采掘擾動(dòng)巖體破壞自然電場(chǎng)近源效應(yīng)

劉 靜，劉盛東，劉志新，楊 彩

(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.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)(感知礦山)研究中心，江蘇 徐州 221008)

“雙碳”背景下，在煤炭精準(zhǔn)、智能、無(wú)人開(kāi)采技術(shù)體系的建構(gòu)中，針對(duì)重大災(zāi)害防控的時(shí)空四維探測(cè)的本質(zhì)是全空間多相介質(zhì)耦合系統(tǒng)非線性行為特征的捕捉及預(yù)判，這也是應(yīng)用地球物理領(lǐng)域的重大難題。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，以震、電、磁三大類方法為主的我國(guó)礦井地球物理勘探技術(shù)體系得以構(gòu)建；其中，綜合考慮場(chǎng)源、信號(hào)穩(wěn)定性、施工空間、勘探周期、數(shù)據(jù)處理及信息含量等因素，在全空間動(dòng)態(tài)勘探及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方面，礦井地電場(chǎng)法具有激勵(lì)便捷、信號(hào)穩(wěn)定、施工空間靈活(巷、孔皆可)、勘探周期短、數(shù)據(jù)計(jì)算量相對(duì)較低、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)信息)的特征，有望在4D探測(cè)方面實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性突破，但其瓶頸在于自然電場(chǎng)(0次場(chǎng)，以自然電位法為代表，即SP法)、激勵(lì)電場(chǎng)(1次場(chǎng)，以直流電阻率法為代表，即DC法)、感應(yīng)電場(chǎng)(2次場(chǎng)，以激電法為代表，即IP法)三場(chǎng)信息的耦合解析。另一方面，由于生產(chǎn)環(huán)境中的巖石受力遵循實(shí)際開(kāi)采或開(kāi)挖的應(yīng)力空間變化路徑而非單調(diào)加載路徑，故必須強(qiáng)調(diào)工程擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程及構(gòu)造應(yīng)力的影響等；同時(shí)，隨著國(guó)家煤炭資源整合政策繼續(xù)推進(jìn)，對(duì)典型整合煤礦而言，多煤層異步開(kāi)采、圍巖重復(fù)擾動(dòng)破壞的客觀情況加劇了災(zāi)害防控的難度，制約著智能開(kāi)采技術(shù)模式的推廣；此外，在多煤層開(kāi)采重復(fù)擾動(dòng)圍巖破壞過(guò)程中，破裂源的時(shí)空演化異常復(fù)雜，制約著微震與電磁輻射的探測(cè)精度，對(duì)多相介質(zhì)耦合演化的探測(cè)來(lái)說(shuō)更甚，類似問(wèn)題也見(jiàn)于地鐵、隧道等工程中?；?0余年的研究發(fā)現(xiàn)，立足于將自然電場(chǎng)、激勵(lì)電場(chǎng)、感應(yīng)電場(chǎng)的觀測(cè)與解析并行完成的理念，將自然電場(chǎng)對(duì)具體巖體動(dòng)力過(guò)程(巖體破壞、地下水滲流、流固耦合系統(tǒng)災(zāi)變等)的時(shí)域超前感應(yīng)能力與直流電阻率法、激發(fā)極化法對(duì)物性的空間表征能力相結(jié)合，或基于震、電并行探測(cè)理念與關(guān)鍵技術(shù)，使之與微震、聲發(fā)射對(duì)破裂源的空間定位能力相結(jié)合，則有望獲取圍巖破壞、流固耦合系統(tǒng)的時(shí)空4D探測(cè)及災(zāi)變預(yù)警的新突破，但前提是必須厘清自然電場(chǎng)對(duì)不同巖體動(dòng)力過(guò)程的超前感應(yīng)機(jī)理及響應(yīng)特征。

目前，在巖體破壞方面，針對(duì)小尺度巖樣破壞的實(shí)測(cè)研究成果頗豐，對(duì)巖樣加載過(guò)程中的自然電場(chǎng)響應(yīng)特征及其與應(yīng)力場(chǎng)的耦合機(jī)制有了一定認(rèn)識(shí)，但這些理論要擴(kuò)展到受采掘擾動(dòng)的、富含復(fù)雜結(jié)構(gòu)面的大尺度工程巖體變形破壞的研究中，就必須克服跨尺度研究的困難。為此，筆者將礦山巖體力學(xué)領(lǐng)域的相似材料模擬手段引入到自然電場(chǎng)形成機(jī)理與演變特征的研究中，開(kāi)展了室內(nèi)實(shí)測(cè)研究和原位實(shí)測(cè)研究，在分析采掘擾動(dòng)巖體破壞誘發(fā)的自然電場(chǎng)異常特征時(shí)，發(fā)現(xiàn)自然電場(chǎng)在近破裂區(qū)的響應(yīng)規(guī)律與遠(yuǎn)破裂區(qū)存在明顯差異，而前者對(duì)臨災(zāi)預(yù)警的價(jià)值尤為突出卻缺乏專門論述，這從根本上制約了自電位(Self-potential，多見(jiàn)于地震領(lǐng)域)、自然電位(Self-potential或Spontaneous potential，多見(jiàn)于水文物探領(lǐng)域)、表面電位(Surface potential)、感應(yīng)電荷(Induction charge)等諸多研究成果的耦合分析和自然電場(chǎng)反演成像的實(shí)質(zhì)性突破。

