我国煤层低渗透性的特点严重制约了煤层甲烷抽采的效果,增加低渗透煤层的渗透性是提高煤层甲烷抽采效率的关键。采用二氧化碳压裂煤层不仅可以增加煤层渗透性,还可以驱替煤层甲烷,强化甲烷抽采。本文采用理论分析、实验室试验、数值模拟以及现场运用相结合的方法,系统分析了二氧化碳压裂增透煤层的机理以及二氧化碳驱替煤层甲烷的规律。通过理论分析研究了二氧化碳物理性质对流体压裂破裂压力的影响;利用自主研制的多功能真三轴流固耦合试验系统,开展了流体压裂(二氧化碳压裂和水力压裂)原煤、页岩和砂岩的试验研究,揭示了二氧化碳压裂煤层的裂缝扩展规律以及压裂裂缝的特征;提出了不卸压条件下流体压裂储层岩石增透效果的评价方法,并利用该方法研究了二氧化碳压裂原煤的增透效果;针对压裂后裂缝原煤的渗流规律,探讨了适用于煤层增透的流体压裂方法;建立了流固耦合多组分气体多孔渗流模型,并采用该模型分析了二氧化碳驱替煤层甲烷的规律;最后在煤矿现场进行了气液两相联合致裂增透煤层的试验研究。本文的主要研究成果如下:(1)流体压裂中,岩石的起裂压力受原始孔隙压力和岩石渗透性的影响;裂缝的扩展压力受原生裂隙和流体滞后带的影响。由于水和二氧化碳的粘度、渗透性差异,二氧化碳压裂和水力压裂受岩石渗透性、原生裂隙及流体滞后带的影响程度不同,这导致了二氧化碳压裂岩石的破裂压裂小于水力压裂岩石的破裂压力。(2)开展了真三轴应力条件下流体压裂试验,发现相对于水力压裂,二氧化碳压裂煤层可以产生较多的次级裂缝,激活更多的原生裂隙,形成更为复杂的裂缝网络。在二氧化碳压裂中,水平主应力对裂缝扩展的影响将会降低,原生裂隙对裂缝扩展的影响将会升高。(3)通过细观扫描观察流体压裂后岩石试件的裂缝特征,发现水力压裂更倾向于产生垂直于最小水平主应力的拉伸裂缝,而二氧化碳压裂可能会产生含有翼裂纹的倾斜剪切裂缝。相对于水力压裂,二氧化碳低粘度的特性使二氧化碳压裂更有利于产生剪切裂缝。(4)提出了流体压裂储层岩石增透效果的评价方法,研究了流体压裂不同类型储层的增透效果,分析了储层性质、压裂流体和地应力对流体压裂增透效果的影响。研究结果表明:原煤流体压裂的增透效果较差;二氧化碳压裂岩石的增透效果较好;高地应力条件下流体压裂的效果较差。(5)开展了真三轴应力条件下裂缝岩石的渗流试验,发现压裂后裂缝原煤渗透率的应力敏感性较强,这说明压裂后原煤裂缝的自支撑性较差。当流体压力卸除后,有效应力增加会使原煤渗透率大幅下降,这不利于流体压裂增透煤层。针对这一特点,提出了采用剪切刺激的方式进行流体压裂,使煤层产生自支撑性较好的剪切裂缝。通过试验证明剪切刺激的流体压裂可以使煤层的渗透率明显上升。(6)利用流固耦合多组分气体多孔渗流模型,模拟了二氧化碳压裂过程中驱替煤层甲烷的现象。模拟结果表明:二氧化碳驱替煤层甲烷会使煤层中形成甲烷浓度衰减区、甲烷浓度富集区和原始甲烷浓度区。煤层中裂隙和基质的甲烷富集圈受驱替压力和裂隙渗透率等参数的影响。(7)结合水力压裂技术和液态二氧化碳相变致裂技术的优势,提出了气液两相联合致裂增透煤层技术,并采用该技术对现场煤层进行了致裂增透试验,试验结果表明:气液两相联合致裂增透煤层技术可以有效的增加煤层渗透率,强化煤层甲烷抽采。