水巖耦合演化自然電場(chǎng)近源效應(yīng)與臨災(zāi)前兆

劉 靜，劉盛東，王 勃，路 拓，劉志新

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054)

重大水害防控是礦井、隧道、地鐵及新時(shí)期我國(guó)地下空間綜合開(kāi)發(fā)利用等領(lǐng)域長(zhǎng)期面臨的重大科技難題，而其核心問(wèn)題，即水巖耦合變形破壞及與之相關(guān)的固體損傷破壞、水體湍流等問(wèn)題，都是亟須破解的世界性難題。工程巖體因其脆性材料特性會(huì)突發(fā)斷裂，處于臨界狀態(tài)的流固系統(tǒng)受微弱擾動(dòng)就會(huì)劇烈突變，且這兩者往往伴生，它們共同成為水巖耦合演變(演化與突變)監(jiān)測(cè)的難點(diǎn)，而采掘等擾動(dòng)因素的加入會(huì)讓問(wèn)題更復(fù)雜。在多種地球物理探測(cè)手段中，地電場(chǎng)法(包括直流電法DC、激電法IP、自然電場(chǎng)法SP等)是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐檢驗(yàn)的經(jīng)典方法，可用于不同時(shí)-空尺度(μs-cm尺度至day-km尺度)的探測(cè)，且因信息豐富(含自然電場(chǎng)、激勵(lì)電場(chǎng)、感應(yīng)電場(chǎng)三場(chǎng))而對(duì)巖體損傷破壞、地下水滲流及2者的耦合演變都有表征能力。其中，自然電場(chǎng)可指示水體流向且時(shí)域響應(yīng)更超前，將該優(yōu)勢(shì)與激勵(lì)電場(chǎng)、感應(yīng)電場(chǎng)對(duì)物性的空間表征能力相結(jié)合，進(jìn)行三場(chǎng)并行測(cè)試與耦合解析，有望提升地電場(chǎng)探測(cè)的時(shí)空精度，進(jìn)而獲取水巖耦合演化監(jiān)測(cè)與臨災(zāi)預(yù)警的新突破。自1830年Robert Fox進(jìn)行自然電場(chǎng)法勘探以來(lái)，基于動(dòng)電成因理論的自然電場(chǎng)法已構(gòu)建獨(dú)立的理論與技術(shù)體系，但其探測(cè)目標(biāo)多是穩(wěn)態(tài)或近似穩(wěn)態(tài)的、具有非時(shí)變或弱時(shí)變特征的地質(zhì)體，其數(shù)據(jù)解析、成像也多以達(dá)西滲流等穩(wěn)態(tài)流固耦合理論為依據(jù)，而面對(duì)急變流、湍流等復(fù)雜流場(chǎng)及其突變行為監(jiān)測(cè)的問(wèn)題時(shí)，相關(guān)基礎(chǔ)理論已顯匱乏，對(duì)采動(dòng)巖體滲流而言更甚，這也制約著地電場(chǎng)探測(cè)的4D化、精準(zhǔn)化。同時(shí)，要將自然電場(chǎng)法從地表半空間勘探拓展到地下全空間監(jiān)測(cè)(更接近災(zāi)害源且信號(hào)強(qiáng)度可提高2～4個(gè)數(shù)量級(jí))，則需解決因方法原理、地質(zhì)環(huán)境、工程擾動(dòng)、施工工藝等的復(fù)雜化而產(chǎn)生的新問(wèn)題。