以煤系地層中典型的砂巖擾動(dòng)破壞為研究對(duì)象，基于對(duì)巖體破壞自然電場(chǎng)異常成因的分析和對(duì)巖樣破壞、物理模擬與原位巖體破壞3類實(shí)測(cè)成果的系統(tǒng)論述，提出并闡述采掘擾動(dòng)巖體破壞自然電場(chǎng)響應(yīng)過(guò)程中的近源效應(yīng)的內(nèi)涵、科學(xué)意義與關(guān)鍵問(wèn)題，以期擴(kuò)充全空間地電場(chǎng)探測(cè)及礦山、隧道、地鐵等地下工程領(lǐng)域重大災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的理論基礎(chǔ)，對(duì)短臨地震異常、井下地震監(jiān)測(cè)等的研究也可提供參考。

如非特別交代，后文皆以自然電位這一參量來(lái)表征自然電場(chǎng)特征以便對(duì)接地電場(chǎng)三場(chǎng)的內(nèi)涵，并以其英文縮寫(xiě)的正體格式“SP”來(lái)指代。

1 巖體破壞自然電場(chǎng)異常成因與基本特征

巖體破壞過(guò)程中的電磁異常包括2種基本過(guò)程：一是巖體變形與破裂引發(fā)電荷集散與流動(dòng)而形成自然電場(chǎng)異常；二是巖體破裂時(shí)因發(fā)射高速電荷、斷裂表面電荷振蕩及電偶極子輻射等引發(fā)電磁輻射。研究表明，自然電場(chǎng)對(duì)受載巖體(含煤巖)的變形、破裂都有明顯響應(yīng)，其發(fā)生時(shí)間超前于電磁輻射、聲光發(fā)射等相對(duì)高頻信號(hào)，且對(duì)小尺度巖樣和大規(guī)模巖體的斷裂或斷層發(fā)生位置具有指示作用。

1.1 巖體破壞自然電場(chǎng)異常成因

巖土體中的自然電場(chǎng)成因極其復(fù)雜，主要可概括為2類：一類是指巖土體多相耦合系統(tǒng)中的自然極化效應(yīng)，包括電子導(dǎo)體的自然極化(氧化還原電場(chǎng))和離子導(dǎo)體的自然極化(過(guò)濾電場(chǎng)、流動(dòng)電場(chǎng)、擴(kuò)散-吸附電場(chǎng)等)；另一類是指固相巖土體內(nèi)部發(fā)生的力電效應(yīng)或熱電效應(yīng)，包括壓電效應(yīng)、摩擦起電、裂隙尖端放電、位錯(cuò)滑移生電及三大熱電效應(yīng)的湯姆孫效應(yīng)(Thomson effect)、塞貝克效應(yīng)(Seebeck effect)、帕爾帖效應(yīng)(Peltier effect)等。其中，在富有高應(yīng)力儲(chǔ)能的巖體(或巖石)破壞時(shí)，其變形與破裂都會(huì)引發(fā)自然電場(chǎng)異常，但后者(達(dá)幾十甚至上千毫瓦)明顯強(qiáng)于前者(達(dá)幾個(gè)至幾十毫瓦)，此時(shí)破裂源是自然電場(chǎng)異常的主控因素。從微觀和宏觀2種視角分別闡述如下：

(1)微觀角度。巖體(或巖石)變形過(guò)程中，發(fā)生應(yīng)力儲(chǔ)能耗散，導(dǎo)致其內(nèi)部微缺陷從無(wú)序向有序發(fā)展并形成微裂隙、微裂隙群，在此過(guò)程中發(fā)生自由電荷的富集和帶電位錯(cuò)的激發(fā)，出現(xiàn)局部電流，導(dǎo)致SP異常信號(hào)產(chǎn)生；微裂隙的自組織行為誘發(fā)新裂隙，其尖端附近的界面呈現(xiàn)高度激發(fā)狀態(tài)，導(dǎo)致低能的電子、光子、無(wú)線電波等發(fā)射，此時(shí)可測(cè)到SP脈沖信號(hào)；擴(kuò)展著的裂隙尖端釋放更多自由電荷，且形成的強(qiáng)電場(chǎng)可將電子加速到高能水平，導(dǎo)致劇烈的電子發(fā)射，由此，裂隙尖端附近發(fā)生電性及電荷密度的突變，導(dǎo)致強(qiáng)烈的SP脈沖或脈沖群信號(hào)產(chǎn)生；電子發(fā)射完成后，這些突現(xiàn)的電荷沿導(dǎo)電通道釋放，SP信號(hào)隨之衰減。當(dāng)然，在實(shí)際巖石或巖體破壞時(shí)，上述過(guò)程往往交織并存。

