我国是世界采煤大国，2009年以来煤炭产量一直维持在30亿t以上，2013年煤炭产量达39.7亿t，为我国历史最高点，占世界煤炭产量的49%，近3年有所下降，据国家统计局公布的数据，2016年全国煤炭产量仍达33.6亿t。煤炭一直是我国的主体能源，对于支撑国民经济发展、社会进步和现代化建设等做出了不可或缺的贡献，功不可没。近几年来，在煤炭开采技术进步的同时，煤矿安全形势有了很大好转，2015，2016年，全国煤矿百万吨死亡率降至0.159，0.156，与波兰、俄罗斯相当，但仍高于美国、澳大利亚10倍左右。在一些条件适宜矿区，我国煤矿的开采技术和装备水平已经处于世界领先地位，但是作为我国煤矿开采领域具有世界影响力的标志性技术非综合机械化放顶煤开采技术莫属。虽然综放开采技术的雏形来自欧洲，但是正规长壁综放开采技术是在我国发展起来的，它综合汇聚了我国在矿山压力与岩层控制理论、采矿理论与工艺、煤矿机电理论与制造、煤矿通风与安全等方面的现代成果，已经成为我国厚煤层开采的主要技术，形成了多种条件的综放开采工艺模式，为我国厚煤层的高效低成本开采发挥了巨大作用。

1 我国放顶煤开采的工程实践

1964年法国首先在中南部煤田的布朗齐煤矿试验成功了综放开采技术，后在前苏联、南斯拉夫、罗马尼亚、匈牙利等国得到推广应用[1]。当时综放开采主要用于边角煤和煤柱开采，并不是作为正规采煤技术，最高月产只有4.96万t(法国的布朗齐矿)，由于矿井煤炭资源枯竭以及采出率等问题，并未将这项具有巨大潜力的开采技术进一步发展。

综放开采技术在我国开始工业试验和应用已有30余年时间，取得了举世瞩目的成绩，已经成为我国煤炭行业近30年来取得的标志性成果之一。其发展大体上可以分为如下几个阶段。

1.1 探索阶段(1982—1990年)

1982年煤炭科学研究总院樊运策研究员首先提出将综放开采技术引入我国，并组织团队进行研究。1984年4月我国第一个缓倾斜厚煤层综放工作面在沈阳矿务局蒲河煤矿进行井下工业试验，采用了国产FY400-14/28型综放支架，由于支架设计不合理和采空区发火，工业试验未取得成功。1986年在甘肃窑街矿务局二矿进行了急倾斜25 m特厚煤层水平分段综放开采试验，取得了成功，分段高度10 m，工作面平均月产1.9万t，工作面采出率86.9%，获得1990年国家科技进步奖二等奖。1987年以后，综放技术开始在缓倾斜软煤以及中硬煤中进行试验，到1990年底，全国已经有32个综放工作面(缓倾斜厚煤层长壁综放面+急倾斜厚煤层水平分段综放面)。当时的长壁综放工作面煤层厚度大部分为5～8 m，煤层倾角20°以下，所用支架工作阻力4 000 kN左右，工作面机采高度2～2.5 m。水平分段工作面的煤层厚度10～20 m，煤层倾角45°以上。平顶山、阳泉、潞安、晋城、郑州、兖州等矿务局进行缓倾斜厚煤层的综放开采试验和推广应用;辽源、乌鲁木齐、平庄等矿务局进行急倾斜特厚煤层的水平分段综放开采试验与推广应用[1-3]。1990年上半年，阳泉一矿和潞安王庄煤矿的综放工作面月产都超过了8万t。1990年下半年，阳泉一矿9603综放工作面月产超过14万t，比该矿分层综采工作面的产量和效率都提高了一倍以上，工作面煤炭采出率在80%以上，基本上摸索出了一条综放开采实现高产、高效的技术途径，证明了综放开采的巨大潜力和优势，使综放开采技术在国内基本得到认可[4]。

1.2 推广应用阶段(1991—1995年)

这一阶段的特点是在条件适宜矿井，综放开采技术的应用范围迅速扩大，工作面产量迅速提高，高产高效是这一阶段的主题，从1990年的年产百万吨水平提高到1995年的300万t水平。阳泉、潞安、郑州、兖州等局矿在推动放顶煤高产高效方面做出了重要贡献，如潞安王庄矿1993年工作面最高月产达31万t，年产250万t，工效100 t/工。1995年兖州兴隆庄矿工作面年产突破了300万t。1995年全国共有67个综放工作面，占全国当时百万吨以上工作面的34.3%[4]。主要的高产高效综放工作面见表1[5]。

表1 主要的高产高效综放工作面技术经济指标
Teble 1 Technichal and economic indexes of main high production and high efficiency top-coal caving panels

