??? 實踐證明，對于一般巖層覆蓋的采場，老頂總厚度大約為采高的4-6倍，老頂所包含的“傳遞巖梁”數(shù)目，一般不超過3個。組成老頂各“傳遞巖梁”的巖梁厚度為同時運動巖層的厚度之和。上下兩巖層同時運動的條件可由下式表示:
??? 在生產(chǎn)現(xiàn)場，可以根據(jù)實測所得采場支架阻抗力或頂板下沉量隨工作面推進(jìn)距離關(guān)系曲線直接推斷老頂巖梁數(shù)目及運動步距值。
??? 老頂來壓時，直接頂和下位巖梁斷裂，破壞線深入煤壁前方，上覆巖層作用在煤(或巖)層上的“支承壓力”(或相對應(yīng)的支承反力)明顯的分為兩個部分，是該采場條件下結(jié)構(gòu)模型的重要特征.其中，處于“內(nèi)應(yīng)力場”(圖3中S1部分)中的煤體已經(jīng)破壞，其承受的壓力大小由直接頂和老頂運動的作用力決定。顯然，當(dāng)老頂來壓完成進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，該部分煤體的支承反力只要平衡直接頂?shù)淖饔昧纯?。分布于“外?yīng)力場”(圖3中S2部分)煤體上的支承壓力由上覆巖層的總體作用力所決定，其大小分布范圍受直接頂和老頂?shù)挠绊戄^小。
??? 當(dāng)開采深度較小，或者煤層強度較高，支承壓力不足以超前破壞煤壁的情況下，采場的結(jié)構(gòu)模型如圖4所示，即直接頂及老頂?shù)臄嗔哑茐膶⒃诿罕谔幇l(fā)生，“內(nèi)應(yīng)力場”的范圍(S1)將趨于零。
??? 目前，作為實用礦山壓力理論的核心—礦山壓力分布、礦山壓力顯現(xiàn)與上覆巖層(直接頂及老頂)運動間關(guān)系的理論研究已經(jīng)取得重要成果，通過礦山壓力顯現(xiàn)推斷上覆巖層運動和支承壓力分布，實現(xiàn)對頂板活動和礦山壓力分布預(yù)測預(yù)報的“井下巖層動態(tài)觀測研究方法”，已有了廣泛的實踐基礎(chǔ)。在生產(chǎn)現(xiàn)場針對具體煤層和開采條件建立采場結(jié)構(gòu)模型的工作已經(jīng)進(jìn)入到實用階段.
??? 采場結(jié)構(gòu)模型的類型和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定之后，開采方法的選擇、開采參數(shù)確定等設(shè)計決策，也就有了科學(xué)的基礎(chǔ)。例如:知道直接頂?shù)暮穸萴2及老頂下位巖梁的厚度mE1和來壓步距CE1就能夠按下列要求選擇綜采支架，排除推垮工作面和壓死支架等重大事故:
支架的允許縮量:εr>ΔhA
式中:Sr—支架支護面積=支架寬度 (B)×控頂距(Lk),m2;
??? ΔhA—下位巖梁裂斷來壓觸矸時的最大采場頂板下沉量，m;
??? Δhrmin—上位巖梁裂斷前計算或?qū)崪y到的最小采場頂板下沉量;
??? ?x—懸頂系數(shù)
??? 同樣，知道了采場結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，為相鄰工作面準(zhǔn)備的回采巷道位置、開采或準(zhǔn)備的時間以及正確的維護方法，也不難確定。其中，屬于有內(nèi)應(yīng)力場的結(jié)構(gòu)模型(如圖3所示)，如果不出現(xiàn)底鼓等情況，則正確的設(shè)計決策分別為:
??? 沿空留巷(圖3中1的位置):此時支架阻抗力最小需平衡直接頂?shù)淖饔昧ΓЪ艿目煽s量應(yīng)適應(yīng)下位巖梁觸研并壓實的沉縮全過程。其最小值△hmin可由下式近似推出:
式中:S1—內(nèi)應(yīng)力場范圍，m;
???? B—巷道寬度，m;
???? d—老頂下位巖板側(cè)向裂斷寬度，一般接近推進(jìn)方向來壓步距(C1)