與地面常用陣列式觀測(cè)形式不同，地下全空間自然電場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)多呈線形，且需借助鉆探與注漿手段來(lái)實(shí)現(xiàn)孔中安裝(巷道空間亦可用但信噪比低)。有賴(lài)這類(lèi)施工工藝和主、被動(dòng)一體化的并行電法理念，自然電場(chǎng)法與直流電阻率法的全空間耦合探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)得以構(gòu)建，并據(jù)此實(shí)現(xiàn)了礦井突水災(zāi)害的準(zhǔn)確預(yù)警、避免了人員傷亡。然而，自然電場(chǎng)的復(fù)雜成因決定了其多解性，針對(duì)流固耦合演變監(jiān)測(cè)的全空間自然電場(chǎng)精細(xì)解釋準(zhǔn)則始終難以建立，尤其是對(duì)自然電位(self-potential)時(shí)序信號(hào)多尺度非線性波動(dòng)特征的精細(xì)解析是一大難點(diǎn)；同時(shí)，僅從成因的角度來(lái)研究自然電場(chǎng)的時(shí)空特征是不夠的，還必須考慮介質(zhì)的各向異性及演變，尤其是水體遷移和巖體破斷行為帶來(lái)的影響。其中，水體遷移過(guò)程中自然電位信號(hào)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征未被完整揭示，在實(shí)際工程中難以保障監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確解析。針對(duì)此問(wèn)題，開(kāi)展了近10 a的礦井水滲流全空間自然電場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究，在此過(guò)程中發(fā)現(xiàn)觀測(cè)系統(tǒng)過(guò)水事件(在地表及水中探測(cè)時(shí)罕見(jiàn)發(fā)生)的發(fā)生會(huì)導(dǎo)致特殊的自然電位波動(dòng)信號(hào)，但該信號(hào)容易被當(dāng)作水量減少或巖體破斷的信號(hào)予以解讀而造成災(zāi)變趨勢(shì)的誤判，故必須對(duì)其成因、特征進(jìn)行辨析。鑒于該現(xiàn)象主要由自然電場(chǎng)的動(dòng)電成因所致且與水體遷移狀態(tài)、尤其是過(guò)水區(qū)的演化相關(guān)，提出水巖耦合演化自然電場(chǎng)近源效應(yīng)的定義，并論述其成因、特征、科學(xué)意義與臨災(zāi)判識(shí)方法。下文主要從理論分析、室內(nèi)實(shí)測(cè)研究、工程實(shí)測(cè)研究3個(gè)層面進(jìn)行詳細(xì)論述。后文以自然電位這一參量來(lái)表征自然電場(chǎng)特征并以其英文縮寫(xiě)的正體格式“SP”來(lái)指代。

1 水巖耦合演化自然電場(chǎng)響應(yīng)機(jī)理

巖土體中帶電粒子的集散是大自然進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化及轉(zhuǎn)移的重要微觀機(jī)制之一，自然電場(chǎng)是其宏觀效應(yīng)。微觀機(jī)制不同會(huì)導(dǎo)致宏觀特征各異，巖體損傷破壞、地下水滲流及2者的耦合演化都會(huì)造成實(shí)測(cè)自然電位時(shí)序信號(hào)的波動(dòng)，但其成因、特征卻有所差異。

1.1 水巖耦合演化自然電場(chǎng)異常成因辨析

水巖耦合系統(tǒng)中的自然電場(chǎng)主要由動(dòng)電效應(yīng)、力電效應(yīng)及熱電效應(yīng)等所誘發(fā)，其中與水巖耦合演化最密切的是動(dòng)電效應(yīng)：液相相對(duì)于固相帶電表面流動(dòng)產(chǎn)生流動(dòng)電位，液相內(nèi)部化學(xué)勢(shì)梯度誘發(fā)擴(kuò)散電位，在無(wú)氧化還原過(guò)程時(shí)，這兩者是誘發(fā)自然電場(chǎng)異常的主要因素。與擴(kuò)散電位不同，流動(dòng)電位是一種固液耦合電場(chǎng)效應(yīng)，可基于雙電層模型給出解釋(圖1及文獻(xiàn)[20])，其物理本質(zhì)是固體表面對(duì)液體中帶電粒子的選擇性吸附等所誘發(fā)的帶電粒子定向分離及由此形成的庫(kù)倫場(chǎng)；自然界中的過(guò)濾電場(chǎng)是其天然表現(xiàn)，包括裂隙電場(chǎng)、上升泉電場(chǎng)、山地電場(chǎng)、河流電場(chǎng)等。

圖1 基于雙電層模型的流動(dòng)電位形成原理 [20]Fig.1 Schematic diagram of streaming potential formation based on electric double layer model[20]

一般地，在排放區(qū)，即水流下游，顯示正電位；在補(bǔ)給區(qū)，即水流上游，顯示負(fù)電位(圖2及文獻(xiàn)[20]、圖3及文獻(xiàn)[21])；流動(dòng)電位常受液體壓力梯度控制且與液體壓差、流速成正相關(guān)，所以，在穩(wěn)態(tài)水巖耦合系統(tǒng)中，氧化還原電位、擴(kuò)散電位、流動(dòng)電位等共同控制自然電場(chǎng)的分布及演化；當(dāng)?shù)叵滤焖龠\(yùn)移時(shí)，受流速、壓差主導(dǎo)的流動(dòng)電位成為主控因子；而在滲水、涌水甚或潰水的過(guò)程中，滲流方式常從有壓流變?yōu)闊o(wú)壓流并伴隨流速、壓差的突變，受流動(dòng)電位控制的自然電場(chǎng)呈現(xiàn)非線性響應(yīng)且常表現(xiàn)為自然電位的大幅階躍式波動(dòng)。然而，力電成因(巖體變形及破裂成因)的自然電場(chǎng)異常也會(huì)表現(xiàn)為自然電位的非線性波動(dòng)，且這兩類(lèi)成因在滲流系統(tǒng)失穩(wěn)及災(zāi)變過(guò)程中往往伴生(圖4及文獻(xiàn)[17])；此外，與人工源地電場(chǎng)類(lèi)似，自然電場(chǎng)也受場(chǎng)源和介質(zhì)雙重控制，尤其在突水(或透水)過(guò)程中，自然電位的波動(dòng)信號(hào)是多種成因的綜合結(jié)果，須在成功揭示不同成因的自然電場(chǎng)演化機(jī)理及特征的基礎(chǔ)上才能實(shí)現(xiàn)其精細(xì)解析。