(2)宏觀角度。巖石應(yīng)力儲(chǔ)能的釋放是導(dǎo)致震、光、電、熱等物理異常的根源，應(yīng)力儲(chǔ)能向電能的漸進(jìn)性(變形、儲(chǔ)能耗散期)或突發(fā)性(破裂、儲(chǔ)能釋放期)轉(zhuǎn)化導(dǎo)致了自然電場(chǎng)的演化及突變；換言之，因巖石破壞是從局部耗散到局部破壞并最終到整體災(zāi)變的過(guò)程，這從根本上決定了自然電場(chǎng)的時(shí)空演變是一種富含突變因子的復(fù)雜行為，不論采掘擾動(dòng)誘發(fā)的原位巖體破壞還是室內(nèi)加載導(dǎo)致的巖樣破壞，實(shí)測(cè)SP信號(hào)都會(huì)表現(xiàn)出非線性特征及局部集中特征?？傊蓭r體(或巖石)破壞所誘發(fā)的自然電場(chǎng)不是穩(wěn)態(tài)電場(chǎng)，而是一種非線性的時(shí)變電場(chǎng)，應(yīng)力場(chǎng)尤其是破裂源的時(shí)空演變主導(dǎo)其宏觀特征。而人工建立的激勵(lì)電場(chǎng)及同時(shí)由介質(zhì)屬性所控制的感應(yīng)電場(chǎng)，其分布及演化往往被視為可控的、線性的；于是，與主動(dòng)源地電場(chǎng)探測(cè)方法中由“源”得“場(chǎng)”再反推介質(zhì)特征的思路不同，如何由“場(chǎng)”索“源”始終是自然電場(chǎng)法必須要解決的關(guān)鍵問(wèn)題，這也是造成全空間自然電場(chǎng)4D探測(cè)方法難以構(gòu)建的根本原因，故需予以系統(tǒng)研究。

此外，值得深思的是：不同于單調(diào)加載導(dǎo)致的巖樣破壞，由于采掘擾動(dòng)往往是持續(xù)且規(guī)律的，巖體破壞具有特定時(shí)空規(guī)律(在煤炭綜采中常表現(xiàn)為頂板“上三帶”、底板“下三帶”、頂板來(lái)壓周期及步距等規(guī)律性現(xiàn)象)，而受應(yīng)力場(chǎng)尤其是破裂源所主導(dǎo)的自然電場(chǎng)亦當(dāng)如此，這在實(shí)驗(yàn)研究及工程實(shí)踐中已得到證實(shí)且表明了自然電場(chǎng)法可用于圍巖破壞監(jiān)測(cè)、破壞帶范圍動(dòng)態(tài)檢測(cè)、煤巖動(dòng)力災(zāi)害預(yù)警等，但其理論基礎(chǔ)仍不盡完善。如前文所述：對(duì)不同開(kāi)采形式及重復(fù)采掘擾動(dòng)誘發(fā)的自然電場(chǎng)響應(yīng)機(jī)理與特征有何異同？下文結(jié)合實(shí)測(cè)成果予以探析。

1.2 巖樣加載破壞自然電場(chǎng)異常響應(yīng)實(shí)測(cè)特征

巖樣(或煤樣)荷載實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)表明，自然電場(chǎng)異常發(fā)生于巖樣(或煤樣)變形破裂全過(guò)程中，且電位的突變幅度與載荷突變幅度密切相關(guān)(此處系指對(duì)自然電位、自電位、表面電位、感應(yīng)電位4種參數(shù)的研究)。單軸加載砂巖巖樣破裂實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(圖1)表明砂巖巖樣破裂階段自然電位波動(dòng)幅度(幾十至上百毫伏)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于形變階段(幾個(gè)毫伏)，該結(jié)論由聲發(fā)射數(shù)據(jù)和視電阻率數(shù)據(jù)給予了輔證，這與花崗巖巖樣破壞實(shí)測(cè)結(jié)論具有共性，而實(shí)測(cè)表面電位特征(圖2)亦類似；同時(shí)，預(yù)制裂紋巖樣破壞實(shí)驗(yàn)表明，擴(kuò)展裂紋的尖端和新形成的裂紋壁面是產(chǎn)生自由電荷的主要位置，其信號(hào)強(qiáng)度在裂紋尖端近處較高、遠(yuǎn)處較低且裂紋兩側(cè)電位極性不同；其他類似實(shí)驗(yàn)也同樣證明了電位波動(dòng)幅度與距離主破裂的位置有關(guān)，而在巖樣拉伸破壞過(guò)程中感應(yīng)電荷亦呈現(xiàn)類似特征；此外，不同巖性的巖樣加載實(shí)驗(yàn)都在巖樣破壞時(shí)捕捉到了電位的大幅陡降特征(此處系指對(duì)自然電位、自電位、表面電位、感應(yīng)電位4種參數(shù)的研究)，這對(duì)巖石損傷及失穩(wěn)的超前判識(shí)具有重要意義。上述現(xiàn)象共同證實(shí)自然電場(chǎng)的異常響應(yīng)特征與破裂源的時(shí)空演化路徑密切相關(guān)，但囿于巖樣尺度較小、可安裝的電極數(shù)量有限而難以充分認(rèn)識(shí)該問(wèn)題，即：相對(duì)觀測(cè)對(duì)象(巖樣破裂行為)而言，觀測(cè)系統(tǒng)過(guò)于簡(jiǎn)約，即觀測(cè)系統(tǒng)、巖樣、電極距都在厘米級(jí)而破裂尺度在次一級(jí)或更小，故由少量電極對(duì)所測(cè)量的電位差不能充分表征巖樣中自然電場(chǎng)的時(shí)空演化機(jī)制，而且?guī)r樣破壞是單向的、不可重復(fù)的(卸壓即結(jié)束)，這與原位巖體破壞的持續(xù)性及采掘擾動(dòng)的重復(fù)性有差異，所以必須借助物理模擬和原位實(shí)測(cè)手段來(lái)提升研究尺度，以探究實(shí)際采掘擾動(dòng)過(guò)程中的力-電耦合機(jī)制。