与此同时，在“三软”煤层(郑州)、高瓦斯煤层(阳泉)和大倾角煤层(石炭井，30°)也加快了综放开采技术的工业试验。综放支架由早期仿制欧洲国家到自主研制，基本上形成了具有我国自己特点的综放支架。然而在综放开采的采出率、瓦斯防治、粉尘与采空区自燃等方面，尚有许多疑虑;在高瓦斯、大倾角、浅埋和坚硬厚煤层等难采厚煤层中能否实现高产高效的综放开采，也有许多待解决的问题。为了指导放顶煤开采技术的健康发展，1993年煤炭工业部在中国矿业大学北京研究生部与潞安矿务局联合成立了煤炭工业部放顶煤开采技术中心，吴健教授担任主任，2014年该中心由中国煤炭工业协会更名为放顶煤开采煤炭行业工程研究中心，进一步深化和拓展了相关的研究领域。1994年煤炭工业部科教司具体领导成立了煤炭工业部综采放顶煤技术专家小组，编制了综放开采的暂行技术规定，对于研究、指导和推广放顶煤开采技术发挥了积极作用。

1.3 拓展阶段(1996—2005年)

1996—2005年是国家“九五”和“十五”计划期间，煤炭行业经历了困难和快速发展的过程，1997年下半年，煤炭行业进入了困难时期，煤炭企业全面亏损，2002年下半年，煤炭行业逐渐复苏，至此迎来了煤炭行业快速发展的10年(2002—2012年)。在这10年间，煤炭开采技术的发展与企业经济形势密切相关，在煤炭行业进入困难期后，各煤炭企业寻求低成本的开采技术是当务之急。综放开采技术经过10余年发展，已经证明了其具有成本低、效率高、产量大的优势，为此各煤炭企业应用和发展综放开采技术就成为了其降本提效的首选。

在“九五”期间，煤炭工业部将综放开采技术作为五项重点科技攻关项目之首，提出:“在综采放顶煤技术上取得新突破，力求在所有适用放顶煤的厚煤层都推广这一新工艺”(煤炭部关于颁发《“九五”时期煤炭工业改革与发展纲要》的通知，1996年5月15日)。科研院所、高等学校、煤炭企业、煤机制造厂等联合开展研究，在大同“两硬”、郑州“三软”等煤层条件开展了应用放顶煤技术的科技攻关工作。由大同煤矿集团、中国矿业大学(北京)、太原理工大学和煤炭科学研究总院太原分院组成的课题组，在解决大同“两硬”(坚硬煤层和坚硬顶板)厚煤层放顶煤开采过程中的顶煤预爆破和提高采出率、坚硬顶板处理、支架设计与设备配套等方面取得了重要创新成果，获得了2000年国家科技进步奖二等奖。与此同时在极软高瓦斯厚煤层、大倾角厚煤层、轻型支架等放顶煤开采技术方面取得了成功和推广，极大地拓展了放顶煤开采技术的应用范围。峰峰集团的轻型支架放顶煤技术在当时具有很大影响和推广价值。中国矿业大学(北京)与企业合作，1996年在靖远矿务局魏家地煤矿、2000年在淮北矿业集团朱仙庄煤矿和2005年在芦岭煤矿的极软高瓦斯厚煤层中创造性地应用了综放开采技术，并取得成功;2001年在鹤壁二矿31°大倾角厚煤层中，成功应用了轻型支架放顶煤开采技术。这一阶段，中国矿业大学(北京)、煤炭工业部放顶煤开采技术中心、煤炭科学研究总院等对于拓展放顶煤开采技术的应用范围发挥了重要作用。

潞安、阳泉、兖州在提高放顶煤工作面的产量和效率方面继续努力，工作面年产达到500万t。中煤平朔公司联合中国矿业大学(北京)、煤炭科学研究总院开采分院等在埋深70～150 m的硬煤中成功地应用了综放开采技术，工作面年产均可以达到600万t。

在进一步发展综放开采技术的高产、高效基础上，拓展和研究多种形式的综合机械化放顶煤开采技术是这一阶段的主流。然而也有一些局矿为了降本提效也开发和应用了一些简易支架放顶煤技术，如悬移支架机采放顶煤技术、滑移支架机采放顶煤技术，甚至是单体支架炮采放顶煤技术等，这一阶段的放顶煤技术可以用“百花齐放”来描述。

1.4 成熟与输出阶段(2006年—)

2006年以后，我国综放开采技术逐渐进入成熟期，也是深入自主研发和创新期，重要的标志性成果是开发了大采高综放开采技术，大同煤矿集团联合中煤科工集团及下属单位、中国矿业大学(北京)等在大同塔山煤矿开发了机采高度3.5～5 m，可以开采14～20 m的特厚煤层大采高综放开采技术，工作面年产达1 000万t以上。在特厚顶煤三维放煤理论、顶板破断结构及来压规律、特大断面煤巷支护技术、支架研制等方面取得了重要创新成果，获得了2014年国家科技进步奖一等奖。潞安王庄煤矿、山东的新巨龙煤矿等在大采高综放开采技术以及综放工作面自动化方面也取得了重要进展。

急倾斜厚煤层综放开采技术取得重要进展。2014年中国矿业大学(北京)与峰峰集团等合作在最大倾角达60°急倾斜厚煤层中应用走向长壁综放开采技术，取得成功，获得2016年国家科技进步奖二等奖。2013年神新公司与西安科技大学合作在乌东矿南采区倾角63°、煤厚39 m的特厚煤层中，采用水平分段放顶煤技术，分段高度30 m，割煤高度3 m，选用了ZF6500/20/40两柱支架和短机身单滚筒采煤机，应用超前爆破作业和注水弱化顶煤技术，实现了工作面年产达400万t水平。

