《硬岩地层高温热冲击-水力压裂复合致裂理论及应用》主要依托国家优秀青年科学基金和省部级重点课题的研究成果，系统介绍了作者及其团队经过长期科研攻关所取得的一系列研究进展。
　　《硬岩地层高温热冲击-水力压裂复合致裂理论及应用》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。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 5
1.2.1 火成岩坚硬顶板致灾机理 5
1.2.2 定向水力压裂技术 6
1.2.3 热冲击作用下的岩石破裂 10
1.2.4 高温作用下岩石力学特性 11
1.3 主要研究内容 14
1.3.1 研究对象选取依据 14
1.3.2 主要研究内容 16
第2章 花岗岩体热冲击定向致裂的温度效应 19
2.1 无约束条件下热冲击定向致裂花岗岩试验方案 19
2.1.1 试样 19
2.1.2 试验系统 21
2.1.3 试验方案及试验流程 22
2.2 定向热冲击花岗岩体内温度场分布及其演化规律 24
2.2.1 定向热冲击花岗岩体内各测点温度分布演化规律 24
2.2.2 定向热冲击花岗岩体内各测点升温速率分布演化规律 37
2.3 不同温度对花岗岩定向起裂的影响 40
2.4 温度对热冲击定向致裂花岗岩影响机理 43
第3章 固-热耦合作用下花岗岩体热冲击定向裂缝扩展规律研究 47
3.1 固-热耦合作用下热冲击定向致裂花岗岩试验方案 47
3.1.1 试样 47
3.1.2 试验系统 48
3.1.3 试验方案及试验流程 48
3.2 声发射测试原理 50
3.2.1 振铃计数和能量 51
3.2.2 声发射信号的频域特性 51
3.2.3 基于声发射信号的破坏类型分析 53
3.2.4 基于声发射信号的岩石内部损伤演化分析 53
3.2.5 基于声发射事件的损伤定位分析 55
3.3 不同水平应力差下热冲击裂缝扩展规律研究 56
3.4 花岗岩体热冲击破坏特征研究 60
3.4.1 声发射信号特征参数分析 60
3.4.2 声发射信号频域特性分析 63
3.4.3 花岗岩热冲击破裂模式判识 67
3.4.4 基于声发射信号的花岗岩内部损伤演化过程分析 71
3.4.5 基于声发射事件定位的热冲击裂缝时空演化规律分析 72
3.5 固-热耦合作用下热冲击裂缝定向起裂与扩展机理研究 75
第4章 固-热耦合作用下花岗岩体双孔热冲击定向连通致裂规律研究 80
4.1 花岗岩体双孔热冲击定向裂缝连通致裂试验方案 80
4.1.1 试样 80
4.1.2 试验系统 81
4.1.3 试验方案及试验流程 82
4.1.4 二维数字图像相关方法的基本原理 84
4.2 孔间热冲击裂缝定向扩展连通致裂规律研究 85
4.3 孔间热冲击裂缝连通演化特性研究 88
4.3.1 试样表面位移和应变分布演化规律 90
4.3.2 监测点位移和应变随时间的演化规律 92
4.4 固-热耦合作用下花岗岩热冲击损伤与裂缝定向扩展特征 95
4.4.1 固-热耦合损伤模型 96
4.4.2 固-热耦合裂缝扩展模型 115
第5章 花岗岩体双孔热冲击定向预裂-水力压裂连通致裂规律研究 122
5.1 花岗岩体双孔预裂后水力压裂试验方案 122
5.1.1 试样 122
5.1.2 试验系统 123
5.1.3 试验方案及试验流程 125
5.2 单钻孔花岗岩热冲击定向预裂试验 129
5.3 单孔花岗岩体预裂后水力裂缝扩展规律研究 131
5.3.1 单孔花岗岩体预裂后水力裂缝形态分析 132
5.3.2 单孔花岗岩体预裂后水力压裂泵压演化规律分析 136
5.4 双孔花岗岩体预裂后水力裂缝连通致裂规律研究 142
5.4.1 双孔花岗岩体预裂后水力裂缝连通形态分析 143
5.4.2 双孔花岗岩体预裂后水力压裂泵压演化规律分析 146
5.5 固-流耦合作用下裂缝扩展模型 147
5.5.1 Cohesive单元裂缝面内流体模型 147
5.5.2 应力-渗流-损伤三场耦合 150