1.2 水巖耦合演化自然電場(chǎng)響應(yīng)機(jī)制辨析

圖2 法國(guó)Roujan盆地地下水流域自然電位與地形 [20]Fig.2 Composite map of self-potential and topography of groundwater basin in Roujan Basin，F(xiàn)rance[20]

不論穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)還是富含突變行為的復(fù)雜流場(chǎng)，水體的遷移都代表著自然電場(chǎng)場(chǎng)源的遷移，水巖空間耦合形態(tài)的演變意味著介質(zhì)的演變，所以，對(duì)同一觀測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)：

圖3 壩體滲漏自然電場(chǎng)分布形態(tài)[21]Fig.3 Distribution form of natural electric field of dam leakage[21]

(1)測(cè)點(diǎn)與場(chǎng)源的相對(duì)空間關(guān)系是動(dòng)態(tài)變化的，水流的遷移誘發(fā)正電荷富集區(qū)的遷移和負(fù)電荷富集區(qū)的演化，故一般地，在入滲、滲漏、管涌等非飽和滲流現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，在水流下游會(huì)監(jiān)測(cè)到自然電位信號(hào)的攀升現(xiàn)象(圖5及文獻(xiàn)[15])，其成因有：① 水巖耦合界面的擴(kuò)張?jiān)斐伤髑熬壐挥嗾姾傻脑黾佣鴮?dǎo)致自然電場(chǎng)強(qiáng)度的增大及自然電位的攀升；② 水流前緣與測(cè)點(diǎn)之間相對(duì)距離的縮減誘發(fā)該點(diǎn)的自然電場(chǎng)強(qiáng)度增大、電位攀升。同理，水流前緣與測(cè)點(diǎn)的相對(duì)遠(yuǎn)離則會(huì)導(dǎo)致自然電位下降，且補(bǔ)給區(qū)的擴(kuò)張也會(huì)加劇這種下降。實(shí)測(cè)工作表明，由水體遷移而誘發(fā)的自然電位升、降幅度不等(量級(jí)一般為10～10mV水平)且明顯受觀測(cè)系統(tǒng)與水流相對(duì)空間距離的影響。

(2)測(cè)區(qū)內(nèi)巖體變形、破壞及富水性的變化都會(huì)引起介質(zhì)各項(xiàng)異性的變化，此時(shí)自然電場(chǎng)響應(yīng)特征受場(chǎng)源與介質(zhì)雙重演變過(guò)程的控制。

(3)從測(cè)試的角度來(lái)看，測(cè)點(diǎn)過(guò)水會(huì)導(dǎo)致測(cè)量電極接地電阻的降低，也會(huì)對(duì)實(shí)測(cè)電位信號(hào)帶來(lái)擾動(dòng)。

圖4 采動(dòng)圍巖水滲流物理模擬實(shí)測(cè)自然電位特征[17] Fig.4 Self-potential signals of mining wall rock water seepagesimulation[17]

圖5 裂隙水滲流物理模擬實(shí)測(cè)自然電位曲線[15]Fig.5 Selt-potential time-varying line of fissure water seepage physical simulation[15]

總之，在水巖耦合演化過(guò)程中，測(cè)點(diǎn)在水流的上游還是下游、水流向測(cè)點(diǎn)靠近還是遠(yuǎn)離、水流是否流經(jīng)測(cè)點(diǎn)，這些都會(huì)影響自然電位的實(shí)測(cè)特征，但此三者的耦合機(jī)制尚未被厘清。此外，在采掘擾動(dòng)條件下，還須兼顧巖體變形破裂帶來(lái)的擾動(dòng)，它也會(huì)誘發(fā)自然電位的大幅階躍行為(可達(dá)上百mV水平)。

