顶煤放出规律和顶煤破碎机理是综放开采两个核心研究内容,顶煤的有效破碎是顶煤顺利放出的前提,顶煤的放出效果是顶煤破碎程度的综合体现。不同综放工作面由于煤层条件不同,必然导致顶煤破碎块度分布不同,进而造成工作面顶煤放出规律有所差异。本文采用理论分析、室内放煤试验、数值计算及现场测试等多种研究手段,首先确定了顶煤块度均值和块度标准差两个定量描述顶煤块度分布特征的参数,并从顶煤块度分布对顶煤放出规律的影响机理、顶煤块度分布现场测量及特征描述、顶煤块度分布对顶煤放出规律影响的试验及模拟分析、基于顶煤块度分布的顶煤回收率预测模型构建以及提高工作面顶煤回收率的放煤方式优化等方面进行了系统研究。研究结果具体如下:（1）综合分析倾斜条件支架放煤口边界条件,推导了工作面布置方向顶煤放出体理论方程,模拟试验和数值计算结果均验证了该方程可较好地描述工作面布置方向顶煤放出体形态。以放煤口中心垂线为界,随着工作面倾角的增大,顶煤放出体上端头侧被支架尾梁切割范围逐渐增大,顶煤放出体形态不对称性增强。倾斜煤层顶煤放出体具有“异形等体”特征,即放出体上下端两侧形态差异明显,但体积相等,这是由于放出体变异发育体积和被切割体积基本相等造成的。给出了顶煤块度分布影响下的顶煤放出体方程,发现随着顶煤块度均值的增大,顶煤放出体体积呈先增后减的趋势,但放出体两侧等体特征基本不受影响。（2）基于散体力学理论,建立了综放工作面初次见矸煤岩分界面表面颗粒力学模型,推导并修正了三维初始煤岩分界面理论方程,修正方程可以较准确地描述初始煤岩分界面“类对数曲线漏斗”形态,验证了方程的正确性。通过分析过量放煤条件放煤口不同方位角度下煤岩分界面发育特征,在初次见矸分界面方程的基础上给出了过量放煤煤岩分界面理论方程及形态,其边界发育更加充分,呈“矩形底椭圆顶漏斗”形态。给出了顶煤块度分布影响下三维煤岩分界面理论方程,并基于煤岩分界面漏斗体积与顶煤放出体体积基本相等的性质,得出随着顶煤块度均值的增大,煤岩分界面漏斗体积呈先增后减的趋势。（3）结合现场测量地点和测量时放出顶煤堆积状态,提出了三种顶煤块度测量方法:方法1（皮带上分散式测量法）、方法2（刮板上堆积式测量法）和方法3（刮板上分散式测量法）,对比三种测量方法的操作难易度和安全性,建议在现场工作面可优先采用方法3和方法2,其次采用方法1。采用PFC3D离散元模拟软件,建立了刮板输送机输送放出顶煤过程的放煤试验计算模型,得出随着放煤高度的增加,放出顶煤在刮板输送机上累计分布长度和累计放出体积都近似呈二次函数形式增长;依据距离放出顶煤最后位置不同长度内的顶煤块度级配曲线特征,方法3测量顶煤块度时测量长度至少需满足1.0-1.5 m,同时推导了方法1最小测量长度与方法3测量长度之间关系。（4）通过对四个代表性综放工作面的顶煤块度分布进行现场测量,得出在四个工作面条件下,随着顶煤厚度的增加,顶煤块度级配曲线由上凸型转变为上凹型,说明大块度顶煤占比逐渐增大,顶煤破碎程度逐渐变差;顶煤块度均值在7.3-353.4 mm范围内逐渐增大,顶煤块度标准差先增后减,变异系数逐渐减小。当煤厚基本相等时,若煤质较硬、裂隙不发育且有夹矸,则顶煤块度均值较大且较集中;若煤质较软、裂隙发育充分且无夹矸时,则顶煤块度均值较小但较离散。总体来说,四个工作面顶煤块度分布呈均值逐渐增大但离散性逐渐减小的特征。（5）研制了精细化丝杠螺母控制式放煤试验平台,研究了顶煤块度均值对顶煤放出规律的影响。单口放煤条件下,随着块度均值的增大,顶煤回收率呈先增后减的变化规律,当块度均值为150-250 mm时,顶煤回收率相对较高。