5.5.3 模型验证 150
第6章 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 153
6.1 工程背景 154
6.2 火成岩顶板热冲击定向预裂-水力压裂切顶卸压技术参数研究 156
6.2.1 钻孔深度及封孔位置的确定 156
6.2.2 钻孔间距的确定 158
6.2.3 火成岩顶板热冲击定向预裂-水力压裂区域化切顶卸压效果 164
参考文献 166

第1章绪论
　　1.1研究背景及意义
　　我国是世界上*大的能源生产国和消费国，“贫油、少气、相对富煤”的化石能源资源禀赋决定了我国以煤炭为主体的能源结构。在过去几十年里，我国国民经济与煤炭生产之间始终保持着一种唇齿相依的依赖关系[1]。自改革开放以来，煤炭支撑了国内生产总值实现年均9%以上的增长速度[2]。当前，非化石能源对煤炭等化石能源的增量替代效应显著，但是结合非化石能源的可靠替代进程，我国以煤炭为主体的基本国情在短时期内不会发生改变。煤炭作为*主要的基础能源，在我国经济发展战略中的战略地位依旧不可动摇。另外，近年来我国煤炭消费需求总量仍呈现增长趋势，预计到2030年碳达峰时煤炭在能源结构中的占比仍高于43%[3]。可见，在未来相当长的一段时期内，煤炭仍将是我国的主体能源。
　　[1]在地下煤炭开采过程中，坚硬顶板导致了高效开采和安全保障系列难题。坚硬顶板是指赋存在煤层上方或薄层直接顶上方的坚硬岩层。这类岩层通常具有高强度、高厚度的特点，并且节理不发育、整体性较强，导致其具有很强的承载能力[4]。坚硬顶板下伏煤层开采后，采空区易形成大面积坚硬悬顶，当悬顶长度达到强度极限突然发生破断时，容易产生冲击载荷、顶板大面积来压，并且极易诱发冲击地压、煤与瓦斯突出等动力灾害[5]。坚硬顶板导致的问题如图1-1所示[6]。
　　目前，我国淮南、淮北及华北地区的某些煤矿中存在火成岩大面积侵入煤层顶板的现象[7]。火成岩多数为全晶质或部分晶质，属于坚硬岩层。当火成岩侵入煤层顶板后，不仅提高了顶板岩层强度，还增加了顶板岩层的厚度，使其承载能力增强、破断步距增大，极易形成坚硬悬顶，储存大量弹性应变能。当悬顶长度达到破断极限时发生瞬间垮断，将会诱导、释放巨大的能量，产生极强的冲击效应[8]。例如，大同矿区赋存的石炭系—二叠系煤层受岩浆侵入后，在其顶板形成了层状火成岩岩层，导致在煤炭回采过程中巷道动力灾害频发，以及淮北海孜煤矿已探明有厚度为120m以上的巨厚火成岩覆盖在煤层上方，并在开采过程中发生“4 25”冲击地压事故，严重威胁矿井的安全高效生产。
　　基于不同类型坚硬顶板致灾机理的研究成果，国内外学者提出了不同的解决方案，主要可分为：优化巷道布置、加强支护和弱化坚硬顶板三种解决思路。许多学者在优化巷道布置和加强支护方面进行了大量研究，结果表明[9-14]优化巷道布置和加强支护等方式可以缓解临空巷道变形问题，但未能有效改善动静载叠加
　　图1-1坚硬顶板导致的问题[6]
　　形成的应力环境。因此，对坚硬顶板问题的解决思路应着重于顶板围岩应力源的定向弱化。传统的顶板定向弱化卸压方法主要有聚能爆破[15-22]、水射流[19，23-28]、静态破碎[29-35]和水力压裂[36-41]等。聚能爆破利用了岩体抗拉强度远低于其抗压强度的特性，利用定向装置中炸药爆炸释放的能量驱动岩体在预设方向产生张拉裂缝，具有低成本、威力大以及适用范围广等优点。但是该方法存在装药难度大、盲炮处理危险、炸药管控严格、易导致有害气体超标等缺点，并且爆炸产生的震动容易对工作面支架及设备构成威胁。
