地热作为一种清洁的可再生资源,具有广阔的开发利用前景,尤其是干热岩（Hot Dry Rock,HDR）,其储量巨大、分布广泛、来源稳定,对保障国家能源安全、减轻生态环境压力有着重大意义。干热岩开采时一般利用人工方法构造地热储层,从低渗透性高温岩体中开采出深层地热能,即增强型地热系统（EGS）。干热岩储层的压裂改造一直是EGS中关键技术之一,也是实现经济、高效EGS的屏障和难题。低温热刺激有望作为地热储层压裂改造的有效辅助手段。当高温岩体注入超低温流体（如液氮）时,岩体因瞬间冷却产生巨大的热应力而遭受热冲击作用,从而发生开裂。循环热冲击作用下干热岩物理力学特性和损伤破坏机理对研究储层激发技术,建立渗透性和连通性好、裂隙比表面积大的有效人工热储,从而实现采热效率高、可持续性好的EGS具有重要意义。本文综合运用室内试验、数值模拟和理论分析等方法,对实时高温下、高温冷却后以及循环热冲击作用后干热岩物理力学特性和细观损伤机理展开研究,分析了干热岩埋深、初始温度、热冲击方式等宏观因素和矿物组成、颗粒粘结强度、粘结均质性以及颗粒尺寸均质性等细观因素对干热岩细观开裂特征和水力压裂特性的影响。主要研究成果如下:（1）建立了考虑温度效应的颗粒可破碎离散元模型,引入矿物组成、颗粒粘结强度和颗粒尺寸等影响岩石热开裂的细观因素,揭示了实时高温和不同冷却方式下花岗岩力学特性和细观破裂机制。研究结果表明:岩石细观组成的非均质性是影响其热开裂特性的根本原因,温度作用下岩石内部细观裂纹的萌生和扩展与其矿物组成、矿物颗粒尺寸、颗粒粘结强度等因素密切相关。实时高温下,花岗岩内部细观裂纹随着温度的升高呈阶段性变化,矿物以晶界拉伸破坏为主。矿物颗粒尺寸较大、粘结力较弱的中、粗粒花岗岩热裂纹更发育,高温下强度更低。与自然冷却相比,水中冷却下花岗岩细观裂纹更多,晶内破坏更明显,冷却后抗压强度和弹性模量更低,差异随温度升高逐渐明显。（2）开展了无约束和三轴应力条件下空心圆柱花岗岩循环热冲击和抗拉试验,结合光学显微试验和离散元数值模拟,揭示了不同加热温度、循环次数、热冲击方式和应力约束条件下花岗岩物理力学特性及细观损伤机制。结果表明:循环热冲击后花岗岩纵波波速和抗拉强度显著下降,饱和吸水率升高,细观裂纹增加,其中第1次热冲击变化最显著,循环5次后基本趋于稳定。与冷水冷却相比,液氮冷却条件下花岗岩纵波波速、抗拉强度更低,饱和吸水率更高,细观裂纹更多,热冲击效果更为显著。当温度和围压较小时,围压的存在会限制热裂纹的产生,削弱热冲击对花岗岩的影响。反之,围压在热冲击循环的前期对热裂纹的萌生有一定的限制作用,但随着循环次数的增加反而会加剧花岗岩的损伤。（3）基于Griffith准则建立了不同统计分布函数下热损伤岩石受压和受拉统计损伤本构模型。针对统计损伤本构模型参数求解复杂、难以直观反映损伤演化规律的问题,从损伤变量的定义出发,采用晶界和晶内裂纹参数定义了热损伤变量和力学损伤变量,构建了基于细观裂纹参数的岩石热损伤本构模型。结果表明:基于Griffith准则的三种统计函数下的本构方程均能对循环热冲击后花岗岩应力应变曲线进行较好地描述。峰值应力之前,三种统计函数下理论结果相差不大。在峰值应力后,Weibull分布下应力跌落最明显,更接近试验结果。基于细观裂纹参数的热损伤本构模型表达式简单,容易理解,且模型参数较少,能较好地反映岩石在循环热冲击和压缩过程中损伤变量的演化规律和损伤机制。（4）基于传热学和弹性力学理论推导了热冲击作用下钻孔围岩温度场和应力场理论解,利用断裂力学理论提出了热冲击作用下钻孔围岩裂纹萌生和扩展准则。借助块体离散元软件建立了考虑颗粒可破碎的钻孔围岩模型,得到了循环热冲击过程中钻孔围岩细观开裂的宏、细观影响因素。结果表明:热冲击过程中,钻孔围岩温度和应力大小与距钻孔的距离和热冲击时间有关。热冲击后细观裂纹主要分布在钻孔边缘附近,随热冲击次数的增加有增加趋势。干热岩埋深越小、初始温度越高、冷却流体温度越低,热冲击后细观裂纹越多,损伤范围越大。循环热冲击过程中储层岩石晶界和晶内开裂特征受其细观组成特征的影响,石英含量的影响最为显著。（5）提出了干热岩储层循环热冲击-水力压裂联合改造方法,建立了考虑颗粒可破碎的干热岩水力压裂模型,揭示了循环热冲击作用后干热岩水力裂纹萌生、扩展机制以及宏、细观影响因素。结果表明:循环热冲击处理可明显降低干热岩起裂压力,增加水力裂纹网络复杂程度。干热岩水力压裂时细观破坏以晶界拉伸破坏为主。干热岩埋深越小、初始温度越高、冷却流体温度越低,循环热冲击后起裂压力越小,水力裂纹网络复杂程度越高。循环热冲击后干热岩水力压裂特性同时也受其细观组成特征的影响,矿物颗粒粘结强度的影响最大。该论文有图163幅,表44个,参考文献181篇。