裂隙煤岩多级水力裂缝的形成过程和扩展特征对煤系气储层压裂增透效果以及煤岩定向水力致裂成效具有关键影响作用。为研究裂隙煤岩中多级水力裂缝的形成过程及形成机理,通过现场调研、实验室试验以及类比分析等方式,研究了裂隙煤岩的多尺度结构特征对水力裂缝的控制作用;提出了一种简便的内聚力单元全局和局部嵌入算法及模拟缝网压裂的孔压节点合并法;建立了用于裂隙煤岩水力压裂的裂缝扩展损伤模型,包括拉剪混合损伤模型和基于巴顿模型的天然裂缝压剪损伤模型,编写了USDFLD用户子程序;提出了非连续共轭节理网络、正交割理网络及Voronoi裂隙网络的数值建模方法;研究了水力裂缝的应力扰动范围,讨论了多缝压裂的模型边界效应;对裂隙煤岩多级水力裂缝的形成过程进行了数值模拟试验,研究了层理、非连续共轭节理网络、割理系统等天然裂缝网络特征对水力裂缝形成过程的影响,分析了天然裂缝粗糙度、方向及地应力对缝网形态、影响宽度、水力裂缝分叉过程、张拉和剪切裂缝比例、次级裂缝特征的影响;最后研究了裂隙煤岩多级水力裂缝的形成机理,建立了水力裂缝遇天然裂缝分叉的理论判别方法,研究了天然裂缝粗糙度、裂隙流压、天然裂缝面抗压强度、有效应力场、天然裂缝方向对水力裂缝分叉行为的影响;对比分析了常规压裂与重复压裂的诱导应力场特征,初步探讨了大排量压裂下动态水力裂缝的分叉特征。研究表明:(1)主应力差恒定条件下,最小主应力增加不利于次级裂缝开启,同时促使主水力裂缝类型从张拉型向剪切型过渡。在同一区域地应力环境中,埋藏浅的煤层较埋藏深的煤层产生张拉型水力裂缝的可能性大。天然裂缝随最小主应力增加对水力缝网主缝类型、缝网形态的控制作用逐渐增强。(2)裂隙煤岩水力缝网中既存在张拉裂缝,也存在相当比例的剪切裂缝。张拉型和剪切型水力裂缝可多级交替分叉形成,形成以张拉型的第1级主裂缝、第2级剪切次级裂缝、第3级张拉次级裂缝的多级分叉结构;但在粗糙度低的天然裂缝网络中更倾向于形成水力剪切主缝伴随张拉分叉裂缝的缝网结构。第2级剪切次级裂缝的长度和分叉数量显著影响更次级分叉裂缝数量,进而在宏观上影响水力压裂的缝网改造效果。次级裂缝总长度占总缝网长度的绝大部分,长度大于0.05m的次级裂缝与主裂缝长度之比普遍大于4.34,最高达14.20,如何提高次级裂缝占比对提高增透效果或地层导流能力至关重要。(3)定义了水力裂缝迂回度的概念,即最大主应力方向上单位长度范围内水力裂缝周期性曲折次数的倒数。采用迂回度评价了最大主应力以及天然裂缝对水力裂缝走向的控制作用,水力裂缝迂回度与地应力的控制作用呈反关系。水力裂缝迂回度随主应力差增大而降低;迂回度越小,非连续共轭节理地层中分叉裂缝数量越多。(4)共轭节理锐角平分线与最大主应力接近垂直时,所形成的主缝迂回度越高、缝网影响范围最大,可形成大型剪切成因的分叉裂缝;共轭节理锐角平分线与最大主应力近似平行时,分叉裂缝数量较多但在缝网宽度方向上影响范围较窄;当某组节理走向与最大主应力夹角较小时,节理方向对裂缝走向的控制作用强于地应力。(5)多尺度天然裂缝诱导分叉、重复压裂诱导地应力大小和方向改变、大排量动态裂压裂导致裂缝动态传播分叉是裂隙煤岩压裂形成多级水力裂缝的主要机制。重复压裂比常规压裂的缝网改造能力更强,尤其体现在缝网影响宽度方面;重复压裂作用下水力裂缝附近的局部应力场方向可改变90°,为后续压裂过程中裂缝实现多级分叉可提供应力环境。