近几年,水力压裂技术已经逐渐成为低渗透煤储层增透的重要手段之一。为了评价压裂增渗效果,需要对水力压裂裂缝的演化过程及扩展形态进行描述。本文以高河矿区3#煤储层为研究背景,采取理论分析、试验研究、数值模拟与现场微地震监测相结合的研究方法,揭示水力压裂裂隙网络形成的水-力耦合过程、储层煤岩破裂形式及损伤演化规律。首先,通过对煤储层渗透率的影响因素分析以及孔隙压力形成过程概念建模,建立渗流-孔隙弹性耦合的有限元弱耦合方程,通过实例计算发现,煤储层的渗透率在水力压裂过程中最先沿着最大主应力方向集聚形成孔隙压力场。然后,依据对莫尔-库仑准则张拉和剪切两种破坏形式认识,建立水力压裂破坏的损伤本构关系,并对两种破坏形式的声发射特征进行试验观测。试验表明,张拉试验在加载过程中,达到峰值应力强度,岩石基本丧失载荷承载能力,声发射活动、撞击数、能量数同时消失;而剪切试验,岩石达到应力强度峰值后,声发射撞击数和能量数增加且维持在很高的水平。最后,对高河矿区的3#煤层水力压裂井进行数值模拟与现场微震监测。(1)数值模拟结果表明,水力压裂裂缝的扩展沿着最大主应力(即北东60°)方向扩展,裂缝形态呈椭球形分布且在顶底板裂隙网络分布较少,并沿着储层的高度方向渗透且顶底板的渗透率比煤层小,这突破了传统的单一裂缝的水力压裂模型;(2)现场微震监测表明,主裂缝方向沿北东40°~75°方向开展,并且从微震四维监测图可以观察到储层高度与宽度方向均有微震监测数据点;(3)通过数值模拟与微震监测的相互印证可知,水力压裂主裂缝沿水平最大主压应力方向开展,即北东60°,水力压裂裂缝呈网络形态发展,并非单一的平行板裂缝,如果考虑储层RVE单元内微裂隙生长、成核、连接,则水力压裂的裂缝系统是一个优势方向大裂缝主导的、多尺度裂隙并存的裂隙网络。