放顶煤液压支架研制方面，结合综放工作面顶板压力前部大后部小的显现特点，提出了四柱支架后柱减小缸径的设计思路，同时兖州矿业集团率先开发和应用两柱放顶煤液压支架，后逐渐推广到神华保德煤矿和柳塔矿、中煤平朔安家岭井工一矿、河北冀中能源显德旺矿等，均取得了良好效果。放顶煤支架的阻力越来越大，神华集团黄玉川煤矿四柱放顶煤支架的工作面阻力达21 000 kN。

2004年11月兖州矿业集团在澳大利亚注册了兖煤澳大利亚公司(Yan Coal Australia Limited)。兖煤澳大利亚公司2004年12月24日收购了位于澳大利亚新南威尔士州南部煤田的澳斯达煤矿，2006年10月该公司提供的第1套综采放顶煤配套设备在澳斯达煤矿投入使用，建起了澳大利亚第1个放顶煤工作面。2013年10月，该公司提供了一套两柱放顶煤支架及成套设备在昆士兰博地公司的北贡拉特矿开始使用。标志着我国放顶煤开采技术已经成熟，并走向国外。除澳大利亚外，印度、土耳其、俄罗斯等国也有个别煤矿在应用放顶煤开采技术，并进行了一些基础研究[6-8]。

这一阶段的特点是特厚煤层大采高放顶煤开采技术取得突破，工作面年产可达千万t;两柱支架放顶煤开采技术得到认可和应用;急倾斜特厚煤层水平分段放顶煤开采技术发展迅速;急倾斜厚煤层长壁放顶煤开采技术进一步发展;放顶煤技术的产量、效率和安全状况进一步提高;我国的放顶煤开采技术输出到国外。

到目前为止，放顶煤开采技术在我国得到了全面发展和应用，也是我国煤炭开采取得的处于世界领先水平的标志性成果，然而由于我国煤层赋存条件复杂、开采难度大，放顶煤开采技术仍然需要继续创新、发展和完善;在高产高效、提高采出率、地面保护、瓦斯防治、水体下及难采煤层放顶煤开采等方面还需要不断改进和提高。

2 放顶煤开采的理论研究

总体上看，我国的放顶煤开采理论研究落后于技术应用，放顶煤开采技术在我国应用的初期，这一现象尤其突出。最近10年，理论研究进展较快、也逐渐成熟与完善，对指导放顶煤开采技术的更加广泛发展和应用起到了促进作用。

事实上，自1982年开始引进放顶煤开采技术，国内的放顶煤开采理论研究就已经开始了，并且持续至今，所研究的几个基本理论问题也大体上是一致的，研究思路经历了“共性—个性—共性”的过程。相比技术实践而言，放顶煤开采的理论研究不易截然按照年代进行划分，也没有一个十分明确的标志性理论成果高点进行严格划分，但是按照理论研究的方法、思路和取得的进展等，可以大体上分为以下3个阶段。

2.1 借鉴阶段(1982—1997年)

放顶煤开采与综采的主要区别是在支架上方和后方有一层在矿山压力作用下破碎的顶煤，并且随着工作面推进要步距式地放出，因此在放顶煤开采初期的理论研究中，自然是把研究注意力集中到了顶煤放出规律上，对比了松散顶煤放出与金属矿放矿的相似和差异之处，加之这一时期一些高位和中位放顶煤支架的使用(高位放顶煤支架的放煤过程与金属矿放矿过程相似之处较多)，借鉴了金属矿的放矿椭球体理论，提出了放煤椭球体理论[4,9]，是这一阶段的主要理论贡献。中国矿业大学(北京)的吴健教授、于海勇教授等在这一时期的放顶煤开采理论研究方面做了大量有益探索和重要贡献。

放顶煤开采的一次采高(机采+放煤高度)与分层开采相比成倍增加，但是实际观测到的顶板压力并没有成倍增加，基本上与类似条件顶分层顶板压力相当，再继续沿用采高倍数估算工作面顶板压力与实际相差较大，为此，提出了破碎顶煤可以缓解顶板压力的思想，但是这一思想没有在理论上进行深入、可行的解释，实际生产上也难以应用。通过深基点观测顶煤位移，以及引用损伤力学等对顶煤进行分区也是一个重要的学术思想，如将顶煤分为原始状态区、压缩变形区、拉剪破坏区和散体冒放区等[2，9]。

2.2 探索阶段(1998—2005年)

在放顶煤理论研究初期以借鉴相关理论为主的基础上，逐渐开始探索针对放顶煤开采技术特点的相关理论研究，国内相关学者也开始了更加深入的思考和研究。1998年国家自然科学基金委作为重点项目资助了吴健教授主持的《厚煤层全高开采方法基础研究》(批准号:59734090)，这也是国家自然科学基金委员会矿业学科的第一个重点项目，由中国矿业大学(北京)等多家单位共同组成项目组，集中进行放顶煤开采的基础理论研究。

