工程岩体渗流演化原位评价：理论模型、装备研制与现场先导性试验
刘江峰，赵一旭，王志鹏，倪宏阳，马士佳，孙瑞年
中国矿业大学 深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室
创新点：
（1）建立了适用于工程尺度的原位气体渗透率计算理论模型
基于岩心尺度近似稳态法中入口端压力梯度模型，将其推广至工程尺度，提出一维稳态径向渗流模型，推导获得工程岩体原位渗透率计算方程。系统分析了有效测试半径的取值原则，并结合相对误差阈值与对数均值等方法，实现了数学—物理—统计三重意义下的扩散边界刻画。与传统稳态法相比，该方法仅需监测孔内压降情况，即可计算压力梯度与渗透率，无需配备高精度流量控制装置与稳压系统。
（2）研制了原位工程岩体气体渗透率测试装备及数据处理系统
在理论模型基础上，自主研发了一套适用于工程尺度的原位渗流测试系统。该系统具备便携、可复用等特点，可适应野外复杂地质与施工环境，集成了储气与注气模块、钻孔密封装置、压力–温度同步采集单元、温度波动自校准机制及渗透率实时反演计算功能。整体结构紧凑、操作流程简便，可实现现场快速布设与气密性检测，并在无需复杂辅助条件下完成高精度原位渗透率测试，适用于多种工程场景下岩体渗流特性的原位解析。
（3）完成典型现场工程的先导性应用验证
为验证所提出方法的可靠性，本文首先在模拟工程尺度条件下开展气体渗透率测试，并与岩心尺度的渗透率数据进行对比分析，验证其一致性与适用性。在此基础上，进一步在某地下实验室及山东某矿区巷道开展现场原位应用试验。测试结果表明，该方法在多种复杂场景下均具备良好的可操作性、稳定性和工程适应性，具备较高的实用价值。研究成果为深部储层可采性评估及深地能源物质封存屏障系统密封性原位评价提供了新的理论支撑与技术路径。
研究方法：
（1）理论建模：基于岩心尺度的近似稳态法，本文提出适用于工程尺度的一维稳态径向渗流模型，推导出适用于工程尺度岩体原位渗透率计算理论模型，明确了有效测试半径的物理意义及取值依据，构建了面向现场应用的理论基础。
（2）装备研制：自主研发了便携式原位气体渗流测试系统JHNY-IPM，集成注气、密封、同步采集与渗透率实时计算等功能，具备便携性与可复用，适用于复杂地质条件下的快速布设与高精度测量。
对深部能源开采和能源封储工程的指导意义：
随着深地、深海、深空“三深”战略的推进，特别是在“双碳”目标驱动下，岩体渗流特性作为衡量深部能源开采储层可采性与能源物质封储屏障系统密封性评价的关键参数，对工程实践具有重要指导意义。然而，现有评测方法大多在解除原位应力与赋存环境条件下进行，即使通过“温压湿”再现等手段仍难以完全真实再现地下复杂环境。
针对现有理论和技术瓶颈，本研究聚焦“原位”渗流力学研究核心难题，初步构建了深部复杂环境下工程岩体渗流演化原位解析理论模型，自主研制了集密封、实时解析与参数反演于一体的原位测试装备JHNY-IPM，并为构建微观–岩心–原位三位一体的多尺度协同评价体系提供了坚实的理论支持与技术储备。现场先导性试验结果表明：模型合理、方法可行、装备可靠，为深部储层可采性评估与封存屏障系统密封性原位评价提供了新的理论支撑与技术路径。
摘 要：
工程尺度下岩体的原位渗透率评测对于深部能源开采和深部能源物质封储（如储碳、储氢和储废）具有重要意义，更能真实反映岩体在原位赋存环境下的渗流特性。研究推导一种适用于工程尺度岩体原位渗透率计算的理论模型，系统分析影响渗透率计算结果的关键参数，重点探讨有效测试半径的确定方法及其敏感性特征。通过模拟原位工况下的工程尺度测试，并与岩心尺度结果进行对比，发现两者渗透率测试结果差异整体控制在3倍左右。这种差异主要与岩心尺度所施加的0.8 MPa围压效应，以及模型浇筑过程中局部气泡引发的连通孔隙和微裂缝结构有关，属于合理可接受范围，验证该理论模型与测试方法的可行性与准确性。在此基础上，依托自主研制的便携式原位气体渗透率测试装备，分别在某地下实验室、山东某煤矿煤巷及岩巷开展现场先导性试验。结果表明，该方法及成套技术在不同工程场景下表现出良好的适应性、稳定性与可重复性，可有效评估岩体渗透特性及注浆效果。研究成果为深部储层可采性及深部能源物质封储屏障系统密封性原位评价提供一种新的技术路径和理论支撑。
关键词：岩石力学；工程岩体；深部能源开采；深部能源物质封储；气体渗透率；原位评价
部分图表展示：
图2 气体渗透率测试从岩心尺度推广到工程尺度示意图
(a) 工程尺度渗透率测试模型边界条件
(b) lnD变化趋势及无量纲压力分布
图3 三维渗流模型、无量纲压力U分布
图5 工程岩体渗流演化原位评测装置研制及配套测试软件示意图
图6 各尺度测试装置及试样制备示意图
图10 硐室及巷道内测试示意图
作者简介
刘江峰，中国矿业大学教授、博士生导师，先后入选/获批教育部U40（2025）、国家“万人计划”青年拔尖（2023）、江苏省杰出青年基金（2024）。长期致力于低渗岩体渗流力学及其在深部能源物质封储中应用研究，提出的低渗岩体渗流演化预测与调控等关键技术，已应用到国内多个重大战略性工程，较好地解决了深部能源开采和物质封储（储废、储氢、储碳和储能等）领域低渗介质评价难题。
主持国家重点研发计划项目（政府间合作）、国家自然科学基金、国防科工局“揭榜挂帅”项目项以及企业科技攻关课题等30余项。在岩石力学与工程学报和International journal of rock mechanics and mining science等期刊发表高水平论文90余篇，授权发明专利60件。获第三届“钱七虎奖”、第三十三届孙越崎青年科技奖、湖北省科技进步一等奖（R1）和中国岩石力学与工程学会科技进步奖一等奖（R1）等奖励10项。目前担任岩石力学与工程学报和Deep Underground Science and Engineering等期刊（青年）编委和学术编辑、中国岩石力学与工程学会理事等职务。
来源：
刘江峰，赵一旭，王志鹏，等. 工程岩体渗流演化原位评价：理论模型、装备研制与现场先导性试验[J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(2): 366-380.
LIU Jiangfeng, ZHAO Yixu, WANG Zhipeng, et al. In-situ evaluation of gas permeability in engineering rock masses: Theoretical model, equipment development and field pilot testing[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2026, 45(2): 366-380.
DOI：10.3724/1000-6915.jrme.2025.0598