　　为了解决聚能爆破的这些问题，采用了安全程度较高的静态压裂和水力化措施进行顶板的定向破裂。静态破碎剂多为以CaO为主，利用其与水混合后会产生2～4倍的体积膨胀并释放热量的性质来致裂岩体，并通过密集排孔装填静态破碎剂的方法达到岩层定向致裂的目的。该方法具有无震动和不产生有害气体等优点[42]。但静态破碎存在威力较弱、反应物污染环境和破岩时间较长(60～100min)等缺点[43-45]。水力化措施包括水射流和定向水力压裂。其中水射流利用高压喷嘴射出的高速水流对岩层进行切割，但由于喷嘴不便固定极易造成切割方向出现偏差[46]。同时，水射流设备体积庞大，并且由于对坚硬岩层切割效果不佳，在使用过程中需要加入磨料，使其系统更为复杂，在地下狭窄作业空间内使用受限。因此，通过定向水力压裂弱化坚硬顶板的技术措施得到了较为广泛的应用。定向水力压裂通常利用机械刀盘或水射流沿钻孔环向进行切槽，从而使水力裂缝沿切槽方向定向起裂与扩展。但是，在钻孔环向切槽后，裂缝在地应力的控制作用下仅沿环向扩展，即平行岩层层理方向扩展，*终导致岩层破裂卸压效果较差。而对于钻孔进行轴向切槽后，可以使水力裂缝沿切槽方向扩展一段距离后向*大地应力方向发生偏转，可实现裂缝扩展局部摆脱地应力控制。在煤矿井下施工过程中，常用钻孔轴向切缝方法有机械切割和水射流。其中机械刀盘对于硬度较低岩层效果显著，而在对硬岩岩层切割过程中效率较低，并且损耗严重；水射流设备庞大，在井下狭小空间内使用不便，并且在切割硬岩岩层时通常需要加入磨料，导致系统更为复杂，造成使用受限。
　　基于此，为了实现钻孔的轴向定向切槽，弥补现有机械切割和水射流切槽在应用场景上的不足，考虑岩石在非均匀温度场内会因产生不同区域的不匹配变形而产生热应力，同时高温作用下岩石的物理力学性质发生显著弱化，提出了高温热冲击定向致裂技术，即利用高温热源对顶板岩层钻孔进行定向加热预裂，在钻孔轴向形成一定深度的弱化带，并通过进一步压裂工艺保证硬顶在巷道预定方向形成孔间连通裂缝，从而达到定向释能、防冲卸压的目的[47]。
　　通过初步试验，证实高温热冲击可以诱发钻孔孔壁位置萌生定向热致裂纹，裂纹狭窄且扩展速度较快，形成的应力集中程度较高，可以实现对水力裂缝扩展良好的导向作用[48-50]。热冲击定向预裂-水力压裂切顶卸压施工工艺见图1-2，开采前在巷道内以一定间距布置若干个压裂孔[图1-2(a)]，在压裂孔中安装定向加热装置并进行绝热封孔[图1-2(b)]。为了避免高温对煤层产生影响，钻孔内热冲击位置应位于煤层上部，对位于煤层内的钻孔部分应采用绝热材料进行填充。热
　　图1-2热冲击定向预裂-水力压裂切顶卸压施工工艺[2]
　　冲击结束后撤出设备，对压裂孔进行水力压裂作业。通过水力压裂，使钻孔沿热冲击预裂位置形成的弱面定向起裂，抑或使热冲击形成的定向微裂纹沿预裂方向定向扩展。相邻压裂孔间的裂缝相互连通，在坚硬顶板内形成一条宏观裂缝，切断了顶板岩层与围岩之间的联系，从而释放了坚硬顶板内积聚的能量，达到定向卸压的目的[图1-2(c)]。
　　综上，热冲击定向致裂技术可以解决硬岩钻孔内部轴向造缝难的问题，为后续实现钻孔轨迹精准定向、控制水力压裂卸压范围、控制高位岩层和全顶板岩层实现水力压裂定向卸压提供了基本保障。
　　1.2国内外研究现状
　　1.2.1火成岩坚硬顶板致灾机理
　　在煤系地层中，常有非沉积岩的火成岩侵入体，其产状、大小及分布形式对煤矿的安全高效开采具有极其重要的作用[51]。顶板岩层大面积火成岩侵入现象已经在我国的淮南、淮北以及华北地区的某些矿区中被揭示[7]。作为坚硬岩中极具代表性的岩石，火成岩因其局部熔融作用导致结晶程度高，且形成的胶结物中挥发成分较少。因此，与沉积岩和变质岩相比，火成岩往往具有更高的力学强度[52]。
　　火成岩是岩浆的*终产物，是由岩浆冷凝后形成的，又称为岩浆岩，在地壳中占64.7%。当岩浆侵入岩层时，岩浆通过与岩层发生同化作用、混染作用和结晶分异作用改变了自身及围岩的属性，导致绝大多数火成岩为全晶质或部分晶质，进而提升了岩石的坚硬程度。而当岩浆侵入煤层时，为煤层提供了高温高压环境，影响了煤的变质作用、孔隙结构和吸附解析特性，促进了煤二次形成烃类物质，增加了煤中的含气量和气压，提高了煤与瓦斯突出的危险性[53，54]。按照火成岩的构造可将其划分为三种类型：**种是岩浆处于流动态时形成的构造，分布较为广泛；第二种是岩浆在冷凝固结过程中形成的节理或裂隙；第三种是由结晶作用和岩石组分形成空间充填方式所形成的构造。