本文围绕特厚中硬煤层放顶煤开采的关键技术——提高顶煤放出率课题开展了理论和应用技术的系统研究。定性和定量研究了我国11 个主采煤层的裂隙与孔隙分布特征,主要包括裂隙系统、裂隙网络结构形式、裂隙尺度分布的分形特征、孔隙率与孔径分布及其与煤变质程度的相关规律,为定量评价顶煤的冒放特性和预注水处理顶煤的难易程度与工程效果提供了分类参数和依据。通过现场实测、相似材料模型模拟和有限元数值计算,分门别类地研究了硬煤、中硬煤和软煤放顶煤工作面的矿压作用与顶煤变形、移动、破碎和冒放特征。运用相似材料模型试验研究了硬煤、中硬煤和软煤的冒放结构。通过理论分析和有限元正交数值试验,定性与定量研究了煤层赋存的地质条件、开采技术条件等对顶煤冒放性的影响及其相关规律; 运用模糊数学理论将各种赋存条件下顶煤的冒放性分为五类,并提出了各类顶煤的控制与预处理方法,将分类结果应用于全国29 个煤层,佐证了分类方法和指标选取的正确性。通过煤层注水渗流与软化机理的研究,提出了注水孔在煤层垂直方向的位置和注水超前开采的时间要求以及注水使煤体抗剪强度降低△τ的综合表达式。在三轴应力渗透仪上进行了全国18 个煤层大煤样的渗透系数及其变化规律的实验研究。运用模糊数学理论对煤层注水的渗透特性进行了分类,提供了基于分类结果的顶煤预注水选择方案,将分类方法应用于全国18 个主采煤层,验证了分类方法与参数选取的合理性。基于放顶煤开采煤壁前方支承压力压裂作用的分区理论,确定了硬煤、中硬煤和软煤条件下预注水超前工作面的合理位置。在预注水处理顶煤的理论研究基础上,给出了注水钻孔间距、单孔注水量、注水时间和注水压力预测等顶煤预注水参数的确定方法。将研究成果应用于潞安王庄煤矿3#煤层综放开采工作面,取得了显著的技术经济效果和社会效益。