本書圍繞煤礦堅硬頂板定向水力壓裂切頂卸壓關(guān)鍵技術(shù)難題，基于定向水力壓裂和巖石熱破裂理論，提出了一種適用于硬巖地層的“高溫熱沖擊-水力壓裂”復合致裂方法，重點關(guān)注固-熱耦合作用下鉆孔軸向裂縫定向起裂、擴展和流-固耦合作用下裂縫的擴展—連通過程中的關(guān)鍵科學問題。研究內(nèi)容主要包括：花崗巖體熱沖擊定向致裂的溫度效應、固-熱耦合作用下花崗巖體熱沖擊定向裂縫擴展規(guī)律、固-熱耦合作用下花崗巖雙孔熱沖擊定向連通致裂規(guī)律、花崗巖體雙孔熱沖擊定向預裂-水力壓裂連通致裂規(guī)律和煤礦火成巖頂板熱沖擊定向預裂-水力壓裂區(qū)域化切頂卸壓技術(shù)參數(shù)。研究成果可為該技術(shù)的工業(yè)應用提供理論支撐和科學依據(jù)。

在煤層頂板巖層中，常存在強度高、厚度大、結(jié)構(gòu)整體完整且承載力強的堅硬巖層。隨著開采范圍的擴大，此類頂板的突然垮落極易造成嚴重的煤礦動力災害，如沖擊礦壓。針對該問題，國內(nèi)外普遍采用切頂卸壓作為主要解決方案，即通過人工干預對堅硬頂板進行破斷，使之隨著開采范圍擴大而及時垮落。

切頂卸壓技術(shù)的常見路徑包括定向爆破、水力壓裂和水力割縫等。定向爆破雖然卸壓效果顯著，但是存在管控嚴格、易污染井下環(huán)境、使用條件受限以及能量利用率低下等不足。水力壓裂雖具有環(huán)境友好、適應性強、破斷范圍大的優(yōu)點，但是壓裂裂縫的起裂與擴展受地應力控制，難以對堅硬頂板實施定向破斷。水力割縫雖能產(chǎn)生定向裂縫，但破斷范圍有限，且系統(tǒng)較復雜。因此，能否開發(fā)一種系統(tǒng)簡單、又能局部擺脫地應力、實現(xiàn)大范圍定向卸壓的新方法，值得深入探索。

筆者根據(jù)多年高溫高壓巖石力學方面的研究成果，提出了“高溫熱沖擊預裂-水力壓裂復合定向致裂卸壓”方法。其核心思想就是先通過高溫定向裂紋弱化堅硬巖層，再通過水力壓裂擴大定向裂紋，實現(xiàn)堅硬巖層大范圍定向致裂破斷卸壓。堅硬巖體結(jié)構(gòu)的這種控制改變，稱之為巖體結(jié)構(gòu)多場耦合誘控(controlling rock mass structure by multiple-field coupling)。本書內(nèi)容即是巖體結(jié)構(gòu)多場耦合誘控的一個例子。

▲熱沖擊定向預裂-水力壓裂切頂卸壓施工工藝

在我國兩淮地區(qū)及華北地區(qū)的某些煤礦煤層頂板中，廣泛發(fā)育火成巖侵入體，形成堅硬頂板。因此，本書以最堅硬的火成巖花崗巖為試驗對象，采用室內(nèi)試驗、理論分析、數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，獲得了花崗巖體熱沖擊定向致裂的溫度效應、固-熱耦合作用下花崗巖體熱沖擊定向裂縫擴展規(guī)律、固-熱耦合作用下花崗巖體雙孔熱沖擊定向連通致裂規(guī)律、花崗巖體雙孔熱沖擊定向預裂-水力壓裂連通致裂規(guī)律，最后對煤礦火成巖頂板熱沖擊預裂-水力壓裂區(qū)域化定向切頂卸壓技術(shù)參數(shù)進行了研究與優(yōu)化。本書可為除火成巖外的其他巖性堅硬頂板的切頂卸壓提供參考。

▲定向熱沖擊過程中花崗巖的聲發(fā)射主頻和振幅隨時間的演化特征

▲豎向位移分量分布云圖

▲不同孔間距模型水力裂縫擴展結(jié)果

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作者簡介

馮子軍，太原理工大學礦業(yè)工程學院教授、博士生導師，國家優(yōu)青獲得者。長期致力于“高溫高壓煤巖力學與工程”領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論與工程技術(shù)研究。獲省部級科技獎勵一等獎、二等獎、三等獎各 1項；發(fā)表學術(shù)論文100余篇，合作出版學術(shù)專著2部；以第一發(fā)明人身份獲發(fā)明專利授權(quán)29 項。

張超，山西陽泉人，太原理工大學礦業(yè)工程學院講師。主要研究方向為高溫高壓巖石力學與工程、礦山壓力及其控制。先后參與國家級及企事業(yè)單位橫向科研項目4項；以第一作者身份在

Rock Mechanics andRock Engineering

Engineering Fracture Mechanics

本書的研究工作得到國家自然科學基金優(yōu)秀青年科學基金項目“高溫高壓煤巖力學與工程(項目編號：52122405)”的資助。

本文摘編自《硬巖地層高溫熱沖擊-水力壓裂復合致裂理論及應用 》（ 馮子軍 張 超 著 . 北京 : 科學出版社 , 2026. 2 ）一書“前言”，有刪減修改，標題為編者所加。

硬巖地層高溫熱沖擊-水力壓裂復合致裂理論及應用

馮子軍 張 超 著

北京 : 科學出版社 , 2026. 2

ISBN 978-7-03-083876-8

責任編輯：馮曉利

本書主要面向煤炭開采領(lǐng)域的科技人員，也可以為非煤礦山、石材礦山、地熱開采、油氣開采等相關(guān)領(lǐng)域科技工作者提供借鑒。關(guān)于高溫熱沖擊預裂-水力壓裂復合定向致裂卸壓理論與技術(shù)的研究尚處于起步階段，大量基礎(chǔ)性研究工作以及工程實踐應用工作還有待進一步開展和完善。

地球為你而轉(zhuǎn)！

歡迎關(guān)注：賽杰奧（sci_geo）

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