榆神矿区是我国重要的能源基地,矿区煤层厚度大,结构简单,适合采用综放开采,但由于煤层埋深浅、硬度大,矿山压力显现不明显,导致煤矸的冒落块度大,不利于顶煤的回收。本论文以神树畔煤矿3107工作面为工程背景,采用实验室实验与数值模拟相结合的方法研究了浅埋深条件下厚硬顶煤的破断冒放特征及水力压裂裂化顶煤情况下水力裂缝的扩展规律,提出了厚硬顶煤裂化促放的技术参数并在现场应用,取得了良好的试验效果。论文研究取得的结论如下:(1)根据综放开采顶煤破断运移的实际形态,分析了PFC软件中线性模型与平行粘结模型的特征以及对顶煤破断运移和放落模拟的适用性。分析表明,线性模型颗粒间无粘结,颗粒间相互滑移,可模拟顶煤的流动放落过程及煤矸界面特征,适用于模拟散体状软煤的流动特征;平行粘结模型由于具有抵抗应力及扭矩、在粘结被破坏后会转化为线型的特点,可以较为真实的模拟煤体的受力状态、破断形态和运移放落过程,适合用于厚硬煤层破断冒放特征的模拟分析。(2)利用单轴压缩和巴西劈裂实验标定了顶煤的力学参数并建立了工作面开采的数值计算模型。模拟发现厚硬顶煤条件下顶板的初次垮落步距长,煤层断裂线滞后于支架尾梁,断裂角小于90°,此时矿山压力对顶煤破断作用小,顶煤破断块度大、冒放性差;基本顶初次垮断时矿山压力增大,顶煤破坏较充分,破断块度减小,冒放性有所提升。由于顶煤放出少,煤矸在碎胀后填充采空区,使得基本顶在破断后回转空间小,形成较稳定的砌体梁结构,采空区煤矸的承载作用进一步导致顶煤上方的矿山压力不明显,顶煤冒放困难。(3)通过构建流固耦合数值模型,研究了地应力、天然弱面、钻孔孔径等因素对水力裂缝扩展的影响。结果表明,在存在地应力差条件下,最大主应力对水力裂缝的扩展具有诱导作用,应力差越大,诱导效果越明显,最小主应力主要影响孔壁的破裂压力。弱面侵入角度越小,水力裂缝越容易沿着弱面扩展,侵入角小于30°时水力裂缝完全沿着弱面扩展,侵入角为30°~60°时,水力裂缝的扩展路径为先沿着弱面扩展再穿过弱面沿着最大主应力方向扩展,当侵入角大于60°时,水力裂缝主要沿着最大主应力方向扩展。孔壁起裂压力随着孔径的增大而减小,且减小的梯度逐渐减小。(4)模拟分析了钻孔布置参数及水压力对顶煤破裂的影响效果,提出了厚硬顶煤水力裂化的合理参数,试验表明,水力压裂有效地控制了顶煤的块度大小,增强了顶煤的冒放性,提高了顶煤的回收率,取得了显著的技术效果。本论文有图35幅,表9个,参考文献69篇。