圖1 砂巖試樣破裂實(shí)測(cè)自然電位曲線[14]

圖2 砂巖試樣破壞實(shí)測(cè)表面電位曲線[41]

2 采掘擾動(dòng)巖體破壞自然電場(chǎng)異常響應(yīng)實(shí)測(cè)特征

采掘?qū)r體的擾動(dòng)破壞可分為2類：一是對(duì)原狀巖體帶來(lái)破壞，造成新裂隙發(fā)育及破斷；二是對(duì)已遭破壞的巖體帶來(lái)二次或多次擾動(dòng)破壞，使舊裂隙擴(kuò)張或閉合、新裂隙發(fā)育及破斷。為研究這2類破壞現(xiàn)象，依托于煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室大型相似材料平面應(yīng)變模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖3所示，先后完成了3類煤層開(kāi)采模擬實(shí)驗(yàn)：① 房柱式開(kāi)采，即先采煤層Ⅳ，觀測(cè)煤層覆巖弱變形時(shí)的SP特征；② 下覆煤層綜采，即再采煤層Ⅴ，觀測(cè)巖體變形且破裂時(shí)的SP特征；③ 上覆煤層綜采，即后采煤層Ⅲ，觀測(cè)巖體在二次擾動(dòng)破壞過(guò)程中的SP特征。

2.1 相似材料模擬實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)況

制作了2.5 m×0.2 m×1.5 m的物理模型，模擬煤系地層近似水平產(chǎn)狀，模擬地應(yīng)力20 MPa，幾何相似比100∶1，容重比1.4∶1，應(yīng)力比140∶1。如圖3所示，SP測(cè)點(diǎn)布置為陣列式(4行6列炭質(zhì)電極)以便捕捉SP異常信號(hào)與破裂源的時(shí)空對(duì)應(yīng)關(guān)系，公共參比電極N置于模型右下角不受開(kāi)采擾動(dòng)的位置。用并行電法儀完成SP信號(hào)測(cè)試，平均每1 min一組；采用定點(diǎn)攝影法記錄模型破壞過(guò)程；為便于控制，模擬綜采速度為每30 min采1次(進(jìn)尺5 cm)。宏觀現(xiàn)象如下：① 如圖3(a)所示，在房柱式開(kāi)采模擬實(shí)驗(yàn)中，SP觀測(cè)系統(tǒng)由測(cè)點(diǎn)A1～A24構(gòu)成，先后進(jìn)行了20次模擬采動(dòng)，每隔5 min采1次，期間模型形變較弱，沒(méi)有肉眼可見(jiàn)的宏觀裂隙產(chǎn)生；② 如圖3(b)所示，在下伏煤層開(kāi)采模擬實(shí)驗(yàn)中，SP觀測(cè)系統(tǒng)由B1～B24構(gòu)成，先后進(jìn)行了3次采動(dòng)，造成縱向裂隙的發(fā)育(紅色虛線所指)、橫向裂隙擴(kuò)張與閉合(藍(lán)色虛線所指)；③ 如圖3(c)所示，在上覆煤層開(kāi)采模擬實(shí)驗(yàn)中，SP觀測(cè)系統(tǒng)由C1～C24構(gòu)成，先后進(jìn)行了6次采動(dòng)，其中：第3次采動(dòng)后，煤層直接頂彎曲變形、伴有橫向裂隙發(fā)育；第5次采動(dòng)后，直接頂破斷、垮落，同時(shí)上部覆巖彎曲下沉，部分新的橫向與縱向裂隙發(fā)育；第6次采動(dòng)后，縱向裂隙完成自下而上的發(fā)育，部分橫向裂隙在下沉中閉合。

圖3 相似材料模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯庥^及觀測(cè)系統(tǒng)布置

