北京
本书围绕煤矿坚硬顶板定向水力压裂切顶卸压关键技术难题，基于定向水力压裂和岩石热破裂理论，提出了一种适用于硬岩地层的“高温热冲击-水力压裂”复合致裂方法，重点关注固-热耦合作用下钻孔轴向裂缝定向起裂、扩展和流-固耦合作用下裂缝的扩展—连通过程中的关键科学问题。研究内容主要包括：花岗岩体热冲击定向致裂的温度效应、固-热耦合作用下花岗岩体热冲击定向裂缝扩展规律、固-热耦合作用下花岗岩双孔热冲击定向连通致裂规律、花岗岩体双孔热冲击定向预裂-水力压裂连通致裂规律和煤矿火成岩顶板热冲击定向预裂-水力压裂区域化切顶卸压技术参数。研究成果可为该技术的工业应用提供理论支撑和科学依据。
在煤层顶板岩层中，常存在强度高、厚度大、结构整体完整且承载力强的坚硬岩层。随着开采范围的扩大，此类顶板的突然垮落极易造成严重的煤矿动力灾害，如冲击矿压。针对该问题，国内外普遍采用切顶卸压作为主要解决方案，即通过人工干预对坚硬顶板进行破断，使之随着开采范围扩大而及时垮落。
切顶卸压技术的常见路径包括定向爆破、水力压裂和水力割缝等。定向爆破虽然卸压效果显著，但是存在管控严格、易污染井下环境、使用条件受限以及能量利用率低下等不足。水力压裂虽具有环境友好、适应性强、破断范围大的优点，但是压裂裂缝的起裂与扩展受地应力控制，难以对坚硬顶板实施定向破断。水力割缝虽能产生定向裂缝，但破断范围有限，且系统较复杂。因此，能否开发一种系统简单、又能局部摆脱地应力、实现大范围定向卸压的新方法，值得深入探索。
笔者根据多年高温高压岩石力学方面的研究成果，提出了“高温热冲击预裂-水力压裂复合定向致裂卸压”方法。其核心思想就是先通过高温定向裂纹弱化坚硬岩层，再通过水力压裂扩大定向裂纹，实现坚硬岩层大范围定向致裂破断卸压。坚硬岩体结构的这种控制改变，称之为岩体结构多场耦合诱控(controlling rock mass structure by multiple-field coupling)。本书内容即是岩体结构多场耦合诱控的一个例子。
▲热冲击定向预裂-水力压裂切顶卸压施工工艺
在我国两淮地区及华北地区的某些煤矿煤层顶板中，广泛发育火成岩侵入体，形成坚硬顶板。因此，本书以最坚硬的火成岩花岗岩为试验对象，采用室内试验、理论分析、数值模拟相结合的方法，获得了花岗岩体热冲击定向致裂的温度效应、固-热耦合作用下花岗岩体热冲击定向裂缝扩展规律、固-热耦合作用下花岗岩体双孔热冲击定向连通致裂规律、花岗岩体双孔热冲击定向预裂-水力压裂连通致裂规律，最后对煤矿火成岩顶板热冲击预裂-水力压裂区域化定向切顶卸压技术参数进行了研究与优化。本书可为除火成岩外的其他岩性坚硬顶板的切顶卸压提供参考。
▲定向热冲击过程中花岗岩的声发射主频和振幅随时间的演化特征
▲竖向位移分量分布云图
▲不同孔间距模型水力裂缝扩展结果
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作者简介
冯子军，太原理工大学矿业工程学院教授、博士生导师，国家优青获得者。长期致力于“高温高压煤岩力学与工程”领域的基础理论与工程技术研究。获省部级科技奖励一等奖、二等奖、三等奖各 1项；发表学术论文100余篇，合作出版学术专著2部；以第一发明人身份获发明专利授权29 项。
张超，山西阳泉人，太原理工大学矿业工程学院讲师。主要研究方向为高温高压岩石力学与工程、矿山压力及其控制。先后参与国家级及企事业单位横向科研项目4项；以第一作者身份在
Rock Mechanics andRock Engineering
Engineering Fracture Mechanics等本领域国际权威期刊发表SCI论文4篇；获国家发明专利授权3项。
本书的研究工作得到国家自然科学基金优秀青年科学基金项目“高温高压煤岩力学与工程(项目编号：52122405)”的资助。
本文摘编自《硬岩地层高温热冲击-水力压裂复合致裂理论及应用 》（ 冯子军 张 超 著 . 北京 : 科学出版社 , 2026. 2 ）一书“前言”，有删减修改，标题为编者所加。
硬岩地层高温热冲击-水力压裂复合致裂理论及应用
冯子军 张 超 著
北京 : 科学出版社 , 2026. 2
ISBN 978-7-03-083876-8
责任编辑：冯晓利
本书主要面向煤炭开采领域的科技人员，也可以为非煤矿山、石材矿山、地热开采、油气开采等相关领域科技工作者提供借鉴。关于高温热冲击预裂-水力压裂复合定向致裂卸压理论与技术的研究尚处于起步阶段，大量基础性研究工作以及工程实践应用工作还有待进一步开展和完善。
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