對(duì)巷道、隧道及采煤工作面圍巖水滲流監(jiān)測(cè)而言，地電場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)過(guò)水意味著巷道或隧道已具有出水危險(xiǎn)，故自然電位的過(guò)水響應(yīng)就是一種出水前兆；同時(shí)，鑒于該類(lèi)信號(hào)的出現(xiàn)象征著場(chǎng)源與介質(zhì)雙重演化的特殊過(guò)程，有必要從過(guò)水現(xiàn)象入手來(lái)厘清地下水非飽和滲流自然電位響應(yīng)的基本特征。為便于表達(dá)，將測(cè)點(diǎn)過(guò)水前后自然電位的異常響應(yīng)現(xiàn)象稱(chēng)為過(guò)水效應(yīng)。

2 地下水滲流自然電位過(guò)水效應(yīng)研究

2.1 均勻介質(zhì)滲流實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)

在深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室礦井水滲流模擬平臺(tái)上開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，如圖6(a)所示，滲流通道為圓筒型，亞克力材質(zhì)，外徑=15 cm，內(nèi)徑=10.4 cm，高=30 cm，上端入水，下端出水，腔體側(cè)面選用5個(gè)碳質(zhì)電極，間距5 cm，參比電極N在對(duì)側(cè)上部。將中細(xì)石英砂、黏土按體積比3∶2混合作為滲流介質(zhì)，供水速率2.5 mL/min，每1 min采集1組數(shù)據(jù)，共歷時(shí)120 min。如圖6(b)所示，測(cè)點(diǎn)D1～D4的自然電位信號(hào)具有共性：① 在水流靠近測(cè)點(diǎn)的過(guò)程中，自然電位持續(xù)攀升，該現(xiàn)象與前文1.2節(jié)的分析一致；② 在水流覆蓋測(cè)點(diǎn)時(shí)，自然電位出現(xiàn)陡降；③ 隨著水流路徑的擴(kuò)張，自然電位恢復(fù)攀升趨勢(shì)。當(dāng)水流自上而下逐次經(jīng)過(guò)D1～D4時(shí)，自然電位先后有序陡降，降幅都在300 mV以上。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，水流仍未能抵達(dá)D5，其自然電位也未見(jiàn)陡降行為。

圖6 均勻介質(zhì)滲流實(shí)驗(yàn)及自然電位曲線Fig.6 Homogeneous medium seepage experiment and the self-potential curves

2.2 裂隙滲流實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)

在煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的礦山覆巖采動(dòng)破壞大型相似材料模擬平臺(tái)上制作了2.5 m×0.2 m×2.0 m的模型，模擬材料以石英砂為主、水泥等為輔，模擬地層呈水平產(chǎn)狀。先模擬開(kāi)采煤層，使上覆巖層中產(chǎn)生采動(dòng)裂隙，再將模型放置48 h使其內(nèi)部應(yīng)力分布穩(wěn)定，然后開(kāi)展?jié)B流實(shí)驗(yàn)。模型外觀如圖7(a)所示，藍(lán)色虛線指示了實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)的入滲范圍，可見(jiàn)水流左右擴(kuò)張范圍大于向下滲透范圍，說(shuō)明縱向裂隙連通性較差而橫向裂隙對(duì)水流起主要導(dǎo)引作用。如圖7(b)所示，位于滲水區(qū)的D7，D8，D10的自然電位響應(yīng)特征具有共性：① 在水流靠近測(cè)點(diǎn)的過(guò)程中，自然電位持續(xù)攀升，該現(xiàn)象與前文1.2中的理論分析和2.1節(jié)中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一致；② 在水流緩慢覆蓋測(cè)點(diǎn)的過(guò)程中，自然電位出現(xiàn)陡降或近似陡降且降幅不一的現(xiàn)象，這與2.1節(jié)中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象類(lèi)似但也有差異，說(shuō)明滲流過(guò)程受介質(zhì)各向異性(此處為層狀介質(zhì)且裂隙發(fā)育不均)影響；③ 隨著滲水區(qū)繼續(xù)擴(kuò)張，自然電位在波動(dòng)中恢復(fù)攀升趨勢(shì)。此外，位于上游方向的D1自然電位呈下降形態(tài)，而位于下游方向的D11未發(fā)生過(guò)水，其自然電位也未出現(xiàn)大幅陡降而只是整體波動(dòng)緩升，這與2.1節(jié)中實(shí)驗(yàn)結(jié)論也一致。

圖7 裂隙滲流實(shí)驗(yàn)及自然電位曲線Fig.7 Fissure seepage experiment and the self-potential curves

