中国煤炭资源储量丰富,但其高瓦斯含量、复杂地质结构、低孔渗成为限制煤炭高效开采的主要因素之一。利用CO₂介质作为压裂液,通过相变致裂及高压驱替等作用来达到提高瓦斯抽采效率和CO₂地质封存的双重目的。但是,常规CO₂致裂煤层通常采用单一注入方式,很少考虑到液态CO₂低速注入过程中的冷冲击效应,且液态CO₂循环作用对煤体孔隙结构及力学性能演化的影响研究较少。本文基于液态CO₂循环作用煤体过程中的温度响应行为,分析了液态CO₂循环作用下小尺度煤样内的孔隙结构演化规律,实现煤体孔隙分布精细表征;利用MTS单轴压缩试验和超声波仪研究了中尺度煤样的力学响应及声波演化特征,揭示煤体断裂特征参量与液态CO₂循环参量的耦合关系;探讨了液态CO₂循环冲击及高压膨胀应力单一作用下试样内三维空间裂隙的发育扩展行为,建立了“应力场—温度场—损伤场”等多场耦合的试样断裂作用机制和劣化准则;基于单一椭圆型裂隙模型确立了液态CO₂循环致裂煤层的裂隙特征参量定量表征方法,构建了液态CO₂循环冲击致裂方法应用体系。获得以下主要结论:（1）基于自主设计的循环液态CO₂致裂实验模拟平台,釜体压力随液态CO₂循环注入过程呈周期性的“上升-平稳-下降”过程,单次注入温度变化呈“U型”分布。利用红外热成像仪监测煤体表面温度发现,不同测温线上的温度为负值,且同一测温线上的非恒定温度值表明基质非均质性可导致冷量传导的各向异性。循环作用后煤体表面出现不同的裂隙数量与分布,煤体破坏程度负相关于变质程度,且正相关于液态CO₂循环参量。液态CO₂循环“冷冲击—加热”作用过程造成煤体结构发生交替式的“收缩-膨胀”,大量“不可恢复的”疲劳损伤劣化煤体强度,最终引起煤体破坏。（2）液态CO₂循环作用后,不同变质煤的谱面积变化率分别正相关于循环参量;吸附水占比χ_AW分布不断减小,其占比变化率ψ_AW整体负相关于循环参量,而毛细管水占比χ_CW与体积水占比χ_BW分布不断增大,二者变化率分别与循环参量存在正相关关系。煤样的总孔隙φ_t与有效孔隙率φ_e不断增加,残余孔隙率φ_r不断减小,且总孔隙率和有效孔隙率增长率分别与循环次数存在正指数关系,与循环时间存在线性递增关系,而残余孔隙率分别与循环参量存在负指数和线性递减关系。煤体中束缚孔不具备分形特征,自由孔具有较好的分形特征,煤样自由孔分形维数D_自分别与其对应的T_2cutoff值、孔隙率存在指数和线性关系。煤样核磁渗透率与煤阶呈负相关,且渗透率变化率Δk_NMR%与循环参量正相关。相关核磁数据演化规律均表明液态CO₂循环热应力可促进小尺寸孔隙向大尺寸孔隙、部分封闭或封闭孔隙向开放孔隙的转变,自由流动通道和有效孔隙体积增加。（3）液态CO₂温度效应和温度-吸附耦合效应作用煤样的破坏形态分别表现为“轴向劈裂”和“劈裂+崩落”,持续加载破坏过程使得煤体轴向和径向应变率、振铃计数和累计能量不断增大,且后者作用下煤体具有更小的σ_c值。液态CO₂不同效应循环作用后,煤体的抗压强度σ_c和弹性模量E分别与循环参量存在线性递减关系,泊松比μ和损伤变量D_v则分别正相关于循环参量。基于Weibull分布和应力-应变曲线,建立了煤体的损伤统计本构模型,并从能量角度分析不同ε_d条件时煤体脆性指标B_I演化规律,发现褐煤和烟煤的B_I值整体下降,而无烟煤的B_I值波动幅值较大,无明显规律。（4）液态CO₂循环作用后煤体波速不断减小,波速降幅与煤阶呈负相关,褐煤波速散点离散度增大,烟煤和无烟煤的波速散点离散度无明显变化。煤样波速正相关于Vp/Vs值,液态CO₂不同循环参量作用产生的疲劳损伤使得空间裂隙非均一性演化。煤样的声波各向异性系数k_Vp和k_Vs、其系数增量△k_Vp和△k_Vs值分别与不断增大的循环参量呈增长趋势,波速变化率ΔVp_z%、ΔVs_z%分别与循环参量和煤阶呈负相关关系。不同变质煤的分形维数D随着循环参量的增大而不断增大,与煤样的变质程度呈负相关关系,且其普遍与Δk呈正相关关系,与ΔV%成负相关关系。不同变质煤的μ与μ_d近似一致分布和较小的相对误差均表明弹性波波速可以有效评估作用后煤体的劣化特征。（5）液态CO₂注入未封孔大尺寸试样时,钻孔壁面温度持续下降,并维持在-22℃上下,且停止注入后壁面温度出现回升。声发射事件首先出现在钻孔底部,并随着循环注入过程分布在钻孔轴向方向附近。声发射事件特征参量的“重复性”和“阶梯性”变化表明,液态CO₂循环注入过程中重复冷冲击和升温过程可促进新生裂隙的萌生。相比自由试样破坏时的单一裂隙形态,不同围压试样破坏时存在更大的有效裂隙数量和裂隙表面粗糙度,且其含裂隙面均具有一定的分形特征。不同试样含裂隙面的裂隙密度、裂隙数量与断裂块度分别正相关于分形维数。（6）基于椭圆型裂隙模型,建立了液态CO₂循环作用煤体过程中裂隙相关特征参量（裂隙宽度w_c、裂隙半径R_c等）与作用时间t的定量表征方法;从裂隙发育和扩展两层面探究了液态液态CO₂循环作用裂隙演化模式;综合储层信息收集、钻孔信息设计、注入参量选择、效果监测论证、评价体系构建五个层面,构建液态CO₂循环致裂煤层应用体系。该论文有图109幅,表26个,参考文献332篇。