西南地区是我国重要的产煤基地和能源供应基地,不仅煤炭资源丰富,资源总量达到3866亿吨;而且煤层气储量达到4.21亿m3,开发潜力大。但西南地区煤层地质条件复杂,主采煤层厚度大多在0.8m~3.5m,以薄及中厚煤层为主;煤质普遍较软,f值在0.2~1;煤层透气性极低,渗透率在10-4 mD~10-3mD。导致西南地区煤层气开发及瓦斯灾害防治困难,严重制约清洁能源高效开发及煤炭安全生产。因此,如何大幅度增加薄及中厚软煤层透气性成为有效解决西南地区煤层气开发效率低灾害防治困难的关键问题。近年来,重庆松藻矿区将水力压裂技术引用到煤矿井下增透抽采煤层气,初步应用结果表明:平均单孔抽采纯量提高了3~5倍。但薄及中厚软煤层水力压裂裂缝起裂扩展规律及其对顶板损伤破坏机理、压裂过程中瓦斯运移富集规律仍然不明确。本论文采用理论分析、数值模拟、实验室及现场实验的方法,研究了薄及中厚软煤层水力压裂裂缝起裂扩展、煤岩损伤变形及瓦斯运移机理。主要研究结论如下:(1)建立了煤层水力压裂起裂压力及起裂方向计算模型,并揭示了煤层产状、地应力对煤层起裂压力、起裂方向的影响规律。煤层产状是影响薄及中厚软煤层水力压裂钻孔布置方式的主要因素,通过分析煤层产状和地应力共同影响下钻孔应力状态,根据最大拉应力理论,建立了煤层水力压裂钻孔起裂压力及起裂方向计算模型,并采用相似模拟实验对计算模型进行了验证。结果表明:起裂压力随水平主应力差、煤层倾向与最大主应力方位的夹角增大而减小,随煤层倾角增大而增大;随着煤层倾角减小,裂缝起裂方向由沿着煤层走向起裂逐渐向走向与倾向之间逆时针偏转,且偏转速度逐渐加快;随着煤层倾向与最大主应力方位的夹角增大,裂缝起裂方向由沿着煤层倾向起裂逐渐向煤层走向逆时针偏转,且偏转速度逐渐减慢。(2)通过构建薄及中厚软煤层水力压裂区域煤层—顶板损伤力学模型,揭示了水力压裂区域顶板损伤变形机理。理论分析了水力压裂克服煤体黏弹塑性致使顶板产生变形破坏,导致煤体卸压增透的基本原理。并通过将煤层水力压裂影响区域顶板简化为弹性薄板,建立薄及中厚软煤层水力压裂区域煤层—顶板损伤力学模型。在此基础上,利用FLAC3D分析薄及中厚软煤层水力压裂过程中顶板应力状态,揭示了煤层厚度、地应力、水力压裂工艺参数对顶板损伤变形的影响规律。(3)建立了薄及中厚软煤层水力压裂瓦斯运移模型,揭示了水力压裂瓦斯运移富集规律。理论分析了薄及中厚软煤层水力压裂过程中高压水驱替瓦斯的基本原理,根据渗流力学理论分析含瓦斯煤体水气驱替动力学过程,并建立薄及中厚软煤层水力压裂水气驱替两相渗流模型,揭示了煤体孔隙度、渗透率、瓦斯压力及水力压裂工艺参数对薄及中厚软煤层水力压裂瓦斯运移的影响规律。(4)研发出薄及中厚软煤层水力压裂技术工艺及压裂效果评价方法。根据薄及中厚软煤层水力压裂增透原理及赋存特征,研发出适用于薄及中厚软煤层水力压裂增透技术工艺;提出了“一看、二探、三测”的薄及中厚软煤层水力压裂增透效果评价方法。并将该技术应用于同华煤矿3121掘进条带增透抽采煤层气,结果表明:水力压裂范围为50m~60m时,瓦斯富集区位于30m~50m;与相邻未压裂的2127掘进条带相比,平均单孔瓦斯抽采纯量由1.75m3/d增加至10.36m3/d,提高了4.9倍;巷道掘进效率提高90.7%,平均风排瓦斯量从1.53m3/min降到0.45m3/min,降低了70.8%。