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近年来,随着我国社会的高速发展以及采矿装备技术的革新,煤炭资源的开采活动开始向深部转移。硬岩顶板不易垮落,易在采空区侧形成大面积悬顶,在深部煤层中大面积悬顶加剧了液压支架及工作面煤壁上的应力集中程度,极大影响了矿井的安全生产。为了改善煤层顶板的受力情况,在浅部煤炭资源开发过程中,常采用切顶卸压的方式来改善围岩应力状态,然而对于深部煤层而言,其应力环境复杂,煤层顶板岩体的受力结构、状态与浅部有较大差别。已有浅部煤层顶板的切顶卸压方法、技术参数是否能够满足深部煤层坚硬顶板的控制要求,这是作为一名采矿人所面临的工程与技术难题,也是当前我国深部煤矿开采过程中所急需解决的科学问题。因此,本文以深井高应力为基础条件,探究深部矿井煤层坚硬顶板的控制方法及机理,其对深部矿井的安全、绿色及高效开采具有重要的科学与工程意义。本文以千米埋深矿井围岩应力状态为基础,以煤层坚硬顶板（砂岩）为研究对象,基于太原理工大学原位改性教育部重点实验室的TCHFSM-Ⅰ型真三轴压裂渗流模拟装置,探究不同注液速率、不同压裂液黏度条件下砂岩压裂裂缝起裂、延伸扩展规律,定量阐述不同条件下砂岩的起裂压力、起裂时间的关系。此外,借助声发射监测技术,基于压裂过程中砂岩试件振铃计数、能量演化等参数,揭示压裂裂缝起裂扩展机理。最后,基于ABAQUS数值模拟软件,建立工程尺度条件下物理模型,基于裂缝扩展宽度、扩展长度等参数进一步探究压裂液黏度、注液速率对其裂缝起裂、扩展的影响,并与室内试验进行对比分析,进而揭示深井高应力砂岩压裂裂缝扩展规律。主要研究内容与结论如下:（1）通过TCHFSM-Ⅰ型真三轴压裂渗流模拟装置进行了砂岩水力压裂实验,探究不同注液速率条件下（20 m L/min、50 m L/min、100 m L/min）砂岩水力压裂裂缝起裂、扩展规律,揭示注液压力演化规律及声发射动态响应特征。研究结果表明:（1）注液速率显著影响砂岩压裂裂缝起裂、扩展规律及起裂压力等特性参数,且随着注液速率的增加,砂岩起裂压力越大,起裂时间越短。即,当注液速率较小时（20m L/min）,试件平均起裂压力为34.52 MPa,起裂时间为54 s,当注液速率增大至50 m L/min,试件平均起裂压力为36.62 MPa,起裂时间为27 s,当注液速率进一步增大（100 m L/min）时,试件平均起裂压力为39.51 MPa,起裂时间为19 s。（2）采用清水压裂时,不同注液速率对裂缝的起裂扩展形态影响较小,但当注液速率较大时,裂缝开度较大。此外,裂缝延伸扩展方向均垂直于最小主应力方向扩展,并未展现较大差异。（2）基于100 mm立方体砂岩试件研究了不同压裂液黏度（1 m Pa?s、50 m Pa?s、100m Pa?s）对压裂裂缝起裂、扩展的影响,讨论了压裂裂缝起裂扩展机理。研究结果表明:（1）在相同应力状态条件下（40 MPa、20 MPa、35 MPa）,压裂液黏度对砂岩起裂压力及起裂时间影响较大,即随着压裂黏度的增加,砂岩起裂压力越大,而起裂时间越短,这与注液速率增大对起裂压力、时间的作用规律一致。（2）在相同应力状态（40 MPa、20MPa、35 MPa）,当采用清水压裂液（黏度1 m Pa?s）压裂砂岩试件,注液速率分别为20m L/min、50 m L/min、100 m L/min时,砂岩平均起裂压力依次为34.52 MPa、36.62 MPa、39.51 MPa,起裂时间为54 s、27 s、19 s;当压裂液黏度增大至50 m Pa?s,砂岩平均起裂压力依次为34.04 MPa、35.51 MPa、38.94 MPa,起裂时间为47.67 s、28.33 s、18 s;当进一步增大压裂液黏度至100 m Pa?s时,砂岩平均起裂压力依次为37.46 MPa、38.21MPa、44.21 MPa,起裂压力依次增加3.42 MPa（10%）、2.69 MPa（7.58%）5.27 MPa（13.53%）,起裂时间为42 s、21.67 s、13 s,起裂时间依次缩减5.67 s（11.89%）、6.66s（23.5%）、5 s（27.78%）。（3）不同压裂黏度条件下,压裂裂缝的最终延展形态仍然垂直于最小主应力方向,但压裂液黏度越大,裂缝开度越大,即裂缝发育愈加明显。（3）基于不同应力状态、不同注液速率及不同压裂黏度砂岩的起裂压力、起裂时间演化规律,借助origin数据处理软件,建立了不同影响因素条件下砂岩起裂压力、起裂时间的定量关系表达式:（1）清水压裂条件下（黏度1 m Pa?s）,注液速率与起裂压力拟合关系为y=0.07798X+32.2654,拟合度R~2=0.93736。注液速率与起裂时间拟合关系为y=76.25-1.35417X+0.00792X~2,拟合度R~2=0.99112。（2）自制稠油压裂液条件下（黏度50 m Pa?s）,注液速率与起裂压力拟合关系为y=0.06199X+32.6515,拟合度R~2=0.72659。注液速率与起裂时间拟合关系为y=66.028-1.028X+0.00547X~2,拟合度R~2=0.9813。（3）自制稠油压裂液条件下（黏度100 m Pa?s）,注液速率与起裂压力拟合关系为y=0.08854X+34.9527,拟合度R~2=0.70296。注液速率与起裂时间拟合关系为y=61.861-1.119X+0.00631X~2,拟合度R~2=0.9786。（4）基于声发射无损检测测试技术,通过对比分析砂岩试件压裂过程中声发射振铃计数等数字信息,表征了砂岩压裂过程中裂缝的动态起裂、扩展过程。即在压裂初期,动态振铃计数表现少,出现局部计数的波动。当压裂至砂岩试件裂缝生成时,振铃计数突增至破裂初期的7～9倍左右,而在砂岩试件发生破裂后,振铃计数增加幅度明显降低,甚至是不增加,这表明压裂裂缝已贯穿整个砂岩试件。（5）采用ABAQUS扩展有限元数值模拟软件,基于前文的砂岩基本力学参数及压裂实验结果,探究工程尺度条件下砂岩压裂裂缝的起裂扩展开度与长度。研究结果表明:（1）当注液速率达到一定值时,起裂压力会出现明显的提升,通过对不同注液速率下裂缝发育形态对比发现,裂缝半宽和裂缝半长都具有明显的增大。其模拟效果与物理试验结果保持一致,两者之间具有较高的相似度。（2）当压裂液黏度由低黏度压裂液变化到高黏度压裂液时,模拟结果表明,裂缝的宽度明显增加,裂缝的长度显著缩短,即在高黏度压裂液条件下更容易发育宽短型裂缝形态,低黏度条件下更容易形成窄长型裂缝。