統(tǒng)觀前述2項(xiàng)實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)及理論分析，可見(jiàn)水流前緣向測(cè)點(diǎn)靠近、經(jīng)過(guò)測(cè)點(diǎn)、而后遠(yuǎn)離的過(guò)程中，自然電位先上升、再陡降、后攀升，這是自然電場(chǎng)過(guò)水效應(yīng)的基本特征。

2.3 水巖耦合演化自然電場(chǎng)過(guò)水效應(yīng)成因分析

(1) 從“場(chǎng)”的分布及演化的角度來(lái)看：由地下水非飽和滲流構(gòu)建的自然電場(chǎng)場(chǎng)源不可被簡(jiǎn)單地視為點(diǎn)源、線源或面源，而是一種復(fù)雜的時(shí)變體源。一般地，由體源所構(gòu)建的電場(chǎng)的空間分布會(huì)呈分區(qū)特征，如帶電的球體、圓柱體等。由此不難理解，地下水非飽和滲流自然電場(chǎng)的空間分布也應(yīng)具有這種分區(qū)特征，其分區(qū)界面由與水流接觸的固體界面和水流的自由液面共同構(gòu)成，且其分區(qū)特征在遷移著的水流前緣附近表現(xiàn)得最明顯。

(2) 從信號(hào)測(cè)試的角度來(lái)看：測(cè)點(diǎn)過(guò)水造成測(cè)量電極接地電阻的降低，接地電阻上的分壓亦隨之降低，由此造成實(shí)測(cè)電位信號(hào)的降低。即，由于動(dòng)電成因的自然電場(chǎng)場(chǎng)源的本質(zhì)是一種密度電流源，故可認(rèn)為在測(cè)點(diǎn)過(guò)水前后，其附近的自然電流密度基本保持不變，那么由歐姆定理顯然可知，接地電阻降低會(huì)引發(fā)測(cè)試電位降低，進(jìn)而造成測(cè)試信號(hào)幅值的下降，其下降速率與接地電阻的降低速率相關(guān)。

(3)綜合前文2.1節(jié)和2.2節(jié)中實(shí)測(cè)電位信號(hào)特征來(lái)看，自然電場(chǎng)的分區(qū)特征會(huì)影響實(shí)測(cè)自然電位信號(hào)的變化趨勢(shì)，但并不必然造成其降幅如此之大，而測(cè)點(diǎn)過(guò)水卻可能導(dǎo)致接地電阻降低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)實(shí)測(cè)電位信號(hào)所帶來(lái)的擾動(dòng)更強(qiáng)。這一推論可由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)佐證：在破碎巖體滲流模擬實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)(見(jiàn)文獻(xiàn)[5]第75頁(yè))中發(fā)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)過(guò)水事件發(fā)生過(guò)一次、接地電阻已降低之后，自然電位響應(yīng)特征主要受水力條件控制而不再呈現(xiàn)過(guò)水效應(yīng)特征。

3 水巖耦合演化自然電場(chǎng)響應(yīng)原位實(shí)測(cè)研究

在安徽淮北某礦開(kāi)展了煤層頂板覆巖水滲流地電場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)工作，采用鉆探與注漿技術(shù)將觀測(cè)系統(tǒng)安裝于監(jiān)測(cè)鉆孔中，孔長(zhǎng)115 m，仰角27.3°，偏角11°(偏向面內(nèi))，銅質(zhì)電極32個(gè)(即測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為D1～D32)，極距3 m，實(shí)驗(yàn)為期23 d，公共比較極N安裝于孔口附近；同時(shí)進(jìn)行了直流電阻率法的動(dòng)態(tài)勘探工作，其公共供電負(fù)極B安裝于600 m外的巷道中。選取每天上午8:00的自然電位數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析，保證數(shù)據(jù)采集的背景場(chǎng)基本一致且人文噪聲較少。分別給出自然電位時(shí)變曲線和直流電阻率動(dòng)態(tài)勘探成果圖，如圖8，9所示：可見(jiàn)在同一觀測(cè)系統(tǒng)下自然電位整體上升且視電阻率以低阻區(qū)演化為主，由此可判定測(cè)區(qū)內(nèi)的自然電場(chǎng)主要受地下水滲流場(chǎng)的控制而裂隙場(chǎng)的擾動(dòng)相對(duì)較弱。

圖8 煤層頂板水滲流原位實(shí)測(cè)自然電位曲線Fig.8 In-situ measured self-potential curves of coal roof water seepage