2.2 相似材料模擬實(shí)測(cè)SP異常特征分析

為便于分析，將所有SP數(shù)據(jù)減去初始背景值后作出SP時(shí)變曲線：① 如圖4(a)所示，在房柱式開(kāi)采模擬實(shí)驗(yàn)中，SP在-100～100 mV內(nèi)波動(dòng)，整體未出現(xiàn)大幅升降，可見(jiàn)由房柱式開(kāi)采誘發(fā)的次生應(yīng)力場(chǎng)演化過(guò)程以能量耗散為主、未發(fā)生大規(guī)模的能量釋放，微裂隙的產(chǎn)生、發(fā)展及局部應(yīng)力集中會(huì)引起SP的波動(dòng)，但整體升降趨勢(shì)不明顯；② 如圖4(b)所示，下伏煤層開(kāi)采模擬實(shí)驗(yàn)中，SP在-200～0 mV內(nèi)整體波動(dòng)下降，個(gè)別測(cè)點(diǎn)(B10，B21，B23)波動(dòng)節(jié)奏與其他測(cè)點(diǎn)不同且出現(xiàn)幅度大于200 mV的突發(fā)性陡降，這些測(cè)點(diǎn)在圖3(b)中都位于縱向裂隙發(fā)育的位置，可見(jiàn)SP突變點(diǎn)的位置與裂隙發(fā)育位置對(duì)應(yīng)，這與巖樣單軸加載實(shí)驗(yàn)得出的距離裂紋尖端近處產(chǎn)生的電位信號(hào)強(qiáng)度較高、巖樣破裂時(shí)伴生電位的大幅陡降的現(xiàn)象一致；③ 如圖4(c)所示，上覆煤層開(kāi)采模擬實(shí)驗(yàn)中，SP在-400～100 mV內(nèi)波動(dòng)，整體呈下降趨勢(shì)，隨著破壞過(guò)程復(fù)雜化、破壞程度升高，出現(xiàn)更多測(cè)點(diǎn)(C2，C9，C13，C14，C15，C22，C23)的SP降幅超過(guò)200 mV，而在圖3(c)中它們都位于新發(fā)育的橫向或縱向裂隙上；其中，位于縱向裂隙上的測(cè)點(diǎn)(C2，C13，C14)的SP信號(hào)出現(xiàn)幅度達(dá)300 mV的震蕩，位于縱、橫裂隙交叉發(fā)育位置的測(cè)點(diǎn)(C13)震蕩幅度最大且已達(dá)400 mV，這也與前述巖樣加載實(shí)測(cè)結(jié)論一致；此外，統(tǒng)觀3個(gè)實(shí)驗(yàn)可見(jiàn)SP整體波動(dòng)頻率隨巖體破壞加劇而升高，這與巖體中的破裂事件越來(lái)越頻繁相關(guān)；而SP整體波動(dòng)幅值區(qū)間(分別為-100～100，-200～0，-400～100 mV)隨巖體破壞加劇而降低，這與破裂面的增多及其導(dǎo)致的負(fù)電荷的累積量增大有關(guān)。

上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象共同表明采掘巖體破壞過(guò)程中的自然電場(chǎng)主要受控于破裂源，與前文所述SP異常的宏觀成因(巖體破壞程度越高、釋放能量越多、SP異常越強(qiáng))相符。此外，綜合觀察圖4中的灰色曲線可見(jiàn)：不在宏觀裂隙上的測(cè)點(diǎn)SP信號(hào)對(duì)巖體破壞(尤其是開(kāi)裂)亦有響應(yīng)，不同測(cè)點(diǎn)的SP信號(hào)波動(dòng)幅度有所差異但頻率、相位基本一致，即整體呈現(xiàn)同步、同相的特征；但與之相對(duì)地，由彩色曲線可見(jiàn)：位于宏觀裂隙上的測(cè)點(diǎn)的SP波動(dòng)幅度更大且頻率、相位有所不同，即呈現(xiàn)異步、異相、更大幅度的特征；且統(tǒng)觀3個(gè)實(shí)驗(yàn)可見(jiàn)：巖體破壞越嚴(yán)重、裂隙發(fā)育越豐富、裂隙場(chǎng)演化越劇烈，上述差異越明顯。

圖4 相似材料模擬實(shí)測(cè)SP時(shí)變曲線

此外，為更好地觀察SP突變點(diǎn)與破裂源的空間對(duì)應(yīng)關(guān)系，選取下伏煤層開(kāi)采模擬實(shí)驗(yàn)和上覆煤層開(kāi)采模擬實(shí)驗(yàn)中SP局部突變最強(qiáng)烈的時(shí)刻(此處選擇了SP出現(xiàn)最小極值點(diǎn)的時(shí)刻，也是與其他測(cè)點(diǎn)SP相位不同的時(shí)刻，具體如圖4中彩色雙向箭頭所指示)，作出SP的瞬時(shí)增量ΔSP平面圖，如圖5所示，可見(jiàn)：隨著煤層自右向左開(kāi)采，裂隙自右向左、自下而上發(fā)育，ΔSP的最小極值點(diǎn)亦從右向左、從下而上遷移，其空間位置與裂隙發(fā)育位置直接對(duì)應(yīng)，更直觀地表明SP的突變特征(幅值、相位)受破裂源的空間演化路徑所控制。

圖5 煤層開(kāi)采誘發(fā)的SP瞬時(shí)增量的平面演化特征

2.3 多尺度實(shí)測(cè)SP異常特征聯(lián)合分析

對(duì)大尺度工程巖體連續(xù)損傷破壞而言，基于裂隙尖端放電的數(shù)理推導(dǎo)及工程實(shí)測(cè)都已表明SP信號(hào)整體呈現(xiàn)富含脈沖狀陡升及緩慢下降不斷交替的特征，該結(jié)論亦可由本實(shí)驗(yàn)予以輔證；同時(shí)，煤層綜采頂板巖層破壞模擬實(shí)測(cè)及原位實(shí)測(cè)研究都表明自然電場(chǎng)響應(yīng)雖超前于直流電阻率但其感知范圍仍有限，即：在特定觀測(cè)系統(tǒng)下，SP信號(hào)強(qiáng)度隨破裂區(qū)靠近而增強(qiáng)、遠(yuǎn)離而變?nèi)?，這和圖5所示的ΔSP最小極值點(diǎn)隨裂隙發(fā)育而遷移的現(xiàn)象相符，與前文所述的自然電場(chǎng)異常成因及巖樣加載實(shí)測(cè)結(jié)論也相符。從原位全空間實(shí)測(cè)成果來(lái)看，如圖6所示，當(dāng)測(cè)區(qū)范圍內(nèi)不存在地下水滲流時(shí)(已由視電阻率成果佐證，詳見(jiàn)文獻(xiàn)[11])，SP感知范圍大致以=141 m為界(為工作面與監(jiān)測(cè)鉆場(chǎng)的距離)，劃分為SP的感知遠(yuǎn)區(qū)(SP弱波動(dòng)，幅度小于200 mV)和感知近區(qū)(SP強(qiáng)振蕩，幅度可近1 000 mV)。