吴健教授系统地提出了放顶煤开采的基础理论的框架，从放顶煤开采的岩层运动、顶煤破碎、放煤规律、巷道围岩控制、瓦斯防治，到火灾与粉尘防治等系统地列举了放顶煤开采基础理论研究的主要方面，对于促进放顶煤开采理论研究起到了积极作用[11-12]。提出了基于顶煤采动裂隙分布的瓦斯抽放钻孔布置、加大支架前柱支撑能力等。在考虑顶煤作用情况下，钱鸣高院士及团队等建立了综放采场整体力学模型，以及支架工作阻力与采场端面顶板稳定性关系[13-14]。谢和平院士将分形几何理论用于顶煤破碎块度分布、顶煤预爆破炸药能量消耗、放顶煤巷道裂隙分布等，指导了大同“两硬”厚煤层的顶煤预爆破方案设计[15-16]。

针对我国2000年以后各局矿均采用低位放顶煤支架的事实，笔者通过模拟试验、数值分析和现场实际观测等，提出了顶煤放出的散体介质流理论，客观地考虑支架步距式周期移动、支架掩护梁与尾梁的影响等，基于煤岩分界面形态从宏观上描述顶煤放出过程和计算顶煤采出率的思路，是这一阶段的重要学术思想[17-18]。对于中硬以硬煤层，放顶煤开采过程中，顶煤破碎难易程度及破碎块度主要取决于顶板压力、顶煤中的裂隙发育程度和分布，为此在煤炭工业部“九五”重点科技攻关项目大同“两硬”厚煤层放顶煤开采关键技术研究过程中，提出了基于顶煤裂隙分布的顶煤破碎块度预测的学术思想和模型[19]，后来应用到了中煤平朔浅埋硬煤、大同塔山侏罗系特厚硬煤层的放顶煤开采中，科学地解释了硬度大体相同，由于裂隙发育程度不同，进行放顶煤开采具有截然不同的效果，抓住了评价顶煤冒放性的主要矛盾。

利用损伤力学研究顶煤的冒放性，建立损伤力学理论模型，将损伤力学原理引入到放顶煤支架工作阻力确定、采用统计方法确定放顶煤支架工作阻力等都是一些有益的理论探索[20-22]。

2.3 创新阶段(2006年—)

2006年以后，我国的放顶煤开采技术逐渐成熟，并进入深入发展阶段，理论研究在继续深入的基础上，逐渐完善，并且初步形成体系。

在2002年提出顶煤放出的散体介质流理论思想基础上，又得到了进一步发展和完善，一些研究成果先后发表在《煤炭学报》、《International Journal of Rock Mechanics and Mining Science》等国内外重要学术期刊上，提出了顶煤放出规律的BBR研究体系。该理论的核心是系统研究了综放开采顶煤放出规律，建立了统一研究煤岩分界面、顶煤放出体、顶煤采出率和含矸率4要素的BBR研究体系，并发明了顶煤运移跟踪仪进行现场顶煤采出率实测、三维模拟试验台进行系列试验来验证理论的正确性。分析了煤岩分界面形态以及支架和移架对其影响，提出了用二次函数拟合煤岩分界面。将放出体分为发育不完整、基本成熟和成熟3个发育过程，发现了支架掩护梁影响会使放出体前部发育较快，始终超出椭球体范围的现象;指出顶煤放出体是一被支架掩护梁所切割的非椭球体，提出了切割变异椭球体概念。指出应尽可能地扩大放出体与煤岩分界面的相切范围来提高顶煤采出率、降低含矸率，通过确定合理放煤工艺与参数，控制煤岩分界面形态来提高顶煤采出率是可行的措施。该理论对于提高顶煤采出率、确定放顶煤开采适用的煤层厚度等提供了科学指导，从理论上指明了顶煤损失、矸石混入的部位和机理，是放顶煤开采的重要原创理论[23-28]。

煤壁破坏与端面漏冒是放顶煤开采需要解决的重要问题之一，提出了影响煤壁破坏的主要因素是顶板压力、煤壁黏结力、支架工作阻力。建立了煤壁剪切破坏的力学模型和基于煤壁稳定平衡顶板压力的支架工作阻力确定方法[29-32]。同时考虑到顶板结构突然失稳时对支架的动载冲击作用，提出了支架工作阻力计算的动载荷方法[33]。随着大采高技术的应用，近年来关于煤壁破坏的研究较多，这些研究的原理和方法同样可以作为放顶煤开采时的参考和借鉴。

这一阶段，研究不同煤层条件下的顶板结构、支架阻力计算、大倾角厚煤层长壁放顶煤开采的顶板压力相关理论等也十分活跃。事实上，放顶煤开采的理论问题还远远没有解决，许多问题研究也不够深入，也没有达到共识，还需要进一步加强。

3 需要深入研究的理论问题

放顶煤开采技术总体上可以分为两大类:走向(倾斜)长壁放顶煤开采技术和急倾斜特厚煤层的水平分段放顶煤开采技术，这里所说的放顶煤开采技术是指前一类。放顶煤开采技术需要解决的基本理论问题既有与一般长壁开采方法相同的部分，也有一些是放顶煤开采技术所特有的。