基于前文理論和實(shí)測(cè)研究結(jié)論，按照部分測(cè)點(diǎn)自然電位時(shí)序波動(dòng)信號(hào)出現(xiàn)相位差異(相對(duì)其他測(cè)點(diǎn)而言)且呈負(fù)向跳變的原則，發(fā)現(xiàn)32個(gè)電極中具有潛在過(guò)水特征的測(cè)點(diǎn)共有4個(gè)，如圖8所示，這4個(gè)測(cè)點(diǎn)(D9，D13，D14，D29)的時(shí)序信號(hào)指示了3個(gè)潛在過(guò)水事件的發(fā)生：事件①于6月2日在測(cè)點(diǎn)D9處發(fā)生，事件②于6月6日在測(cè)點(diǎn)D13和D4處發(fā)生，事件③于6月22日在測(cè)點(diǎn)D29處發(fā)生。在圖9中，這4個(gè)測(cè)點(diǎn)處都發(fā)生了低阻(0～30 Ω·m)演化行為，結(jié)合出水量信息可判定它們都位于滲流演化區(qū)且過(guò)水事件①,②,③的發(fā)生指示著滲流路徑及滲流范圍的擴(kuò)張；同時(shí)，觀察低阻區(qū)的整體演化規(guī)律，可認(rèn)為早在6月2日測(cè)區(qū)內(nèi)就已存在水體運(yùn)移行為，且測(cè)點(diǎn)D10～D12已先期過(guò)水故而其自然電位未表現(xiàn)出過(guò)水效應(yīng)特征；此外，位于高阻演化區(qū)的測(cè)點(diǎn)也未顯示出自然電位的明顯差異，說(shuō)明在本實(shí)驗(yàn)中，巖體破壞導(dǎo)致的自然電場(chǎng)異常與過(guò)水效應(yīng)不同，其強(qiáng)度更弱或受抑制。

由此可見(jiàn)：基于自然電場(chǎng)法與直流電阻率法的耦合探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)和前述對(duì)自然電位過(guò)水效應(yīng)的新認(rèn)識(shí)，可實(shí)現(xiàn)觀測(cè)系統(tǒng)過(guò)水事件的有效判識(shí)；然后再對(duì)自然電位與直流電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行耦合分析，可實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)水通道及富水區(qū)演化特征的精細(xì)解釋和對(duì)滲流演化趨勢(shì)的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。這可為圍巖出水趨勢(shì)超前預(yù)測(cè)方法提供理論補(bǔ)充，并實(shí)現(xiàn)不同成因的自然電場(chǎng)響應(yīng)特征及其耦合機(jī)制的完整揭示。

4 水巖耦合演化自然電場(chǎng)近源效應(yīng)的內(nèi)涵、科學(xué)意義及臨災(zāi)前兆識(shí)別

4.1 內(nèi) 涵

綜合前文分析，在水巖耦合系統(tǒng)中，對(duì)裂隙巖體滲流、破碎巖體滲流等非飽和滲流誘發(fā)的自然電場(chǎng)而言，有以下認(rèn)識(shí)：① 隨著水巖耦合界面的擴(kuò)張，水流中富余離子(正電荷)增多，庫(kù)倫場(chǎng)強(qiáng)隨之增大，造成實(shí)測(cè)自然電位信號(hào)的攀升；② 實(shí)測(cè)自然電位的時(shí)序信號(hào)特征受觀測(cè)系統(tǒng)與水流的相對(duì)空間關(guān)系所控制，水流向測(cè)點(diǎn)靠近誘發(fā)自然電位信號(hào)變強(qiáng)、造成其幅值增大，水流與測(cè)點(diǎn)背離則導(dǎo)致自然電位信號(hào)變?nèi)?、造成其幅值下降；?水流離觀測(cè)系統(tǒng)較近時(shí)，可能會(huì)有部分測(cè)點(diǎn)過(guò)水并主要因接地電阻的改變而導(dǎo)致自然電位過(guò)水效應(yīng)的發(fā)生，它指示著測(cè)區(qū)內(nèi)導(dǎo)水路徑的擴(kuò)張或滲流范圍的擴(kuò)大，可視為一種圍巖出水前兆；④ 過(guò)水效應(yīng)發(fā)生與否，自然電位的響應(yīng)規(guī)律有顯著差異，這可為自然電場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的正確解讀提供支撐。

