液氮作为一种属性优良的压裂介质,对煤体存在多重致裂效应,其在煤层气开采中的潜在应用已成为当前研究的热点。本文针对低渗煤体液氮致裂增透的关键科学问题,综合运用室内试验、理论分析及数值仿真方法,系统地研究了煤体液氮低温致裂的宏微观力学机制;探究了液氮循环冻融对煤体变形破坏及渗透性的影响规律;在揭示液氮多重致裂效应对煤体压裂效果影响的基础上,建立了液氮影响下煤体压裂裂纹启裂准则,分析了液氮循环冻融对煤体孔隙压力分布及破裂压力的影响规律。主要成果如下:（1）系统研究了液氮低温致裂作用下煤体的物理力学性质及宏微观结构变化规律。采用单轴压缩、巴西劈裂、三点弯曲及电镜扫描等实验手段,研究了液氮低温作用下煤体抗压/拉强度、断裂韧度、破坏特征及宏微观结构变化。结果表明,液氮低温作用可以促进煤体微裂纹的沿晶及穿晶扩展,诱发孔隙结构及基质破坏,从而导致冻融煤体物理力学性质劣化;而液氮所产生的低温冷冻环境对煤体力学性质有一定的强化作用。液氮冻融及低温冷冻均能增加煤体破坏程度,前者优势更加显著。研究表明,液氮冻融更有利于低渗煤体的高效致裂。（2）基于分形理论,定量评价了煤体的液氮低温致裂效果,并分析了其对煤体裂纹网络形成的影响机理。通过室内实验获得了冻融煤体的孔隙分布、声发射特征参数、破裂块度尺寸分布及断裂面形貌,并进行了分形特征研究。结果表明,冻融煤体孔隙结构分布更加均匀,连通性更好,裂纹扩展在空间上发生的无序性增强,导致破坏后碎片尺寸均匀性增加、数量增多及断裂面粗糙度增加。分形研究表明,液氮冻融可使低渗煤体的裂纹网络复杂性及体破裂度增大。（3）探究了液氮循环冻融下煤体变形破坏规律及损伤增透机制。采用单/三轴压缩及渗透率测试的实验方法,研究了液氮循环冻融对煤体变形破坏及渗透率的影响规律。结果表明,随液氮循环冻融次数增加,煤体微裂纹不断生长、微观结构破坏模式从原生裂隙扩展向基质断裂转变,导致孔隙结构连通性增强和基质骨架抗变形能力减弱,从而引起煤体渗透率及加载时破坏程度不断增大,使得煤体力学性能、变形破坏以及渗透率向有利于煤层压裂的方向转变。研究表明,液氮循环冻融可作为大幅提高低渗煤体渗透性和体破裂的有效手段。（4）研究了不同初始状态煤体的液氮压裂效果,揭示了液氮对煤体的热冲击、冷冻开裂及冻融损伤效应。设计并开展了煤体液氮压裂模拟实验,得到了不同初始状态下煤体的破裂特征,结合孔壁周围温度场、应力场数值模拟结果,探究了液氮对煤体的多重致裂效应。结果表明,煤体初始温度越高,钻孔周围形成的热冲击损伤区越大,破裂压力越小,破碎程度越大。受冷冻开裂效应影响,冷冻煤体裂纹开度增加,压裂流体进入煤体的难度降低,导致流体压力倾向传递,促进张开裂纹进一步扩展。与未处理及冷冻煤体相比,冻融煤体的钻孔周围损伤区域最大,破裂压力大幅降低,破碎程度也最大。结合工程实际,提出了充分发挥液氮多重致裂效应的“液氮循环冻融+高压氮气压裂”的低渗煤层增透方案。（5）建立了液氮影响下煤体压裂裂纹的启裂准则。基于煤体液氮循环冻融实验研究结果,引入断裂韧性劣化系数,建立了液氮影响下煤体压裂裂纹的启裂准则,并采用流-固耦合数值模拟方法,研究了液氮循环冻融对煤体孔隙压力分布及破裂压力的影响规律。结果表明,随着循环冻融次数增加,钻孔周围分布的孔隙压力逐渐增大,煤体抗裂性能逐渐降低,在两者共同影响下,煤体破裂时破裂压力和钻孔周围分布的孔隙压力均逐渐减小。因此,液氮循环冻融辅助煤层压裂有望成为一种有效的储层增产手段。论文有图88个,表12个,参考文献153篇。