放煤口长度的变化影响了块度均值的相对大小,进一步影响回收率变化。当块度均值较小时,顶煤回收率随放煤口长度增大呈减小趋势,工作面建议使用单口放煤;当块度均值较大时,顶煤回收率随放煤口长度增大呈先增后减的趋势,工作面建议使用多口放煤。给出了不同块度均值和放煤口长度下顶煤放出体理论方程和形态,随着块度均值的增大,放出体体积近似线性增大,最大宽度也逐渐增大,随着放煤口长度的增大,放出体体积呈增长率减小的增长趋势。（6）不同顶煤块度均值下,煤岩分界面最低点随着顶煤的放出都逐渐由支架侧向采空区方向偏转,且块度均值越大,该趋势愈发明显。顶煤颗粒流出放煤口的运移轨迹基本都呈直线形,随着块度均值的增大,颗粒运动速度逐渐减小,放煤过程中成拱次数显著增加,流出放煤口后扩散角度逐渐增大。根据放煤过程中分界面最低点坐标位置变化规律,推导了不同放煤高度下煤岩分界面动态演化方程,并计算了支架侧和采空区侧分界面修正系数。随着块度均值的增大,两侧修正系数整体上逐渐增大,但支架侧修正系数始终大于采空区侧,说明综放支架的影响使得支架侧煤岩分界面发育范围更大,变化趋势相对平缓。（7）开展了不同顶煤块度标准差下PFC数值计算,得出在均匀分布阶段（块度标准差小于0.1 m,方案S1-S5）,随着块度标准差的增大,顶煤回收率呈先增后减的趋势,但变化幅度较小,有利于工作面放煤管理,其中回收率最大的S3方案主要是增大了起始放煤端的顶煤放出量;在非均匀分布阶段（块度标准差大于0.1 m,方案S6-S9）,随着块度标准差的增大,顶煤回收率的值先减后增,变化幅度较大,其中S9方案下回收率最大,主要是结束放煤端的顶煤放出量增大造成的。块度标准差对顶煤放出体和煤岩分界面形态有较大影响,在均匀分布阶段,不同标准差下初始顶煤放出体的形态和体积基本一致,初始煤岩分界面各层位截面长度相对较小;在非均匀分布阶段,放煤过程中主要顶煤尺寸呈“中-小-大”的变化趋势,使得不同标准差下放出体体积变化明显,当主要顶煤尺寸较大时,初始煤岩分界面开口较大,下端部分旋转角相对较小,有利于顶煤放出体的发育,减小工作面残煤量。随着距放煤口中心点距离的减小,颗粒最大运行速度逐渐增大,颗粒间最大接触力逐渐减小,当主要顶煤尺寸较大时,颗粒最大运行速度和最大运移范围较大,使得顶煤回收率较高。（8）提出了顶煤相对块度的概念,初步建立了基于顶煤相对块度的室内试验回收率预测模型。随着顶煤相对块度的增大,顶煤回收率呈先增后减的变化规律;在单口放煤方式下,当顶煤相对块度约为0.14时,顶煤回收率较高。研制了便携式可视化综放开采顶煤回收率测试装置,并对四个综放工作面顶煤回收率进行了实测,发现当顶煤相对块度较大时,现场顶煤回收率也呈先增后减的趋势,但整体上小于室内试验结果。通过修正室内试验回收率预测模型,得到了现场顶煤回收率预测模型,当顶煤相对块度大于等于0.079时,该预测模型可以较好地预测现场顶煤回收率。（9）基于顶煤块度分布对顶煤放出规律的影响,提出了动态精细化放煤方式。该放煤方式顶煤放出体分为上下端侧两部分,下端侧放出颗粒主要来自本支架上位顶煤,上端侧放出颗粒主要来自相邻支架下位顶煤。动态精细化放煤改变了颗粒运移路径,相同编号的放出颗粒轨迹呈抛物线形,受相邻支架放煤影响较小,颗粒位移较小。动态精细化放煤方式提高了工作面下端头和中部顶煤回收率,随着采放比增大,动态精细化放煤顶煤回收率呈逐渐增大趋势。相比于单口顺序放煤,当采放比小于1:1时,动态精细化放煤显著提高了工作面顶煤回收率,当采放比大于1:1时,两者顶煤回收率大小基本一致,但动态精细化放煤缩短了放煤时间,可加快工作面推进速度。