煤储层中岩层结构复杂、非均质性严重,水平井分段压裂施工过程中形成的水力裂缝受到岩层界面的干扰变得十分复杂。由于目标层系的选择不同,压裂作业过程中对裂缝形态的控制要求也存在差异。常规煤储层水平井分段压裂作业希望将裂缝控制在煤储层之内,从而获得短宽型具有高导流能力的裂缝,然而在煤储层虚拟产层水平井分段压裂施工过程中则需要形成具有穿层能力的裂缝,从而在煤层与水平井筒间形成高速渗透通道。目前,煤储层中裂缝起裂与穿层延伸机理并不成熟,这一问题已成为制约煤层气水平井分段压裂技术发展的瓶颈,亟需进一步研究。本文采用天然岩块与人工混凝土岩块制作层状岩样开展真三轴水力压裂物理模拟实验,实验分析了地应力状态、天然裂缝、岩层界面性质与岩层界面倾角对水力裂缝延伸的影响,实验结果表明地应力状态为影响水力裂缝延伸的主控因素,岩层界面填充介质均匀、致密有利于穿层裂缝的形成与延伸,岩层界面倾角对穿层裂缝的形成影响较小。依据山西省沁水盆地南部地区地质情况,考虑原地应力、井眼内压和压裂液滤失等因素,分析了煤层气水平井井筒壁面处任意一点处三维应力场,并以此为基础,建立了水力裂缝在煤储层中可能存在的三种起裂模型及相应的判断准则。同时,分析了水平井筒方位和地应力状态对水力裂缝起裂方式的影响。在层状岩样压裂物模实验的基础上,基于最大正应力准则,建立了水力裂缝在层内延伸、沿岩层界面延伸及穿层延伸的理论判据。