新书推荐：硬岩地层高温热冲击-水力压裂复合致裂理论及应用|压裂|岩体|岩层|水力|热冲击|致裂|顶板

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。