圖6 煤層開(kāi)采頂板覆巖破壞原位實(shí)測(cè)SP時(shí)變曲線 [11]

此外，現(xiàn)有研究已表明可綜合運(yùn)用SP信號(hào)的相位與振幅特征來(lái)界定煤層圍巖破壞帶范圍，其中，對(duì)采掘擾動(dòng)煤層頂板覆巖(以砂巖為主)破壞來(lái)說(shuō)，工程實(shí)測(cè)和物理模擬實(shí)測(cè)研究都發(fā)現(xiàn)自然電場(chǎng)的時(shí)空演化與“上三帶”特征有對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖7所示，在頂板覆巖破壞物理模擬中：① 垮落帶處于自然電場(chǎng)低電位演化集中區(qū)，這與前述巖樣加載破壞時(shí)實(shí)測(cè)到的電位大幅陡降特征和2.2節(jié)中所述的SP整體波動(dòng)幅值區(qū)間隨巖體破壞加劇而降低的實(shí)驗(yàn)結(jié)論都相符，而這些都對(duì)應(yīng)于巖體破斷行為多、破碎程度高、裂隙發(fā)育充分的特征；② 在斷裂帶范圍內(nèi)，自然電場(chǎng)高、低電位兼具，時(shí)空演化復(fù)雜，對(duì)應(yīng)于破斷行為少、破裂行為多、裂隙發(fā)育不均的特征；③ 彎曲下沉帶為自然電場(chǎng)高電位演化集中區(qū)，對(duì)應(yīng)于巖體破斷行為極少、以彎曲下沉為主(即破裂少、變形多)的特征。

圖7 煤層開(kāi)采頂板覆巖破壞物理模擬實(shí)測(cè)SP振幅時(shí)變特征 [13]

綜上所述，理論研究及不同尺度的實(shí)測(cè)研究共同表明自然電場(chǎng)可用于表征采掘擾動(dòng)巖體破壞特征，尤其在近破裂區(qū)，SP信號(hào)的振幅、相位、頻率都是敏感參數(shù)、都具有重要科學(xué)價(jià)值。故此，立足這些研究成果，提出采掘擾動(dòng)巖體破壞自然電場(chǎng)近源效應(yīng)的概念并將其內(nèi)涵及科學(xué)意義論述如后。

3 采掘擾動(dòng)巖體破壞自然電場(chǎng)近源效應(yīng)的內(nèi)涵與科學(xué)意義

3.1 內(nèi) 涵

基于前文系統(tǒng)論述可得2點(diǎn)認(rèn)識(shí)：① 就自然電場(chǎng)響應(yīng)的共性特征而言，由于巖體破壞是從局部突變到整體災(zāi)變的過(guò)程，SP信號(hào)也存在局部特征與整體特征的差異。② 就其成因而言，在巖體失穩(wěn)災(zāi)變的瞬間，近破裂區(qū)是自由電荷即負(fù)電荷被發(fā)射、正電荷顯現(xiàn)處，相當(dāng)于電荷“產(chǎn)生”的區(qū)域，且電荷分布不均；而遠(yuǎn)破裂區(qū)可近似認(rèn)為沒(méi)有電荷“產(chǎn)生”，自然電場(chǎng)的異常響應(yīng)是由近破裂區(qū)“產(chǎn)生”的電荷疊加激勵(lì)而誘發(fā)的，其分布及演化遵從電場(chǎng)疊加原理；此2者的成因和演變都存在明顯不同。故此，對(duì)這種在巖體破壞過(guò)程中出現(xiàn)的、受破裂成因控制的自然電場(chǎng)，將近破裂區(qū)發(fā)生的自然電場(chǎng)突變行為定義為一種近源效應(yīng)，它在空間域?qū)?yīng)于SP異常強(qiáng)度相對(duì)較大(波動(dòng)幅度大、相位相異點(diǎn)多)的區(qū)域，在時(shí)間域?qū)?yīng)于SP突變行為相對(duì)集中(幅度增大、頻率增高、相位突變，具有振蕩特征)的時(shí)段。