3.1 顶煤破碎机理

顶煤破碎机理研究是放顶煤开采所特有的，也是放顶煤开采需要解决的最基础理论问题。顶煤破碎程度与煤体强度、裂隙发育程度与分布、矿山压力作用、顶煤中的夹矸分布等情况有关，早期的放顶煤研究中经常采用顶煤冒放性指标来说明顶煤的破碎程度，这是一个综合性指标，其实顶煤易于破碎与否主要取决于顶煤中的裂隙密度、分布和顶煤中的夹矸分布，因此近年来研究顶煤破碎机理时候，更加注重顶煤中裂隙分布的研究。顶煤的破碎机理研究主要是研究在矿山压力作用下，顶煤的变形、移动和破裂的机理与过程，对于不同性质和外界作用条件的顶煤，其破裂机理和过程也有所差异。对于f<1的软煤，在矿山压力作用下顶煤能够完全破碎并在支架上方破碎成散体，极容易流动和放出;当顶煤中硬(1≤f≤3)、且裂隙较发育时，顶煤在矿山压力作用下能够破碎成满足放煤要求的合适块度。对于裂隙发育的坚硬顶煤(f>3)，在矿山压力作用下能够自然破碎，并在支架上方破碎成散体，可满足放煤要求;对于裂隙不发育的坚硬顶煤(f>3)，在矿山压力作用下能够自然破碎，但是顶煤的垮落角较小，部分上位顶煤会直接冒落到采空区，难以回收，同时顶煤破碎的块度较大，难以高效放出，因此一般需采用爆破、注水等人工辅助措施对顶煤进行预破碎作业，以改善顶煤的冒放性，提高顶煤采出率。研究顶煤破碎机理，既要研究矿山压力作用下顶煤自然破碎机理，也要研究坚硬顶煤在爆破作用下的破碎机理。研究顶煤破碎机理与顶煤冒放性是确定厚煤层开采技术、确定放顶煤工作面采放工艺、进行支架设计、提高顶煤采出率、改善顶煤破碎技术的基础[2]。

顶煤的破碎机理研究一直沿用岩石加载的思路和技术途径，采用岩石力学通用的方法和强度理论，然而顶煤破碎既有形成采动应力的加载作用，也有在采空区一侧约束条件改变的卸载作用，而且由于约束条件改变和裂隙扩展可能是顶煤破碎的主要原因。

3.2 散体顶煤放出规律

散体顶煤放出规律与顶煤破碎机理一样都是放顶煤开采技术所特有的基础研究。散体顶煤放出规律是放顶煤开采技术的核心研究内容，顶煤破碎机理研究主要是服务于厚煤层开采技术选择，如顶煤容易破碎的厚煤层可以选用放顶煤开采技术，否则选择大采高或者分层开采是更合适的。顶煤破碎机理研究是顶煤放出规律研究的前期研究工作，只有那些容易破碎的顶煤，才有进一步研究其放出规律的必要。顶煤放出规律研究主要是研究破裂与冒落后的散体顶煤在支架掩护梁和尾梁上方的流动与放出规律，建立符合放顶煤开采的顶煤放出理论，对顶煤放出过程进行正确描述，预测顶煤采出率与含矸率，指导采放工艺与参数确定，有助于实际生产中提高顶煤采出率与降低含矸率。该项研究一直是放顶煤开采理论研究的核心与主要内容之一，自从我国开始应用放顶煤开采技术以来，就开展了该项内容研究，前面的理论进展部分已经有较详细的叙述。

散体顶煤放出规律的研究必须考虑支架掩护梁和尾梁的影响、支架周期性步距式移动(支架移动步距就是采煤机的每刀割煤进尺)、移架过程中支架上方顶煤周期性下落、放煤步距、破碎煤岩的物理力学性质等，简单地引用放矿椭球体理论是不合适的，放煤与放矿无论在过程上，还是边界条件上都有很大差异，因此需要建立符合放煤过程和条件的顶煤放出理论。

3.3 支架-围岩关系

采场支架与围岩关系是煤炭开采领域传统的、经典的研究内容，其核心是通过支架与围岩相互作用关系研究，给出支架设计的类型与参数，实现对围岩，尤其是对顶板的有效控制。掌握采场支架与围岩关系，对于理解采场围岩控制、设计合理的支架、提高开采效率等都有重要意义。事实上，无论是普通综采还是放顶煤开采，支架与围岩关系研究还大都处于定性阶段，对现场的指导也很有限。早期的研究(20世纪70年代以前)大都是针对单体支架的。最近一些年来，在理论和数值模拟上对于液压支架的研究较多，但是研究的系统性、扎实性和现场的实测方面又很薄弱，因此加强这方面的研究势在必行。

