针对榆神矿区埋深较浅的特厚坚硬煤层综放开采采用传统大采高综放开采工艺(机采割煤高度3.5~5.0 m)存在的顶煤悬顶距长、冒落块度大和冒放性差等问题,基于金鸡滩煤矿一盘区东翼煤层地质赋存条件,对超大采高开采工艺(机采割煤高度≥6.0 m)和放顶煤开采工艺相结合的超大采高综放开采工艺进行研究,通过增大机采高度等方式优化液压支架结构与围岩结构耦合关系、减小坚硬顶煤冒放块度、改善顶煤冒放结构、提高顶煤冒放性。采用理论分析、数值模拟、物理试验和工业性试验等方法,对特厚坚硬煤层超大采高支架-围岩结构耦合关系进行研究,通过工业性试验监测结果对超大采高综放开采效果进行评价,成功实现了埋深较浅的特厚坚硬煤层一次性安全高效、高资源回收率开采。通过一系列相关研究,取得如下主要研究成果:(1)液压支架与围岩结构耦合原理在液压支架-围岩“三耦合”支护原理基础上,引入“结构耦合”概念及原理,形成支架-围岩“4S耦合”支护原理,即结构(Structure)、强度(Strength)、刚度(Stiffness)和稳定性(Stability)耦合。结构是强度、刚度和稳定性的承载体和表现体,搞清楚液压支架结构与围岩结构特征及其力学和运动学特性是分析支架-围岩耦合支护系统应力场、位移场和能量场等多场耦合状态的必要条件。将支架-围岩结构耦合支护系统分为近场“小结构”初次耦合和远场“大结构”二次耦合:“小结构”初次耦合是液压支架“内加载”(支架提供初撑力),主动支撑、加固围岩;“大结构”二次耦合是远场顶板覆岩大结构失稳“外加载”,支护系统“小结构”处于被动承载状态,此状态既要有足够的“刚性”以承载,又要有灵敏的“柔性”以让压,使得“小结构”对“大结构”有良好的适应性。综放工作面还需考虑液压支架结构(特别是放煤机构结构)与顶煤冒放结构的耦合关系,合理的结构耦合关系有利于顶煤顺利冒落放出,提高顶煤回收率。(2)液压支架结构与顶板覆岩结构耦合关系金鸡滩煤矿特厚坚硬煤层超大采高综放首采工作面中部顶板覆岩结构特征为下位近场关键层组合悬臂梁结构与不稳定砌体梁结构交替,上位远场组合关键层可形成稳定的砌体梁结构,顶板周期来压具有大、小周期性,来压步距10~20m;工作面两端头顶板为弧形三角板侧向悬顶结构,最大悬顶距超过20 m,矿压显现不强烈。提出并采用支架-围岩耦合承载能力曲线,合理解释了两柱掩护式综放液压支架承载能力的优越性。工业性试验表明:ZFY21000/35.5/70D型两柱掩护式综放液压支架既能保证工作面支护系统的可靠性和适应性,又能有效破碎坚硬顶煤;工作面实际机采高度6.3~6.5 m,推进速度约10.0 m/d,顶板来压期间局部煤壁出现板裂化片帮,最大片帮深度小于0.8 m。(3)液压支架结构与顶煤冒放结构耦合关系增加支架结构高度和机采高度可实现“多割少放”促进工作面采放协调,还可通过增强工作面矿压显现程度、减小坚硬顶煤悬顶长度、增大放煤口尺寸等方式改善顶煤冒放结构和冒放性;顶煤冒放过程中可形成小块度瞬时动态松散拱、中等块度不稳定拱结构与大块度稳定拱结构,通过尾梁“小拱小摆、大拱大摆”的对策可实现高效破拱;顶煤破碎块度具有双周期性,走向周期与周期来压同步,垂向周期与顶煤层位相关;工业性试验结果表明工作面资源回收率约87%,工作面中部顶煤冒放性好,端头约20 m范围内顶煤冒放性差。(4)液压支架结构与工作面煤壁结构耦合关系金鸡滩煤矿超大采高综放工作面煤壁主要发生板裂化片帮,板裂化片帮具有多种特征:板状、洋葱皮状、弹射型和护帮板扰动下板裂化片帮。煤壁板裂化片帮渐进式破坏机理为煤体内生裂隙(割理)在采动应力影响下沿纵向扩展、贯通成板结构,继而在不同应力环境下发生不同形式的板状屈曲破坏。煤壁板裂化片帮与煤体强度、煤体结构特征和应力环境等因素相关,垂直应力的泊松效应、煤壁截割后的卸荷回弹以及采动动载应力波在煤壁自由面的反射等因素促使煤壁发生纵向张拉破坏。提出并求解了整体式和分体式护帮板承载能力曲线,并将护帮板承载能力曲线作为护帮板承载性能评价指标,从力学特性和运动学特性角度得出整体式护帮板具有承载性能优、灵活性好和结构耦合适应性强等优点,并建议在满足护帮高度要求的前提下,优先选用整体式二级护帮板结构。(5)液压支架结构与工作面端头和超前段围岩结构耦合关系工作面端头顶板的侧向悬顶结构导致工作面端头和超前段巷道矿压显现强度低,工业性试验表明工作面端头的过渡、端头和超前支架结构设计合理、配套协调,保证了工作面两端头支护系统与设备的安全高效运行。(6)顶板弱化对工作面端头和超前段支架结构与围岩结构耦合关系的影响针对首采面端头顶煤冒放性差和采空区悬顶距长等问题,采用高能气体预裂装置和水力压裂对顶煤和顶板预裂弱化。高能气体预裂试验表明:(1)预裂段端头顶煤冒放块度明显减小,顶煤冒放性好;(2)预裂段端头矿压显现增强,工作面煤壁出现一定程度的可控片帮(最大片帮深度小于0.5 m);(3)预裂段采空区悬顶切顶效果显著,最大悬顶距由20 m左右降低到2~6 m。水力压裂预裂试验表明:(1)水力压裂对提高端头顶煤冒放性具有一定的效果,但仍存在较多大块顶煤,顶煤破碎效果弱于高能气体预裂装置;(2)水力压裂试验段工作面端头顶板垮落及时,最大悬顶距为5~6 m,采空区悬顶控制效果较好。