該效應(yīng)的物理內(nèi)涵如下：巖體在破壞過(guò)程中，其能量釋放越大，則破壞程度越高、破裂面越多、釋放和發(fā)射的自由電荷越多，導(dǎo)致自然電場(chǎng)異常強(qiáng)度越高、規(guī)模越大；換言之，持續(xù)破斷中的巖體相當(dāng)于自由電荷的“制造”和發(fā)射體，它以應(yīng)力儲(chǔ)能的釋放為源動(dòng)力，不斷“制造”并對(duì)外輸出自由電荷，造成電荷的區(qū)域性動(dòng)態(tài)集聚及發(fā)射，引發(fā)其自身(近源區(qū)，即近破裂區(qū))和周圍環(huán)境(遠(yuǎn)源區(qū)，即遠(yuǎn)破裂區(qū))中自然電場(chǎng)的演變，最終以非線性過(guò)程完成應(yīng)力儲(chǔ)能向電能的劇烈轉(zhuǎn)化。由此不難理解，SP信號(hào)的波動(dòng)恰恰象征著自然電場(chǎng)能量的增減：① 波動(dòng)幅度越大(近源區(qū)會(huì)更大)，則巖體破壞瞬間自然電場(chǎng)能量增加越多，巖體釋放能量越多，巖體破壞程度越高；② 幅度相當(dāng)時(shí)，波動(dòng)頻率越高(近源區(qū)會(huì)更高)，則巖體中能量釋放事件越密集，破裂事件越頻繁，破壞程度越高；③ 相位相異點(diǎn)越多(近源區(qū)會(huì)相異，遠(yuǎn)源區(qū)多相同)，象征著自由電荷的“制造”和發(fā)射點(diǎn)越多、破裂點(diǎn)越多，破壞程度越高。故此，SP的波動(dòng)幅度、頻率、相位都是敏感參數(shù)，都富含巖體中裂隙場(chǎng)演化的關(guān)鍵信息，都具有表征巖體破壞特征的能力。

此外，遠(yuǎn)源區(qū)SP信號(hào)是多個(gè)或多批次近源區(qū)SP激勵(lì)(即破裂成因的激勵(lì))的疊加顯現(xiàn)，它對(duì)同期破裂中的主破裂具有一定表征能力，對(duì)表面電位、感應(yīng)電荷的研究(包括巖樣破壞實(shí)測(cè)及工程實(shí)測(cè)研究)與之密切相關(guān)；但近源區(qū)SP信號(hào)不同，它往往受控于最近的破裂源，而破裂源演化的時(shí)空不均性導(dǎo)致不同測(cè)點(diǎn)SP信號(hào)幅度、頻率、相位的差異，對(duì)全空間條件下自然電場(chǎng)響應(yīng)特征的研究難以回避該問(wèn)題?？傊?，若想從“場(chǎng)”的角度來(lái)完整地認(rèn)知巖體破壞所誘發(fā)的自然電場(chǎng)響應(yīng)機(jī)理與特征，就必須兼顧此2者并推動(dòng)自電位、自然電位、表面電位、感應(yīng)電荷等多種參數(shù)的耦合解析。

3.2 科學(xué)意義

對(duì)巖體破壞過(guò)程中自然電場(chǎng)近源效應(yīng)的正確認(rèn)知是構(gòu)建基于破裂成因的自然電場(chǎng)探測(cè)及臨災(zāi)預(yù)警方法的基礎(chǔ)，也是揭示多相耦合系統(tǒng)演化及突變過(guò)程中自然電場(chǎng)的響應(yīng)機(jī)理與特征的前提，其科學(xué)意義至少包括：

(1)便于研究自然電場(chǎng)的數(shù)據(jù)解析準(zhǔn)則、消除背景噪聲并構(gòu)建成像方法。巖體破壞過(guò)程中的自然電場(chǎng)近源效應(yīng)受控于并能反應(yīng)巖體破壞行為，它受背景噪聲干擾最弱，結(jié)合對(duì)遠(yuǎn)源區(qū)特征及SP信號(hào)頻譜特征的研究，可為背景噪聲的消除和成像方法的構(gòu)建提供理論依據(jù)，并形成區(qū)別于其他成因的自然電場(chǎng)的數(shù)據(jù)解析準(zhǔn)則。

(2)便于研究地電場(chǎng)多元信息耦合分析方法，提升全空間地電場(chǎng)探測(cè)的時(shí)空精度。地下全空間地電場(chǎng)探測(cè)的觀測(cè)系統(tǒng)不同于室內(nèi)測(cè)試或地表半空間探測(cè)，它很難實(shí)現(xiàn)陣列式布點(diǎn)；對(duì)孔中或巷中的線形觀測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，充分利用SP波動(dòng)幅度、頻率、相位特征有助于精細(xì)判識(shí)應(yīng)力場(chǎng)與裂隙場(chǎng)的時(shí)空演化規(guī)律，彌補(bǔ)直流電阻率法、激電法等時(shí)域超前感應(yīng)能力有限的缺點(diǎn)，進(jìn)而提升探測(cè)的時(shí)空精度。

(3)便于研究工程巖體破壞特征探測(cè)方法和多場(chǎng)(地電場(chǎng)、裂隙場(chǎng)、滲流場(chǎng))耦合機(jī)理。雖然巖體破壞所誘發(fā)的自然電場(chǎng)是一種非線性的時(shí)變電場(chǎng)，但因其受破裂成因主導(dǎo)，工程巖體中裂隙場(chǎng)的持續(xù)性、規(guī)律性演變會(huì)誘發(fā)自然電場(chǎng)的持續(xù)性、規(guī)律性響應(yīng)(這與巖樣破壞和地震監(jiān)測(cè)都不同)，這對(duì)采掘擾動(dòng)工程巖體破壞狀態(tài)檢測(cè)及重大動(dòng)力災(zāi)害預(yù)警具有重要意義；同時(shí)，對(duì)巖體破壞自然電場(chǎng)近源效應(yīng)的揭示是科學(xué)認(rèn)識(shí)流固系統(tǒng)演化及失穩(wěn)過(guò)程中自然電場(chǎng)響應(yīng)行為的前提，由此才能實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)多相問(wèn)題的深層研究。

