本文以煤矿坚硬顶板区域压裂裂缝为研究对象,采用理论分析、数值模拟、实验室试验、井下试验相结合的方法对水力裂缝三维扩展机理进行系统研究。论文研究内容包括六个方面:（1）水力裂缝起裂特征;（2）钻孔周边水力裂缝三维扩展特征;（3）层状岩体中水力裂缝越层扩展特征;（4）水力裂缝与天然裂缝交互作用;（5）多缝扩展缝间干扰机制;（6）坚硬顶板区域压裂井下试验。通过论文研究,主要取得以下结论:（1）在裂缝与主应力方向存在夹角且非等压条件下,水力裂缝起裂后均向较大主应力方向偏转。裂纹起裂角随水压和侧压系数的增加而逐渐减小。随裂纹倾角增加,起裂角先增加后减小。起裂角随裂纹长度增加而增加。临界水压随裂纹长度的增加而逐渐减小。临界水压随裂纹倾角和侧压系数增加而逐渐增加。临界水压随断裂韧度增加呈单调递增趋势。（2）钻孔方位改变导致钻孔周边裂缝扩展形态产生多样变化,但整体上裂缝趋向沿垂直最小主应力的平面扩展。低应力比条件下,钻孔孔身容易产生多条裂缝分支,裂缝扩展并无明显优势方向。随应力比增加,主裂缝分支逐渐减少,裂缝分支趋于沿最大主应力方向扩展。预制切槽压裂条件下,水力裂缝沿切槽扩展后会逐渐偏转至垂直于最小主应力的平面。裂缝最终扩展方向不受起裂方式的控制,地应力场主导水力裂缝的主要扩展方向。（3）水力裂缝能否在相邻层中扩展,取决于缝尖应力强度因子及缝内水压。当相邻层具有较高断裂韧度、高水平主应力或低弹性模量,裂缝在相邻层中扩展受到阻碍,而在本层中的扩展则增强。层间界面剪切滑移导致缝尖钝化,界面张开引起流体损失,双重效应抑制了水力裂缝穿越层间界面。裂缝形态近似为椭圆,岩性差异可能促进或抑制裂缝扩展,进而产生不规则形态。（4）裂缝缝尖应力扰动和流体侵入均可能激活天然裂缝,导致其张开或剪切滑移。天然裂缝开启为流体提供了流动空间,天然裂缝剪切滑移则削减了裂缝缝尖应力集中,进而导致裂缝扩展受阻。随着粘聚力、内摩擦角、应力差、逼近角、流体黏度和注入速率的增加,剪切激活面积逐渐减少,水力裂缝倾向于穿越天然裂缝。水力裂缝穿越天然裂缝可分为五个阶段:逼近、侵入、水压累积、非连续扩展、连续扩展。各阶段主导破裂模式的变化表明水力裂缝扩展遵循最小阻力原理。（5）已开启的裂缝会在其周围产生诱导应力,导致应力各向异性程度降低,甚至造成主应力方向反转,从而使得相邻裂缝偏转或分叉。低应力差下,水力裂缝受诱导应力干扰强烈,表现为裂缝弯曲程度较高并可能诱发次级裂缝。高应力差下,缝间干扰程度显著降低,裂缝扩展轨迹更为平直。高弹性模量会增强相邻裂缝之间的干扰作用,引起裂缝剧烈偏转并诱发次级裂缝。提出了一种新型交错压裂法,在两侧布置裂缝同步压裂,压裂完成后在中间压裂新裂缝,利用两侧裂缝产生的叠加诱导应力迫使中间裂缝转向。（6）胡家河煤矿坚硬顶板区域水力压裂试验结果表明:区域压裂宏观裂缝的空间展布方位受地应力场控制。试验点附近应力场特征为σH>σv>σh,主裂缝倾向垂直于σh方向扩展。裂缝整体形态接近垂直方向,主裂缝平均走向为N95°E。裂缝以起裂段为中心向外辐射状分布。主裂缝平均面积约为1.5×104m2,区裂缝平均扩展速度约为152m2/min。水压曲线包括三个典型阶段,即起裂阶段、回落阶段、平稳扩展阶段。区域压裂平均峰值破裂压力约为29.1 MPa,平均延伸压力约为23.2 MPa。