放顶煤开采自工作面前方开始，仍然是煤壁-支架-采空区共同支撑着上覆岩层及其组成的结构。自下而上，是煤层底板、支架、顶煤、直接顶、基本顶组成系统相互作用。顶煤既是需要放出的煤炭，同时也能传递力的作用，也正是由于在支架上方存在一层厚厚的、破碎的、随采随放的顶煤，使得放顶煤开采的支架—围岩关系更加复杂，从理论上建立经典模型也更加困难，但是这一研究是放顶煤开采需要开展的重要基础研究工作之一，可以用来指导支架选型与设计、采放工艺设计、分析顶底板岩层活动规律、工作面围岩控制等。

3.4 岩层移动规律

放顶煤开采一次采高增大，一般是整个煤层厚度(可达20 m)，上覆岩层移动规律更加剧烈。开采以后，顶煤破碎和放出，直接顶垮落、基本顶破断，继续向上发展，引起高位岩层移动与地表沉陷等。岩层移动与地表沉陷规律研究可以采用经典的概率积分法，也可以采用数值模拟或者相似模拟等，若从理论上建立数学模型相对难度较大。地表沉陷规律研究是伴随着煤矿的大规模开采一直在进行着，某些基本规律已经获得，但是由于煤矿开采条件千差万别，具体的沉陷规律也有很大区别。沉陷规律研究一方面用于保障安全开采、对地面设施进行保护或者搬迁，另一方面，也可用来指导地面减沉技术设计与实施。随着国家环境保护政策的越来越严厉，放顶煤开采的岩层移动规律研究和减沉技术实施就越来越迫切。但是如何从理论上给出放顶煤开采的高位岩层移动规律及范围等一直是一个需要开展的重要工作。

3.5 全煤巷道支护机理

一般而言，放顶煤开采的煤层强度较低、煤体内裂隙较发育，而且工作面回采巷道沿厚煤层下部布置，巷道四周均是强度较低的煤层，且开采过程中，前方支承压力分布范围大，对巷道的影响范围大，有的达到百米以上，放顶煤工作面回采巷道的变形和破坏比较严重，因此研究全煤巷道支护机理，巷道变形与破坏规律，改善巷道破坏的技术措施等至关重要。许多软煤层放顶煤工作面产量不高的重要原因是由于巷道变形量大，工作面两端维护工作量大，导致工作面无法正常推进。事实上，到目前为止，我国煤矿巷道的支护理论还很不完善，或者说已经基本掌握巷道的变形与破坏规律，但是在围岩控制对策方面还缺少经济、有效的办法，即在巷道的支架—围岩关系方面还有许多理论问题需要研究，比如在充分考虑地应力作用、考虑地质构造和破碎带影响、支架及锚杆等支护物的受力和破坏状态等研究方面还有许多欠缺。理论上讲，锚杆和锚索等受拉力作用，因此在设计和施工锚杆和锚索时，总是希望有更大的抗拉强度和足够的延伸量，然而事实上锚杆和锚索的受力状态及其复杂，破坏形式也是很多种，真正单纯拉伸破坏的很少，这就导致支护的设计思路与实际情况有很大差异。

3.6 放顶煤开采的经济学基础

技术离不开经济，经济上不合理的技术是没有生命力的。在进行放顶煤开采技术选择与使用过程中，首先需要进行经济比较，在可以选择的几种可行开采技术中只有当放顶煤开采技术的整体经济效益最优时，我们才会选择放顶煤开采技术。因此一个矿区、采区或者一个工作面采用何种开采技术，既要考虑技术的可行性，更要考虑经济上的合理性。目前由于煤矿开采已经融入到整个社会的大系统中，不再是单纯的开采本身，因此对其进行经济评价需要建立系统和全面的评价模型，既要考虑开采的直接成本和效益，也要考虑与开采的相关的其它成本，如环境、资源采出率、地面沉降与修复等。

4 结 语

我国是世界上唯一一个系统研究和应用放顶煤开采理论与技术的国家，放顶煤技术已经成为我国煤炭开采的标志性技术和成果，在世界上具有重要影响。放顶煤开采技术的一次采高大、出煤强度大等使得人们对放顶煤开采的安全性产生疑问，然而30多年的放顶煤开采实践表明放顶煤开采的安全性能够得到保障，其开采的危险程度并不高于其它开采技术，放顶煤工作面的事故率没有显著高出其它技术，因此在条件适宜煤层首先应用放顶煤技术应该成为基本原则。

任何技术发展到一定程度都会遇到技术瓶颈，这时迫切需要深入的理论研究来指导技术进步，放顶煤开采技术发展亦是如此，需要通过放煤理论指导提高顶煤采出率工艺开发、通过矿山压力与岩层控制指导工作面布置和实施无煤柱技术、通过瓦斯析出和运移规律指导瓦斯防治等，从而逐步扩大放顶煤开采的使用范围，从理论和实践上逐步完善放顶煤开采技术，使其高产、高效、低成本的技术潜能得到重分发挥。

致谢：稿件撰写过程中就放顶煤开采的早期某些重要事件向中煤科工集团天地股份有限公司的樊运策研究员进行了请教与核实，在此表示衷心感谢。

参考文献(References):

[1] 樊运策.中国厚煤层采煤方法的一次革命[A].综采放顶煤技术理论与实践的创新发展—综放开采30周年科技论文集[C].北京:煤炭工业出版社,2012:3-7.

