新書推薦：硬巖地層高溫熱沖擊-水力壓裂復合致裂理論及應用

本書圍繞煤礦堅硬頂板定向水力壓裂切頂卸壓關鍵技術難題，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—連通過程中的關鍵科學問題。研究內容主要包括：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律、固-熱耦合作用下花崗巖雙孔熱沖擊定向連通致裂規律、花崗巖體雙孔熱沖擊定向預裂-水力壓裂連通致裂規律和煤礦火成巖頂板熱沖擊定向預裂-水力壓裂區域化切頂卸壓技術參數。研究成果可為該技術的工業應用提供理論支撐和科學依據。

在煤層頂板巖層中，常存在強度高、厚度大、結構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。水力壓裂雖具有環境友好、適應性強、破斷范圍大的優點，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。水力割縫雖能產生定向裂縫，但破斷范圍有限，且系統較復雜。因此，能否開發一種系統簡單、又能局部擺脫地應力、實現大范圍定向卸壓的新方法，值得深入探索。

筆者根據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，實現堅硬巖層大范圍定向致裂破斷卸壓。堅硬巖體結構的這種控制改變，稱之為巖體結構多場耦合誘控(controlling rock mass structure by multiple-field coupling)。本書內容即是巖體結構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

在我國兩淮地區及華北地區的某些煤礦煤層頂板中，廣泛發育火成巖侵入體，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，采用室內試驗、理論分析、數值模擬相結合的方法，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律、固-熱耦合作用下花崗巖體雙孔熱沖擊定向連通致裂規律、花崗巖體雙孔熱沖擊定向預裂-水力壓裂連通致裂規律，最后對煤礦火成巖頂板熱沖擊預裂-水力壓裂區域化定向切頂卸壓技術參數進行了研究與優化。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果

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作者簡介

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

張超，山西陽泉人，太原理工大學礦業工程學院講師。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、油氣開采等相關領域科技工作者提供借鑒。關于高溫熱沖擊預裂-水力壓裂復合定向致裂卸壓理論與技術的研究尚處于起步階段，大量基礎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。

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