??? 煤柱護巷(即圖3中4的位置):此時巷道應(yīng)在接近原始應(yīng)力區(qū)的部位開掘，支護方式和支護阻力應(yīng)按相應(yīng)區(qū)域的巷道壓力設(shè)計。
??? 在內(nèi)應(yīng)力場(即圖3中2的位置)掘巷:此條件下掘巷的時間必須在老頂運動基本穩(wěn)定之后，支護方式應(yīng)考慮內(nèi)應(yīng)力場煤體已經(jīng)破壞的現(xiàn)實，支護阻抗力應(yīng)不低于平衡直接頂作用力的要求，可縮量應(yīng)能適應(yīng)工作面推進(jìn)至老頂來壓時的內(nèi)應(yīng)力場可能出現(xiàn)的最大巷道頂板下沉量。
??? 顯然出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力場結(jié)構(gòu)的條件下，要絕對避免在高應(yīng)力區(qū)(即圖3中3的位置)開掘和維護回采巷道。在該處布置巷道，圍巖將承受超過原始應(yīng)力(rH)的幾倍，不僅巷道維護困難，而且經(jīng)常在掘進(jìn)時引發(fā)沖擊地壓和瓦斯煤層突出等重大事故。
??? 對于圖4所示不出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力場結(jié)構(gòu)類型的采場，回采工作面控制設(shè)計以防止老頂動壓沖擊為前題，無需考慮煤壁片塌和直接頂破碎等事故。滿足此要求的支護阻抗能力，應(yīng)保證在直接頂和下位巖梁來壓時完全平衡其作用力，即不出現(xiàn)安全閥開啟、頂板沉降的情況。在該條件下考慮巷道礦壓控制設(shè)計決策的基本原則是沿空送道或把巷道布置在支承壓力分布區(qū)域(一般不超過8－10m)之外的任何位置。掘進(jìn)時間不受巖層運動限制。如果采用沿空留巷方案，則支護阻抗力應(yīng)平衡垮落直接頂?shù)淖饔昧?，壓縮量則必須適應(yīng)老頂穩(wěn)定過程中的全部巷道沉降量。
??? 放頂煤綜采條件下的采場結(jié)構(gòu)模型如圖5所示，與同一煤層分層開采條件下的結(jié)構(gòu)模型相比有以下特點:
??? ①由于采出煤層的厚度(采高h(yuǎn)d加放出頂煤厚度hr)增加，冒落巖層總厚度即直接頂厚度(m2)將比分層開采大的多，具體值仍可按頂分層開采條件下的頂分層冒高即式(3)－(8)的推斷方法確定。
??? ②頂煤的實際回收情況對采場結(jié)構(gòu)組成狀態(tài)及相關(guān)參數(shù)的影響很大。有關(guān)結(jié)構(gòu)運動對采場礦壓顯現(xiàn)的影響要比分層開采復(fù)雜得多。因此，采場礦壓顯現(xiàn)的規(guī)律性是頂煤回收率是否均衡可靠的一個重要標(biāo)志。在放頂煤開采條件下，垮落的直接頂厚度(m2)與采空區(qū)殘留的浮煤高度(hf)間的關(guān)系可用式(13)表出:
??? ③由于一次采出煤層厚度增加，出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力場的可能性及應(yīng)力場所伸展的范圍都比分層開采條件下大得多。研究證明，內(nèi)應(yīng)力場范圍與一次采出的煤層厚度(hr+ hd)近似成正比。
??? 針對放頂煤開采的采場結(jié)構(gòu)模型特點，其開采設(shè)計決策應(yīng)考慮下述原則:
??? a支架阻抗力的下限應(yīng)能按平衡頂煤和直接頂同時運動的作用力;上限不超過對老頂下位巖梁(mE1)采取限定變形工作方案設(shè)計，即:
??? 合力作用點距煤壁的距離，m
??? 對于放頂煤支架，合理的工作狀態(tài)應(yīng)保證合力作用點處于控頂區(qū)的中央，即Li =0. 5Lk。
??? b鑒于內(nèi)應(yīng)力場范圍的擴大，更有條件考慮在內(nèi)應(yīng)力場中掘進(jìn)布置回采巷道，以解決采場巷道礦壓控制方案問題.
