(3)获得。

[0065]

[0066] 式中，M、SA、KA分别为开采厚度、岩梁实际沉降值、直接顶的碎胀系数。

[0067] 第3.2：由于浅埋弱胶结顶板工作面开采后，直接顶岩层在采空区直接垮落，形成垮落带，直接顶上面的第一个岩层基本顶滞后一段时间断裂，所以从i＝2开始，根据梁理论，利用公式(4)与(5)分别计算第i个岩层受到的最大拉应力σimax及其破断时的极限扰度ωimax；以及根据公式(7)，计算第i层岩层与第i-1层岩梁间的离层量Si。

[0068]

[0069]

[0070]

[0071]

[0072] 式中，qi、Ei、hi和Li分别为第i个弱胶结岩层的所受载荷、弹性模量、厚度以及跨度；b0为工作面宽度；α为上覆岩层断裂角；Ki为第i个弱胶结岩层破断后的碎胀系数，hn为第1层至第i-1层某一岩层厚度；

[0073] 第3.3：通过比较第i个岩层受到的最大拉应力σimax与其最大极限应力σip的关系以及其破断时的极限挠度ωimax与其离层量Si的关系，从判定第i个岩层是否破断；具体判断法是：

[0074] 若第i岩层受到的最大拉应力σimax与其破断时的极限挠度ωimax，分别大于第i岩层产生裂纹萌生的极限应力σip与其离层量Si，那么第i岩层发生破断，转到第3.4步：

[0075] 否则不发生破断，那么确定浅埋弱胶结顶板工作面煤层上方第一个至第i-1个岩层全部破断，可称为完全断裂带；那么第i-1个岩层与煤层的垂直间距就是工作面覆岩破断的岩层最高范围Hi-1，此时设第i岩层的岩层数i用字母N代替，然后转入第四步；

[0076] 第3.4：若第i个岩层发生破断，重复3.2-3.3步骤，继续判断第i+1个岩层发生破断情况，以此类推，直到确定某一个岩层不发生破断为止，设这个不发生破断的岩层为第N个岩层，由此可确定，浅埋弱胶结顶板工作面煤层上方第一个至第N-1个岩层全部破断，可称为完全断裂带；那么第N-1个岩层与煤层的垂直间距就是工作面覆层完全断裂带的岩岩最高范围HN-1；

[0077] 第四步：判定浅埋弱胶结顶板工作面覆岩第N个以上岩层产生萌生裂纹的岩层层位，以此判断浅埋弱胶结顶板工作面覆岩划分为几个带

[0078] 第4.1：根据梁理论，利用公式(8)～(10)计算在覆岩载荷作用下第N个弱胶结岩层萌生裂纹时的最大挠度ω2N以及第N层弱胶结岩层与第N-1层岩梁间的离层量SN；同时据公式(5)计算第N个弱胶结岩层破断时极限扰度ωNmax；

[0079]

[0080]

[0081]

[0082] 式中，EN、hN和LN分别为第N个弱胶结岩层的弹性模量、厚度以及跨度；EN-1、hN-1和LN-1分别为第N-1个弱胶结岩层的弹性模量、厚度以及跨度；

[0083] 第4.2、通过判别SN与ωNmax、ω2N大小，判定上覆岩层可划分为几带，具体方法如下：

[0084] 若ω2N＞SN，则第N层弱胶结岩层内部无裂纹产生，以弹性变形为主，此时第N层至地表的全部岩层主要以弹性弯曲变形为主，岩层较完整无破坏，此范围岩层成为弹性变形带，弹性变形带的厚度HD为第N个岩层至地表的全部岩层的厚度，这样工作面开采后，上覆岩层可划分为“三带”，由煤层至上依次形成图4所示的垮落带、完全断裂带与弹性变形带；

[0085] 若ω2N≤SN＜ωNmax，则判定第N层弱胶结岩层生成裂纹但没有完全断裂，继续第4.3步骤；

[0086] 第4.3、若第N个岩层生成裂纹，那么重复4.1至4.3步骤，继续判断下一个N+1岩层有无裂纹，以此类推，直到确定某一个岩层不生成裂纹，设这个不生成裂纹的岩层为第M岩层，由此判定第M-1个岩层为萌生裂纹的最后岩层层位，由此可确定，浅埋弱胶结顶板工作面煤层上方第N个至第M-1个岩层生成裂纹，此部分称为裂纹损伤带，其厚度为第N个至第M-1个岩层的总厚度，同时裂纹损伤带发育至第M-1个岩层，覆岩裂纹损伤带的发育高度为第M-1个岩层与煤层的垂直间距HM-1；这样第M个至地表的全部岩层主要以弹性弯曲变形为主，岩层较完整且无破坏，也就是弹性变形带，其厚度HD为第M个至地表的全部岩层的厚度；这样工作面开采后，上覆岩层可划分为“四带”，由煤层至上依次形成图5所示的垮落带、完全断裂带、裂纹损伤带与弹性变形带。

[0087] 至此，本发明浅埋弱胶结顶板工作面覆岩分带划分方法结束。

[0088] 利用浅埋弱胶结顶板工作面覆岩分带划分方法评价保水开采的方法为：

[0089] (1)浅埋弱胶结顶板工作面开采后，直接顶岩层直接顶在采空区直接顶垮落，形成垮落带。而直接顶以上岩层利用第三、四步提供的方法，可确定出工作面上覆岩层中完全断裂带、裂纹损伤带与弹性变形带的位置与范围。根据第三、四步提供的方法发现，工作面上覆岩层出现两种分类：第一类：工作面开采后，上覆岩层可划分为“三带”，即由煤层至上依次形成垮落带、完全断裂带与弹性变形带；第二类，工作面开采后，上覆岩层可划分为“四带”，由煤层至上依次形成垮落带、完全断裂带、裂纹损伤带与弹性变形带。

[0090] (2)首先，通过查阅地质勘探资料或现场测试，获得采煤工作面含水层的位置HW(含水层的最低端到煤层上方的距离)；而后，利用第三步至第五步提供的方法，确定采煤工作面开采后覆岩顶板分带情况，即是划分成“三带”还是“四带”。

[0091] (3)若采煤工作面开采后覆岩顶板划分为“三带”(由煤层至上依次形成垮落带、完全断裂带与弹性变形带)，根据第三步提供的方法确定完全断裂带发育高度HN-1。而后，对比完全断裂带发育高度HN-1与含水层的位置HW的大小，若HN-1≥HW，则评价该工作面不能实现保水开采，反之认为能够实现保水开采。

[0092] (5)若采煤工作面开采后覆岩顶板划分为“四带”(由煤层至上依次形成垮落带、完全断裂带、裂纹损伤带与弹性变形带)，根据第三步与第四步提供的方法，确定覆岩裂纹损伤带的发育高度HM-1。而后，也对比覆岩裂纹损伤带的发育高度HM-1与含水层的位置HW的大小，若HM-1≥HW，则评价该工作面不能实现保水开采，反之认为能够实现保水开采。