针对我国西北地区煤矿存在的坚硬顶板难以垮落,容易形成大面积悬顶等问题,多采用水力压裂技术对顶板进行预裂弱化。现有的煤矿水力压裂技术主要包括非定向水力压裂技术与定向水力压裂技术。非定向水力压裂技术是指对钻孔不做任何处理,直接在压裂段进行压裂;定向水力压裂技术是指在压裂前先利用切槽刀具在钻孔内预置径向切槽,再进行封孔压裂的技术。现阶段,我国煤矿顶板放顶多采用非定向水力压裂技术,但对于倾斜钻孔下非定向水力裂隙起裂规律的实验室研究较少,难以有效揭示放顶施工过程中裂隙在顶板岩层内的起裂和扩展形态,并且在大采高工作面,非定向水力压裂技术不一定能形成有效的径向裂隙。因此有学者提出利用定向水力压裂技术进行放顶,但对于定向水力压裂能否控制裂隙起裂方向的实验室研究过少,并且传统的切槽刀具存在诸多问题,导致定向水力压裂技术在施工现场没有普遍应用。因此,本文将以明胶作为实验原材料,通过实验室实验研究非定向水力裂隙起裂及扩展形态,明确非定向水力压裂扩展机理及现场应用条件。并针对定向水力压裂技术存在的切槽难题使用课题组内研发的新型钻割一体式切槽刀具,为现场利用定向水力压裂技术放顶提供技术支撑。主要研究内容及结果如下:（1）利用明胶进行非定向水力压裂实验,通过改变明胶浓度和围压大小研究主应力差和材料弹性模量对水力裂隙起裂和扩展的影响,实验结果表明非定向水力压裂裂隙一般沿轴向起裂,并在围压作用下向垂直于最小主应力的方向偏转。而且材料弹性模量越大裂隙越容易保持沿原来方向扩展,主应力差越大裂隙越容易发生偏转。（2）理论分析了定向水力压裂的裂隙起裂机理,并通过明胶实验验证定向水力压裂对起裂的控制作用。基于传统切槽刀具,使用了课题组内研发的钻割一体式的切槽刀具,并论述了切槽刀具的关键零件尺寸的设计依据,该切槽刀具解决了传统切槽刀具单孔只能切一次槽,容易误弹卡孔等问题,并将水力压裂施工中的封孔和压裂工序合二为一,大大缩减了施工时间。（3）以郭家湾51109大采高工作面作为工程背景进行水力压裂放顶试验,依据水力压裂实验所得结论对工作面不同钻孔进行非定向水力压裂和定向水力压裂。通过钻孔窥视的方式观察定向水力压裂和非定向水力压裂裂隙起裂形态,验证定向水力压裂对裂隙起裂的控制作用,通过垮落步距和矿压显现规律分析水力压裂放顶效果。本论文有图58幅,表16个,参考文献74篇