本文针对大同矿区塔山煤矿20m特厚煤层(3-5#煤)采用放顶煤开采过程中,存在的采放不协调、放煤口上方煤流易成拱、顶煤放出率低、放煤效率低、丢煤现象严重等问题,并结合新形势下智能开采对放顶煤开采的冲击作用,使得放煤支架尾梁自动化、智能化控制成为可能,同时也为放煤工艺革新提供了新的契机。因此本文提出了“群组放煤”方式,即,沿工作面倾向方向,将n(n≥2)个相邻的放煤支架作为一组,在组内各支架协调联动作用下,有序打开放煤口并以一定角速度摆动尾梁,使煤矸分界面在放煤过程中始终有序缓慢沉降,以用于提高顶煤放出率、放煤效率和降低含矸率的放煤方法。围绕“群组放煤”方式,本文在地质和采放工艺实测数据分析的基础上,采用理论分析和数值计算相结合的方法,对群组放煤方式在塔山煤矿适用的可行性进行了分析;研究了群组放煤方式下不同放煤方式、放煤支架组合数、顶煤运移及煤矸分界面特征对顶煤放出率及放煤效率的影响;统计分析了单架放煤和群组放煤条件下顶煤放出效果;根据塔山煤矿实际生产情况,在8222工作面展开了工业性试验,确定了适用于塔山煤矿的合理群组放煤方式,试验结果与理论分析和数值模拟结果基本吻合,同时也为同煤集团类似地质条件下特厚煤层开采提供理论和技术支撑。主要研究结果是:(1)分析群组放煤方式在塔山煤矿应用的可行性,针对影响顶煤冒放性的几个因素,着重使用节理裂隙分布分形维数从量化角度分析了顶煤节理裂隙发育程度对顶煤冒放性的影响,得出塔山煤矿适宜采用群组放煤方式进行放煤作业。(2)根据松散介质颗粒流动基本假设和煤矸颗粒运动公式,建立群组放煤方式的顶煤放出数学模型,并得出顶煤放出体数学表达式;揭示放顶煤开采群组放煤方式下放出体发育过程,通过空间坐标关系和拟合方法,推导出不同支架组合数放煤条件下顶煤放出体方程;放煤过程中,煤矸颗粒沿着最小阻力路径以近似直线的轨迹向放煤口移动,煤矸分界面近似为倒置的正态分布曲线。(3)单架放煤方式下,放煤口尺寸较小,放煤过程中易在放煤支架后上方形成阻碍顶煤放出的“放煤拱”,顶煤放出率不超过77%,放煤效率极低;顶煤越厚,受“放煤拱”影响程度越大,呈不规则块状分布的采空区遗煤量越多。(4)多架同时放煤增加了放煤口尺寸,顶煤松动范围扩大,煤矸颗粒间相互挤压作用力减小,冒放速度加快,难以形成稳定的“放煤拱”结构;同时放煤架数越多、顶煤越厚,煤矸分界面迹线越长,煤矸交互影响范围越大,易出现“局部凹陷”现象,采空区遗煤增加;顶煤放出率处于72.8%～83.4%,有一半能达到80%以上,放煤效率提高了2～9倍。(5)等量差动放煤使放煤口有序错动打开,放煤过程中待放顶煤体提前分级松动,且不会出现“放煤拱”结构;等量差动放煤“量”值越小,煤矸分界面越平缓,待放顶煤均匀沉降,煤矸互层厚度越小,采空区遗煤量也最少,放煤效果最好;顶煤放出率处于77.6%～96.2%,有六成能达到90%以上,放煤效率提升了2～7倍。(6)针对塔山煤矿20m特厚煤层开采实际,采用两架和三架同时放煤方式在8222工作面开展工业试验,使得该工作面顶煤放出量、顶煤放出率、放煤效率均得到很大提高,既攻克了矿方的生产难题,也为相同地质条件的综放矿井提供了群组放煤理论技术支撑,同时为放顶煤开采智能化的实现奠定了基础。