FAN Yunce.A revolution of coal mining method in thick coal seam in China[A].Innovative Development of Theory and Practice of Fully Mechanized Caving Coal Technology-Proceedings of the 30th Anniversary of Fully Mechanized Top Coal Caving[C].Beijing:China Coal Industry Publishing House,2012:3-7.

[2] 王家臣.厚煤层开采理论与技术[M].北京:冶金工业出版社，2009.

[3] 吴健.我国放顶煤开采的理论研究与实践[J].煤炭学报，1991，16(3):1-11.

WU Jian.Theory and practice of sub-level caving method in China[J].Journal of China Coal Society,1991，16(3):1-11.

[4] 吴健.我国综放开采技术15年回顾[J].中国煤炭,1999,25(1):9-16.

WU Jian.A review of the fully mechanized coal mining with sub-level caving in the past 15 years[J].China Coal,1999,25(1):9-16.

[5] 靳钟铭.放顶煤开采理论与技术[M].北京:煤炭工业出版社，2001:6-8.

[6] KUMAR R,SINGH A K and MISHRA A K,et al.Undergrond mining of thick coal seams[J].Internatioanl Journal of Mining Science and Technology,2015,25(6):885-896.

[7] UNVER B,YASITLE N E.Modelling of strata movement with a special reference to caving mechanism in thick seam coal mining[J].International Journal of Coal Geology,2006,66(4):227-252.

[8] KLISHIN V I,KLISHIN S V.Coal extraction from thick flat and steep beds[J].Journal of Mining Science,2010,46(2):149-159.

[9] 于海涌，贾恩立，穆荣昌.放顶煤开采基础理论[M].北京:煤炭工业出版社，1995:100-130.

[10] 阎少宏,孟金锁,吴健.放顶煤开采顶煤分区的力学方法[J].煤炭科学技术,1995,23(12):33-37.

YAN Shaohong,MENG Jinsuo,WU Jian.Mechanics method of top-coal partitioning in top-coal caving mining[J].Coal Science and Technology,1995,23(12):33-37.

[11] 吴健,张勇.关于长壁放顶煤开采基础理论的研究[J].中国矿业大学学报,1998,27(4):331-335.

WU Jian,ZHANG Yong.Study on the basic theory of longwall top-coal caving system[J].Journal of China University of Mining & Technology,1998，27(4):331-335.

[12] 吴健，秦跃平，王家臣,等.关于放顶煤开采基础理论研究的框架[A].全国第三届放顶煤开采理论与实践研讨会论文集[C].北京:煤炭工业出版社,1998:137-142.

WU Jian,QIN Yueping,WANG Jiachen,et al.A framework for the basic theoretical study of top-coal caving mining[A].The Proceedings of the Third National Conference on Theory and Practice of Caving Mining[C].Beijing:China Coal Industry Publishing House,1998:137-142.

[13] 钱鸣高，缪协兴，茅献标.综放采场围岩—支架整体力学模型[A].全国第三届放顶煤开采理论与实践研讨会论文集[C].北京:煤炭工业出版社,1998:10-12.

QIAN Minggao,MAIO Xiexing,MAO Xianbiao.Integral mechanics model of surrounding rock and support in fully mechanized caving face[A].The Proceedings of the Third National Conference on Theory and Practice of Caving Mining[C].Beijing:China Coal Industry Publishing House,1998:10-12.

[14] 曹胜根，钱鸣高，刘长友.综放支架工作阻力与端面顶板稳定性[A].99’厚煤层现代开采技术国际专题研讨会论文集[C].北京:煤炭工业出版社，1999:30-36.

CAO Shenggen,QIAN Minggao,LIU Changyou.Mechanical characteristics of the immediate roof in working face and working resistance of supports[A].Proceedings of International Symposium on Modern Mining Technology of Thick Coal Seam ‘99[C].Beijing:China Coal Industry Publishing House,1999:30-36.

[15] 谢和平,王家臣,陈忠辉,等.坚硬厚煤层综放开采爆破破碎顶煤技术研究[J].煤炭学报,1999,24(4):350-354.

XIE Heping,WANG Jiachen,CHEN Zhonghui,et al.Study on top-coal blasting technique of full-mechanized caving in the hard thick coal seam[J].Journal of China Coal Society,1999，24(4):350-354.

[16] 谢和平,陈忠辉,王家臣.放顶煤开采巷道裂隙的分形研究[J].煤炭学报，1998，23(3):252-257

XIE Heping,CHEN Zhonghui,WANG Jiachen.Fractal study on crack distribution in tunnels for sub-level caving mining[J].Journal of China Coal Society,1998，23(3):252-257.

[17] 王家臣，富强.低位综放开采顶煤放出的散体介质流理论与应用[J].煤炭学报，2002，27(4):337-341.

WANG Jiachen,FU Qiang.Loose medium flow field theory and its application on the longwall top-coal caving[J].Journal of China Coal Society,2002,27(4):337-341.

[18] 王家臣，李志刚，陈亚军,等.综放开采顶煤放出散体介质流理论的试验研究[J].煤炭学报，2004，29(3):260-263.

