我国煤层气资源丰富,但其规模性开发进程缓慢。低渗透率是煤层气规模化开发的主要瓶颈,而煤层气的规模化开发对于煤矿安全、资源利用与环境保护等方面具有积极作用。因此,致力改善煤层气渗透率具有重大意义。实践研究表明,水力压裂技术在中硬及硬煤层增透应用中效果明显,但对于顶软、底软、煤层软的的三软煤层,其水力压裂致裂裂纹的起始萌生条件与失稳扩展规律具有一定的特殊性,尚缺乏有效的理论支撑和充分的实践经验。论文依托某专项项目“三软煤层井下压裂增透技术”,综合采用数学模型、数值模型、理论研究、试验研究等手段,针对三软煤层水力压裂的致裂机理与应用展开了深入研究,主要内容包括:(1)分析了水力压裂技术的研究背景与研究意义,研究目的与研究内容,阐明了开展三软煤层井下水力压裂致裂机理与应用研究的技术路线与研究方法。(2)从煤的结构与构造及煤层的形成与结构两个方面阐述了了煤层气地质学理论,研究了煤层裂隙状态,主要包括层理、内生裂隙、外生裂隙、次生裂隙及细微孔隙;通过取样试验分析了三软煤层的力学特性,研究了三软煤层在相应服役条件下的应力-应变变化过程以及煤体渗透率的相应变化;分析了三软煤层的破裂特征,介绍了不同力学条件下煤体破裂裂缝的形态,构建了破裂压力的等效模型,介绍了破裂强度常用的计算方法及理论。(3)研究了煤体水力压裂的致裂准则,对煤体的水力压裂钻孔进行了宏观弹塑性分析,结合弹性力学与断裂力学的理论,建立了三软煤体水力压裂致裂裂纹起始与萌发的数学模型,深入研究了三软煤体水力压裂致裂裂纹失稳与扩展的条件及规律;利用颗粒流离散元方法对三软煤层水力压裂致裂裂纹的失稳扩展规律进行数值模拟,定量分析各力学参数对起裂压力、压裂半径、裂纹开度和裂纹数目等主控因素的影响效应,为三软煤层水力压裂致裂过程中的工艺参数提供优化和选择依据;通过现场取样,对表征水力压裂效果的关键性指标进行了实验研究,初步评估了水力压裂致裂裂纹起裂及扩展的状态。(4)从生产能力与服役环境、地质条件与煤层特征、试验选点与采区介绍三个方面进行某应用矿井的特征描述;分别从穿层钻孔与顺层钻孔两种方式研究水力压裂技术在某矿井中应用过程中的钻孔布置、钻孔参数及压力变化;考察实施水力压裂技术措施前后钻孔钻孔瓦斯抽采浓度、抽采量与孔隙度的变化情况,定性定量分析水力压裂技术在某矿井中的应用效果进行评估。论文研究得出如下具体结论:(1)煤体的抗变形、抗拉伸与抗压缩的能力随着其含水率的增加而减弱,煤体的抗剪切能力随着含水率的增加而增强。(2)三软煤层裂纹的形态受弹性模量、泊松比影响较大,弹性模量对于裂纹在长度方向上的扩展起促进作用,宽度方向上的扩展则起抑制作用。泊松比具有相同规律;三软煤层水力压裂致裂裂纹的数目主要受到弹性模量、抗拉强度以及单轴抗压强度的影响。(3)利用颗粒流离散元方法对压力、流量和时间对三软煤层的起裂压裂、压裂半径与裂纹开度的影响进行了量化研究。结果表明,起裂压裂、压裂半径与裂纹开度与流量和时间具有良好的正相关性。(4)以某矿区为依托进行了现场试验,分析了压裂参数的影响效应,验证了数学模型与数值模型的合理性。结果表明,基于理论分析构建的水力压裂数学模型对于水力压裂技术的现场应用具有较强的指导性。