潞宁煤矿31101工作面浅埋深、坚硬顶板的特征使得采煤工作面推进过程中顶板岩体难以垮落,容易造成工作面后方大面积悬顶,从而形成较高支承压力,一旦垮落很容易造成冲击矿压等灾害,不利于矿井的安全高效生产。本文以该矿31101工作面为工程背景,在实验室测定了工作面顶板岩体相关的物理力学参数,对工作面坚硬顶板矿压显现特征以及坚硬顶板水力压裂机理进行了详细的分析,并在此基础上制定了相应的顶板预裂方案,通过工业性试验得出水力压裂预裂坚硬顶板效果良好。根据地质条件,通过对上覆岩层矿压显现特征理论分析,得出采煤工作面的冒落带高度;根据得出的直接顶和基本顶的有效载荷以及极限跨距分别计算出直接顶的初次垮落步距、基本顶的初次来压步距以及周期来压步距;据此分析出该工作面基本顶为Ⅲ级矿压显现强烈类型的基本顶;理论分析并计算了合理的顶板预裂高度。通过理论分析水力压裂对岩石软化和岩体强度降低的作用效果,水力压裂影响因素,水力压裂生成裂纹的扩展机理,定向水力压裂预制切槽技术的机理以及预裂顶板设计方案的钻孔方位角、倾角、注水压力值、压裂液选取和压裂范围等关键参数,并利用UDEC离散元软件对此进行了数值模拟。理论研究与数值模拟结果表明,采用水力压裂技术预裂坚硬顶板后,基本顶初次来压步距、周期来压步距以及直接顶初次垮落步距减小,来压强度显著降低。本文设计了A、B、C三种布置方式的压裂孔和观测孔,制定了定向水力压裂预制切槽技术的施工工艺。在制定了工作面坚硬顶板预裂方案的基础上,制定了完善的安全技术措施。在31101工作面进行了工业性试验。结果表明:水力压裂注水加压时间和保压时间,会随钻孔深度和岩性变化而变化;基本顶初次来压步距、周期来压步距以及直接顶初次垮落步距减小,来压强度显著降低;试验工作面避免了坚硬顶板的大面积来压现象,保证了工作面的安全高效生产。该论文有图52幅,表20个,参考文献99篇。