WANG Jiachen,LI Zhigang,CHEN Yajun,et al.The experimental study of loose medium flow field on the longwall top-coal caving[J].Journal of China Coal Society,2004,29(3):260-263.

[19] 王家臣,白希军,吴志山,等.坚硬煤体综放开采顶煤破碎块度的研究[J].煤炭学报，2000，25(3):238-242.

WANG Jiachen,BAI Xijun,WU Zhishan,et al.Research on the fractured blocks of the top-coal in the longwall top-coal caving technique of the hard coal seam[J].Journal of China Coal Society,2000，25(3):238-242.

[20] 陈忠辉，谢和平，王家臣.综放开采顶煤三维变形、破坏的数值分析[J].岩石力学与工程学报，2002,21(3):309-313.

CHEN Zhonghui,XIE Heping,WANG Jiachen.Numerical simulation on three dimensional deformation and failure of top coal caving[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2002,21(3):309-313.

[21] 陈忠辉,谢和平,林忠明.综放开采顶煤冒放性的损伤力学分析[J].岩石力学与工程学报,2002,21(8):1136-1140.

CHEN Zhonghui,XIE Heping,LIN Zhongming.Study on falling ability of top coal during top coal caving by damage mechanics[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2002,21(8):1136-1140.

[22] 闫少宏,毛德兵,范韶刚.综放工作面支架工作阻力确定的理论与应用[J].煤炭学报，2002，27(1):64-67

YAN Shaohong,MAO Debing,FAN Shaogang.The theory and its application of determining working resistance of powered support in longwall with top-coal caving technology[J].Journal of China Coal Society,2002，27(1):64-67.

[23] 王家臣，杨建立，刘颢颢,等.顶煤放出散体介质流理论的现场观测研究[J].煤炭学报，2010，35(3):353-356.

WANG Jiachen,YANG Jianli,LIU Haohao,et al.The pratical observation research on loose medium flow field theory on the top-coal caving[J].Journal of China Coal Society,2010,35(3):353-356.

[24] 王家臣，魏立科，张锦旺,等.综放开采顶煤放出规律三维数值模拟[J].煤炭学报，2013，38(11):1905-1911.

WANG Jiachen,WEI Like,ZHANG Jinwang,et al.3-D numerical simulation on the top-coal movement law under caving mining technique[J].Journal of China Coal Society,2013,38(11):1905-1911.

[25] WANG Jiachen,YANG Shengli,LI Yang,et al.Caving mechanisms of loose top-coal in longwall top-coal caving mining method[J].International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences,2014,71(10):160-170.

[26] 王家臣，耿华乐，张锦旺.顶煤运移跟踪标签合理布置密度与方式的数值模拟研究[J].煤炭工程，2014，46(2):1-3.

WANG Jiachen,GENG Huale,ZHANG Jinwang.Numerical simulation study on rational layout density and method of coal migration tracing mark[J].Coal Engineering,2014，46(2):1-3.

[27] 王家臣，杨胜利，黄国君，等.综放开采顶煤运移跟踪仪研制与顶煤回收率测定[J].煤炭科学技术，2013，41(1):36-39.

WANG Jiachen，YANG Shengli，HUANG Guojun，et al.Research on top coal tracker of fully mechanized top coal caving mining and measurement of top coal recovery rate[J].Coal Science and Technology,2013,41(1):36-39.

[28] 王家臣，张锦旺.综放开采顶煤放出规律的BBR研究[J].煤炭学报,2015,40(3):487-493.

WANG Jiachen,ZHANG Jinwang.BBR study of top-coal drawing law in longwall top-coal caving mining[J].Journal of China Coal Society,2015,40(3):487-493.

[29] 王家臣.极软厚煤层煤壁片帮与防治机理[J].煤炭学报，2007，32(8):785-788.

WANG Jiachen.Mechanism of the rib spalling and the controlling in the very soft coal seam[J].Journal of China Coal Society,2007，32(8):785-788.

[30] 王家臣，王蕾，郭尧.基于顶板与煤壁控制的支架阻力的确定[J].煤炭学报，2014，39(8):1619-1624.

WANG Jiachen,WANG Lei,GUO Yao.Determining the support capacity based on roof and coal wall control[J].Journal of China Coal Society,2014，39(8):1619-1624.

[31] WANG Jiachen,YANG Shengli,KONG Dezhong.Failure mechanism and control technology of longwall coal face in large-cutting-height mining method[J].International Journal of Mining Science and Technology,2016,26(1):111-118.

[32] 王家臣，杨印朝，孔德中,等.含夹矸厚煤层大采高仰采煤壁破坏机理与注浆加固技术[J].采矿与安全工程学报，2014，31(6):832-837.

WANG Jiachen,YANG Yinchao,KONG Dezhong,et al.Failure mechanism and grouting reinforcement technique of large mining height coal wall in thick coal seam with dirt band during topple mining[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2014，31(6):832-837.

[33] WANG Jiachen,YANG Shengli,LI Yang,et al.A dynamic method to determine the support capacity in longwall coal mines[J].International Journal of Mining,Reclamation and Environment,2015,29(4):277-288.>