3提高放頂煤綜采回收率及實現(xiàn)條件
??? 鑒于能保證均勻分層開采的煤層條件并不多，加之分層開采巷道煤柱損失不可避免，因此簡單的得出繚放采區(qū)回收率將低于分層綜采的結(jié)論是不正確的。相反，對于厚度有變化，特別是構(gòu)造復(fù)雜的厚煤層，只要頂煤放出條件具備，開采設(shè)計決策正確，爭取綜放回收率高于分層開采是完全可能的。
??? 在綜放實現(xiàn)安全開采的前提下，保證采場較高回收率的條件是:
??? ①頂煤能破碎到由放煤口自由放出的程度，即煤層可放性好。
??? ②直接頂板(特別是下位巖層)能隨頂煤的放出而及時冒落，并及時充填已放出的頂煤空間，即直接頂各巖層冒落性好，垮落步距小。
③采場支架選型及工況合理。
??? ④放頂煤工藝正確，頂煤放出率高。
??? 前兩條是前提和基礎(chǔ)，后兩條是實施的關(guān)鍵。
3.1頂煤破碎過程及實現(xiàn)的條件
??? 具備可放性條件的煤層，頂煤的破壞一般將經(jīng)歷在煤壁前方受支承壓力作用超前破壞，進(jìn)入支架上方后，在頂板壓力作用下擠壓破壞和在移架過程中反復(fù)支撐破壞等三個發(fā)展過程。
??? 煤壁前方出現(xiàn)壓力顯現(xiàn)隨老頂來壓而明顯變化的內(nèi)應(yīng)力場，是頂煤已超前破壞的標(biāo)志.如果忽略煤層各分層間以及煤層與頂板間粘結(jié)力，不考慮頂煤(hr)和底煤(hd)邊界條件的差別，則可以用下式近似表達(dá)放頂煤開采條件下內(nèi)應(yīng)力場范圍和存在條件，即:
式中:H—開采煤層深度;
??? Kmax－最大應(yīng)力集中系數(shù)，懸露巖層的范圍愈大，該值愈高。根據(jù)目前研究結(jié)果，Kmax在一般煤層和開采技術(shù)條件下.Kmax變化于1.8-2.6之間;
??? σc—煤層最弱分層的單向抗壓強度;
??? hr—可放出的頂煤厚度;
??? ε—考慮煤層結(jié)構(gòu)影響的系數(shù)
在生產(chǎn)現(xiàn)場，可采用“動態(tài)法”在超前巷道中觀測老頂來壓前后支承壓力的顯現(xiàn)，判定內(nèi)應(yīng)力場的存在和范圍的大小。
??? 對于不具備頂煤超前破壞的采場，有人建議采用預(yù)注水軟化煤層，超前爆破等措施，人為制造內(nèi)應(yīng)力場的辦法，以實現(xiàn)放頂煤開采。該建議由于工藝復(fù)雜，當(dāng)前尚未見到實踐的實例。作者認(rèn)為，在含高瓦斯煤層.需要沿頂板開掘?qū)ｉT巷道抽排瓦斯的條件下，綜合考慮上述措施是可行的。
??? 頂板壓力對頂煤的擠壓破碎作用，只有在頂板運動(來壓)，而且支架處于阻抗(限定變形)的工作狀態(tài)條件下才能發(fā)生。顯然.當(dāng)頂板比較堅硬的條件下.在頂板處于相對穩(wěn)定狀態(tài)的日常期間依靠頂板壓力破壞頂煤是不可靠的。因此不難得出，靠頂板壓力實現(xiàn)破煤的條件為:
??? ①頂板(包括直接頂和老頂)強度較低，來壓步距很小的采場;
??? ②已開采頂分層(頂板已經(jīng)歷過一次破壞運動)的采場;
??? ③支架的阻抗能力(包括初撐力及工作阻力)高，在日常和頂板來壓期間都能保持在“限定變形”狀態(tài)下(承載)工作。
??? 在生產(chǎn)現(xiàn)場，放頂煤支架前后柱始終處于高承載狀態(tài)，由活柱縮量或支架阻力等壓力顯現(xiàn)表達(dá)的顯現(xiàn)規(guī)律沒有明顯周期性等是頂板擠壓破壞頂煤作用實現(xiàn)的標(biāo)志。