煤炭消费需求新形势下,我国煤矿不断向深部要资源,同时不断提高机械化智能化水平,一系列大采高、特大采高开采技术和装备的投入和使用使得远场坚硬顶板问题愈发突出,为煤矿坚硬顶板防治提出了新问题和新挑战。作为坚硬顶板防治的重要手段之一,传统水力压裂技术因受控于最小主应力作用而只能形成垂直起裂和扩展的单一裂缝故而难以适用于远场坚硬顶板,直井径向水力割缝导向压裂则更具有优势,但是直井径向水力割缝导向压裂有关研究尚不全面,难以指导坚硬顶板直井径向水力割缝导向压裂的工程设计和现场施工,而裂缝起裂和扩展机制是其中的关键科学问题。因此,本文综合运用物理试验、理论建模、数值模拟方法,开展了实验室尺度变应力差径向水力割缝导向压裂裂缝起裂模式物理试验研究,建立了井筒压裂裂缝起裂模型、割缝压裂裂缝起裂模型以及直井径向水力割缝导向压裂裂缝起裂模式判定准则,分析了工程尺度直井径向水力割缝导向压裂裂缝形态演化过程、应力空间特征以及主要因素影响,以此提升对于坚硬顶板直井径向水力割缝导向压裂裂缝起裂和扩展机制的认识,推动提高坚硬顶板防治水平,保障煤矿生产安全。本文的主要研究成果如下:（1）揭示了直井径向水力割缝导向压裂裂缝起裂模式:在割缝尖端起裂的“横切”型单一主裂缝、在井筒壁周起裂的“纵断”型单一主裂缝、在割缝尖端和井筒壁周同时起裂的“横切纵断”复合型裂缝网络。直井径向水力割缝导向压裂裂缝起裂模式受到主应力差的显著影响,主应力差较小时,起裂点主要位于割缝尖端;主应力差增大到一定程度时,水压裂缝则在井筒壁周起裂,最小主应力控制作用与割缝导向作用的相对均衡是产生“横切纵断”复合型裂缝网络的关键。（2）建立了直井径向水力割缝导向压裂裂缝起裂模型和起裂模式判定准则。考虑水力压裂塑性区的影响,基于临界距离理论分别建立了井筒压裂裂缝起裂模型、割缝压裂裂缝起裂模型,采用流体压力增大过程中两者的塑性区临界特征长度比值建立了直井径向水力割缝导向压裂裂缝起裂模式判定准则,能够判断具体应力、物性及施工参数条件下直井径向水力割缝导向压裂裂缝起裂位置和初始起裂方向。该裂缝起裂模型同时可以指导直井径向水力割缝导向压裂时的割缝尺寸设计,为优化直井径向水力割缝导向压裂裂缝起裂模式提供方向。研究表明,逆断型应力状态下,直井径向水力割缝导向压裂裂缝仅在割缝尖端起裂;走滑型应力状态下,径向水力割缝导向压裂裂缝可在割缝尖端和井筒壁周同时起裂。正断型应力状态下,根据主应力差的情况不同,径向水力割缝导向压裂裂缝可在割缝尖端和井筒壁周同时起裂,或者仅在井筒壁周起裂。拉伸屈服强度越小,越容易在井筒壁周起裂,而拉伸屈服强度越大,越容易在割缝尖端起裂。（3）明确了远场坚硬顶板直井径向水力割缝导向压裂裂缝扩展演化规律和应力场特征,揭示了多种因素对裂缝形态的影响规律。直井径向水力割缝导向压裂裂缝扩展过程主要分为三个阶段:水平扩展、水平扩展+垂直扩展、水平扩展+垂直扩展+打开层间弱面,最终形成“层内工字形+层间工字形”裂缝形态。压裂过程中,水平裂缝尖端存在最小主应力降低现象,同时最小主应力降低导致水平裂缝尖端存在最小主应力90°转向现象,进而使得裂缝维持水平扩展。当水平裂缝尖端最小主应力减小现象消失时,该裂缝尖端最小主应力回归到最小水平主应力方向,进而转向垂直方向扩展。研究表明,主应力差和注液速率、压裂液粘度、割缝数量等施工参数对于裂缝形态具有显著影响,主应力差越小,压裂液粘度越高,水平扩展范围越大;注液速率过小和过大、增加轴向割缝、增加平行径向割缝数量均不利于增大“横切”裂缝面积。动态调整压裂液注入速率和压裂液粘度,能够有效优化直井径向水力割缝导向压裂效果。