自然界中，广泛分布的火成岩可以分为两大类：一类是酸性的花岗质侵入岩；另一类是基性的玄武质喷出岩。其中花岗岩多分布于大陆区域，玄武岩分布在大陆及大洋区，覆盖范围较广。王海军[55]等对柳江盆地岩浆岩侵入煤层顶板的岩石力学特性进行了分析，发现盆地内多期岩浆的喷发、侵入对煤层顶板产生了不同程度的改造作用，使其形成了吞噬型、侵入型、复合型、原生强化型、原生型五种岩层的组合类型。岩浆对岩层的侵入、烘烤、填充、挤压等综合作用效应强化了煤层顶板的工程地质特征，具体表现为：密度增加、孔隙度和含水率下降、抗压强度和抗剪强度升高、岩体完整性增强等。这使煤层顶板自身的抗变形能力极强，导致顶板上部的压力随工作面推进全部转移到采空区四周的煤体上，形成了高应力集中区，并且影响范围较普通岩层更大。当顶板形成的悬顶到达强度极限时，悬顶破断并释放出大量的弹性应变能，极易造成地表沉陷、冲击地压、煤与瓦斯突出等重大矿山灾害，对下部煤体的开采以及人员、设备安全带来了极大隐患[56-59]。如卧龙湖煤矿在岩浆侵入边界发生了两次煤与瓦斯突出事故，以及杨柳煤矿10414工作面发生的冒顶事故[60，61]。
　　关于火成岩侵入后煤层顶板破断迁移规律，众多学者已经进行了深入的研究。[3]窦林名等[62]通过理论分析计算出采区上覆巨厚火成岩额定破断极限为310～468m，并通过矿震分布特征发现火成岩下部的活动相对距离，说明火成岩与下部岩层出现了离层，而火成岩层为主关键层，控制着上覆岩层的运动。基于钱鸣高院士于1996年提出的岩层控制关键层理论，提出采用离层注浆技术来控制主关键层的破断。Chang和Yu[63][4]通过理论计算预测了工作面上覆巨厚火成岩顶板的破断步距为200m，并认为该工作面冲击地压是由于火成岩顶板破断时瞬间释放的巨大能量造成的，而能量在岩石介质中产生了衰减，到达巷道和工作面的能量约为8.28×103J。据此，提出了钻孔卸压、煤层注水和爆破卸压三种治理措施，以保证矿山的安全生产。刘少虹等[64][5]通过理论分析发现，采空区上覆大面积岩浆岩坚硬顶板时，可对附近超100m范围内的煤体垂直应力造成影响并使其升高，并通过对岩浆岩顶板的深孔预裂爆破卸压和对煤层的加强支护增强了巷道围岩的抗冲击能力，获得了良好的现场应用效果。杜斌斌等[65]以芦岭矿为研究背景，通过数值模拟分析指出，相同厚度基本顶的工作面顶底板应变峰值与火成岩侵入面积成正比，同时得出了火成岩厚度大的破断周期和应变峰值也相应增大。Jiang等[66]根据杨柳煤矿10416工作面微震事件的发生规律、地表沉降特征和支护阻力变化规律，推导了厚层火成岩坚硬顶板破坏步距为354.5m，并通过现场实测分析得到的厚层火成岩坚硬顶板破断步距为343.7～375.7m。Zhang等[56]以杨柳煤矿104盘区的工程地质条件为基础，采用理论分析、物理试验和数值模拟等方法，对特厚火成岩顶板的致灾机理进行了分析，得到了特厚火成岩顶板的运移规律，进而确定了特厚火成岩坚硬顶板条件下动力灾害的发生要素是应力场与断裂场的耦合过程，*后从控制应力场和裂隙场发育的角度出发，提出了防治特厚火成岩顶板破断的充填采矿方法。杨培举等[67]研究了采场上方厚度为100m岩浆岩顶板的变形破坏特征及对围岩应力分布的影响，结果表明：厚度100m的岩浆岩距离煤层185m时，工作面采动的超前影响范围约为450m，超前应力集中系数为3.55；距离煤层60m时，采动超前影响范围约为245m，超前应力集中系数为4.05。
　　不难看出，火成岩侵入煤层顶板后不仅增加了岩层的强度，使其承载能力增强、破断步距增大，同时还增大了诱发冲击地压的倾向，并使其具有突发性和影响范围广的特点。因此火成岩坚硬顶板下动力灾害的消除、预测及防治已经成为一个亟待解决的问题。
　　1.2.2定向水力压裂技术
　　水力压裂技术具有单孔控制范围大、能量扰动小、作业距离远等优点，且可用于高瓦斯煤层[68，69]，起源于20世纪50年代[70]，主要用于石油工程领域。该技术是指在密封裸孔中注入压力黏性流体，使岩石发生张性破裂，岩石的水力压裂过程实质上就是岩石在水压下的微裂纹萌生、扩展，*终形成贯通宏