故此，把在自然電場(chǎng)全空間監(jiān)測(cè)工作中出現(xiàn)的、水流充分接近(含覆蓋)測(cè)點(diǎn)的全過(guò)程中誘發(fā)的自然電場(chǎng)異常響應(yīng)定義為一種近源效應(yīng)，它主要由自然電場(chǎng)的動(dòng)電成因(流動(dòng)電位成因)所致且與水巖耦合演化、尤其是過(guò)水區(qū)的演化密切相關(guān)。其主要特征為：① 當(dāng)測(cè)點(diǎn)不存在過(guò)水事件時(shí)，自然電位隨水流向測(cè)點(diǎn)的靠近而攀升、隨水流與測(cè)點(diǎn)的遠(yuǎn)離而下降，整體呈現(xiàn)先上升、后下降的形態(tài)；② 當(dāng)測(cè)點(diǎn)存在過(guò)水事件時(shí)，自然電位隨水流向測(cè)點(diǎn)的靠近而攀升、隨水流覆蓋測(cè)點(diǎn)而出現(xiàn)相位突變(相較其他測(cè)點(diǎn)而言)和負(fù)向跳變、隨水流與測(cè)點(diǎn)的遠(yuǎn)離而恢復(fù)攀升形態(tài)、而后隨水流充分遠(yuǎn)離而下降并最終趨于平穩(wěn)(直到隨水力條件改變而再次改變)；③ 因裂隙發(fā)育及水巖耦合演化具有各向異性，同一條測(cè)線上往往只有部分測(cè)點(diǎn)會(huì)發(fā)生過(guò)水事件并出現(xiàn)自然電位的過(guò)水效應(yīng)，且這部分測(cè)點(diǎn)常位于視電阻率(或電阻率)低阻演化區(qū)。

4.2 科學(xué)意義

科學(xué)揭示自然電場(chǎng)近源效應(yīng)及其內(nèi)涵，可完整認(rèn)識(shí)在全空間自然電場(chǎng)監(jiān)測(cè)場(chǎng)景下、以流動(dòng)電位為主控因素的自然電場(chǎng)響應(yīng)機(jī)理并獲取其主要特征，同時(shí)具有以下科學(xué)意義：① 便于研究復(fù)雜成因的自然電場(chǎng)實(shí)測(cè)信號(hào)處理、數(shù)據(jù)解析及資料解釋方法，便于揭示水巖耦合系統(tǒng)中自然電場(chǎng)的形成機(jī)理及多種成因的耦合機(jī)制；② 便于研究全空間地電場(chǎng)三場(chǎng)并行探測(cè)、耦合解析與特征融合方法，推動(dòng)地電場(chǎng)4D精準(zhǔn)探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)的形成；③ 便于研究水巖耦合系統(tǒng)演化狀態(tài)精細(xì)探測(cè)方法、災(zāi)變前兆信息的捕捉及致災(zāi)因子的判識(shí)方法等，為地下水滲流演化監(jiān)測(cè)和地下工程突水(或透水)災(zāi)害的短臨預(yù)警提供理論依據(jù)。

圖9 煤層頂板水滲流原位實(shí)測(cè)視電阻率時(shí)移剖面Fig.9 In-situ measured apparent resistivity time-lapse profile of water seepage in coal roof

4.3 臨災(zāi)前兆及識(shí)別

(1)同一觀測(cè)系統(tǒng)下自然電位信號(hào)的連續(xù)、大幅上升，是水流靠近測(cè)區(qū)的標(biāo)志，如該現(xiàn)象發(fā)生在圍巖中的斷層、裂隙帶、破碎帶、陷落柱范圍內(nèi)，尤其存在采掘擾動(dòng)因素時(shí)，則往往指示著滲水、涌水甚至潰水的可能；在實(shí)際工程中，可由直流電阻率法、激電法、瞬變電磁法等對(duì)富水性的動(dòng)態(tài)檢測(cè)成果予以輔證或檢驗(yàn)，尤其是電阻率或視電阻率低阻區(qū)的演化最具佐證價(jià)值。

(2)觀測(cè)系統(tǒng)過(guò)水事件本身可被視為一種短臨災(zāi)變前兆。一般地，在隧道、巷道圍巖水滲流監(jiān)測(cè)場(chǎng)景下，觀測(cè)系統(tǒng)的安裝位置距隧道、巷道空間很近(多在200 m范圍內(nèi))，如測(cè)線上有個(gè)別甚或多個(gè)測(cè)點(diǎn)過(guò)水，則意味著水流已經(jīng)靠近隧道、巷道空間，需要發(fā)出預(yù)警，并對(duì)電阻率、極化率、水文觀測(cè)數(shù)據(jù)等資料進(jìn)行耦合分析，以對(duì)滲流場(chǎng)的演變趨勢(shì)進(jìn)行精細(xì)分析、超前預(yù)測(cè)，并在必要時(shí)進(jìn)行注漿治理或啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案。

