本書圍繞煤礦堅(jiān)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?zé)釠_擊-水力壓裂”復(fù)合致裂方法，重點(diǎn)關(guān)注固-熱耦合作用下鉆孔軸向裂縫定向起裂、擴(kuò)展和流-固耦合作用下裂縫的擴(kuò)展—連通過程中的關(guān)鍵科學(xué)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(yīng)、固-熱耦合作用下花崗巖體熱沖擊定向裂縫擴(kuò)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(yù)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(yù)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(yīng)用提供理論支撐和科學(xué)依據(jù)。

在煤層頂板巖層中，常存在強(qiáng)度高、厚度大、結(jié)構(gòu)整體完整且承載力強(qiáng)的堅(jiān)硬巖層。隨著開采范圍的擴(kuò)大，此類頂板的突然垮落極易造成嚴(yán)重的煤礦動(dòng)力災(zāi)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(yù)對堅(jiān)硬頂板進(jìn)行破斷，使之隨著開采范圍擴(kuò)大而及時(shí)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(yán)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(yīng)性強(qiáng)、破斷范圍大的優(yōu)點(diǎn)，但是壓裂裂縫的起裂與擴(kuò)展受地應(yīng)力控制，難以對堅(jiān)硬頂板實(shí)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(fù)雜。因此，能否開發(fā)一種系統(tǒng)簡單、又能局部擺脫地應(yīng)力、實(shí)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(xué)方面的研究成果，提出了“高溫?zé)釠_擊預(yù)裂-水力壓裂復(fù)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(jiān)硬巖層，再通過水力壓裂擴(kuò)大定向裂紋，實(shí)現(xiàn)堅(jiān)硬巖層大范圍定向致裂破斷卸壓。堅(jiān)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(gè)例子。

▲熱沖擊定向預(yù)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(jiān)硬頂板。因此，本書以最堅(jiān)硬的火成巖花崗巖為試驗(yàn)對象，采用室內(nèi)試驗(yàn)、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(yīng)、固-熱耦合作用下花崗巖體熱沖擊定向裂縫擴(kuò)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(yù)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(yù)裂-水力壓裂區(qū)域化定向切頂卸壓技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了研究與優(yōu)化。本書可為除火成巖外的其他巖性堅(jiān)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(shí)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(kuò)展結(jié)果

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作者簡介

馮子軍，太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，國家優(yōu)青獲得者。長期致力于“高溫高壓煤巖力學(xué)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(jiǎng)勵(lì)一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)、三等獎(jiǎng)各 1項(xiàng)；發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇，合作出版學(xué)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(xiàng)。

張超，山西陽泉人，太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院講師。主要研究方向?yàn)楦邷馗邏簬r石力學(xué)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(xiàng)目4項(xiàng)；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(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目“高溫高壓煤巖力學(xué)與工程(項(xiàng)目編號：52122405)”的資助。

本文摘編自《硬巖地層高溫?zé)釠_擊-水力壓裂復(fù)合致裂理論及應(yīng)用 》（ 馮子軍 張 超 著 . 北京 : 科學(xué)出版社 , 2026. 2 ）一書“前言”，有刪減修改，標(biāo)題為編者所加。

硬巖地層高溫?zé)釠_擊-水力壓裂復(fù)合致裂理論及應(yīng)用

馮子軍 張 超 著

北京 : 科學(xué)出版社 , 2026. 2

ISBN 978-7-03-083876-8

責(zé)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?zé)衢_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?zé)釠_擊預(yù)裂-水力壓裂復(fù)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(shí)踐應(yīng)用工作還有待進(jìn)一步開展和完善。

地球?yàn)槟愣D(zhuǎn)！

歡迎關(guān)注：賽杰奧（sci_geo）

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