(3)對(duì)過(guò)水效應(yīng)的準(zhǔn)確識(shí)別需基于自然電場(chǎng)法與直流電阻率法的并行探測(cè)與耦合解析來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也可由激電法、瞬變電磁法等的探測(cè)成果予以輔證。在同一觀測(cè)系統(tǒng)下，若部分測(cè)點(diǎn)的自然電位曲線出現(xiàn)相位突變和負(fù)向跳變，同時(shí)這些測(cè)點(diǎn)又在視電阻率(電阻率)低阻演化區(qū)，則可判斷該測(cè)點(diǎn)發(fā)生了過(guò)水，需予以重視。

(4)電阻率以低阻區(qū)演化為主、自然電位時(shí)序信號(hào)整體以攀升為主的特征是判定測(cè)區(qū)內(nèi)自然電場(chǎng)主要受滲流場(chǎng)控制的依據(jù)，這與受裂隙場(chǎng)演化主導(dǎo)的自然電位時(shí)序信號(hào)整體以富含階躍的下降形態(tài)為主且電阻率以高阻區(qū)演化為主的規(guī)律有明顯差別；故協(xié)同分析電阻率的演化行為和自然電位時(shí)序信號(hào)的整體演化趨勢(shì)，是判識(shí)自然電場(chǎng)異常成因及潛在災(zāi)害類(lèi)型的重要途徑。

5 結(jié) 論

(1)在全空間地電場(chǎng)探測(cè)方法中，自然電場(chǎng)可指示水體流向且對(duì)滲流演化行為的時(shí)域響應(yīng)更超前,將其與激勵(lì)電場(chǎng)、感應(yīng)電場(chǎng)對(duì)物性的空間表征能力相結(jié)合，可提升探測(cè)的時(shí)空精度、獲取水巖耦合演化監(jiān)測(cè)及臨災(zāi)預(yù)警的新突破；但須在成功揭示不同成因的自然電場(chǎng)演化機(jī)理及特征的基礎(chǔ)上才能實(shí)現(xiàn)其精細(xì)解析及定量探測(cè)。

(2)在裂隙巖體滲流、破碎巖體滲流等非飽和滲流及突變過(guò)程中，鑒于自然電場(chǎng)受流動(dòng)電位控制且與水巖耦合演化、尤其是過(guò)水區(qū)的演化密切相關(guān)，故把在自然電場(chǎng)全空間監(jiān)測(cè)工作中出現(xiàn)的、水流充分接近測(cè)點(diǎn)(含覆蓋)時(shí)誘發(fā)的自然電場(chǎng)異常響應(yīng)定義為一種近源效應(yīng)，其主要特征為：① 不存在過(guò)水事件時(shí)，自然電位隨水流向測(cè)點(diǎn)的靠近而攀升、隨水流與測(cè)點(diǎn)的遠(yuǎn)離而下降；② 存在過(guò)水事件時(shí)，自然電位隨水流向測(cè)點(diǎn)的靠近而攀升、隨水流覆蓋測(cè)點(diǎn)而出現(xiàn)相位突變和負(fù)向跳變、而后恢復(fù)攀升趨勢(shì)但最終隨著水流與測(cè)點(diǎn)的遠(yuǎn)離而再次下降并趨于平穩(wěn)；③ 因裂隙發(fā)育及水巖耦合演化具有各向異性，同一條測(cè)線上往往只有部分測(cè)點(diǎn)會(huì)發(fā)生過(guò)水事件，這可根據(jù)自然電位的相位突變、負(fù)向跳變及視電阻率(或電阻率)低阻演化特征等綜合響應(yīng)特征予以識(shí)別。

(3)利用自然電場(chǎng)法與直流電阻率法的并行探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)地下水滲流狀態(tài)及觀測(cè)系統(tǒng)過(guò)水事件的有效判識(shí)；基于此，再對(duì)自然電位與直流電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行耦合分析，可實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)水通道及富水區(qū)演化特征的精細(xì)解釋和對(duì)水巖耦合演化趨勢(shì)的超前預(yù)測(cè)。

(4)在實(shí)際工程中，同一觀測(cè)系統(tǒng)下自然電位信號(hào)的連續(xù)、大幅上升，是水流靠近測(cè)區(qū)的標(biāo)志，可聯(lián)合直流電阻率法、激電法、瞬變電磁法等的動(dòng)態(tài)檢測(cè)成果予以綜合判識(shí)；自然電位過(guò)水效應(yīng)是一種短臨災(zāi)變前兆，對(duì)其準(zhǔn)確識(shí)別需基于自然電場(chǎng)法與直流電阻率法的并行探測(cè)與耦合解析來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可由其他探測(cè)資料予以輔證。