4 面向巖體破壞的自然電場(chǎng)法研究面臨的關(guān)鍵問(wèn)題

(1)在機(jī)理層面。一方面，因微觀結(jié)構(gòu)對(duì)巖石電性有顯著影響，故仍需從巖石學(xué)礦物學(xué)、材料學(xué)及表面物理化學(xué)等角度探究不同類型的巖體(或巖石)變形及破壞過(guò)程中自然電場(chǎng)異常成因及影響因素；另一方面，作為一種力-電效應(yīng)，自然電場(chǎng)異常往往由應(yīng)力突變(突然集中或突然釋放)所導(dǎo)致，但應(yīng)力突然集中(彈性及塑性變形，儲(chǔ)能、耗能)與突然釋放(破裂，釋能)的機(jī)制不同，即，峰前與峰后力學(xué)效應(yīng)的不同從根本上造成了自然電場(chǎng)響應(yīng)機(jī)理及特征的差異，辨清這些差異才能精細(xì)解析自然電場(chǎng)近源效應(yīng)的深層機(jī)理與關(guān)鍵特征，并由此實(shí)現(xiàn)SP數(shù)據(jù)中有效信息的挖掘及數(shù)據(jù)解析準(zhǔn)則的構(gòu)建。

(2)在方法層面。因自電位、自然電位、表面電位、感應(yīng)電荷等相關(guān)研究成果頗豐但卻未能在“自然電場(chǎng)”這一范疇內(nèi)實(shí)現(xiàn)耦合解析，故仍需依托“近源效應(yīng)”這一切入點(diǎn)來(lái)深入探究，以實(shí)現(xiàn)面向巖體破壞的自然電場(chǎng)探測(cè)理論體系的構(gòu)建；同時(shí)，面向智能物探發(fā)展需要，需重點(diǎn)突破自然電場(chǎng)法與直流電阻率法、激電法的特征融合方法的構(gòu)建，為災(zāi)害源智能、精準(zhǔn)探測(cè)及監(jiān)測(cè)提供地電學(xué)新理論的支撐。

(3)在研究路徑方面。因巖體破壞自然電場(chǎng)響應(yīng)具有空間域局部化、降維和時(shí)間域多尺度、多重分形、臨界慢化等非線性特征，故仍須引入非線性分析方法來(lái)推動(dòng)自然電場(chǎng)數(shù)據(jù)解析和反演成像的研究；與地震預(yù)測(cè)領(lǐng)域類似，工程巖體破壞自然電場(chǎng)響應(yīng)研究的重點(diǎn)及難點(diǎn)也在于巖體失穩(wěn)前兆信息的捕捉和峰后災(zāi)變效應(yīng)的超前預(yù)測(cè)，對(duì)此有必要引入地震領(lǐng)域的聚類、分形、多尺度熵等方法及頻譜、能譜分析手段等。

(4)在交叉研究方面。由于自然電場(chǎng)成因復(fù)雜且往往多種成因交織并存，對(duì)工程巖體失穩(wěn)破壞行為及其災(zāi)變效應(yīng)研究而言，流體及其演化行為既是影響因素又是伴生過(guò)程，故關(guān)鍵和難點(diǎn)都在于對(duì)多場(chǎng)多相問(wèn)題的解答；而此類研究，一方面須受特定工程場(chǎng)景約束，另一方面仍須依托大量實(shí)測(cè)工作，故完善物理模擬手段并構(gòu)建數(shù)值模擬方法、提升多場(chǎng)協(xié)同測(cè)試技術(shù)及耦合分析水平始終是迫切且長(zhǎng)期的問(wèn)題。

5 結(jié) 論

(1)巖體(巖石)破壞所誘發(fā)的自然電場(chǎng)不是穩(wěn)態(tài)電場(chǎng)，而是一種非線性的時(shí)變電場(chǎng)，應(yīng)力場(chǎng)尤其是破裂源的時(shí)空演變主導(dǎo)著自然電場(chǎng)的時(shí)空演變，這從根本上決定了自然電場(chǎng)數(shù)據(jù)解析、反演成像的復(fù)雜性，故需借助于非線性研究手段予以解決。

(2)巖樣破壞實(shí)測(cè)研究(厘米級(jí))、物理模擬實(shí)測(cè)研究(米級(jí))、原位實(shí)測(cè)(亞千米級(jí))研究共同證明了自然電位信號(hào)的波動(dòng)幅度、頻率、相位都可用于表征巖體破壞特征，其中在近破裂源處自然電位的波動(dòng)幅度、相位、頻率與遠(yuǎn)破裂源處有所不同，可定義為一種近源效應(yīng)，其基本特征為高頻、高幅、異相；對(duì)該效應(yīng)的科學(xué)認(rèn)識(shí)是研究自然電場(chǎng)數(shù)據(jù)解析及成像方法、地電場(chǎng)多參數(shù)耦合探測(cè)方法、工程巖體及流固耦合系統(tǒng)演化監(jiān)測(cè)方法等的基礎(chǔ)。

(3)巖體破壞自然電場(chǎng)近源效應(yīng)的物理內(nèi)涵是：自然電位波動(dòng)幅度越大(近源區(qū)會(huì)更大)，巖體釋放能量越多、巖體破壞程度越高；幅度相當(dāng)時(shí)，自然電位波動(dòng)頻率越高(近源區(qū)會(huì)更高)，破裂事件越頻繁，破壞程度越高；自然電位波動(dòng)相位相異點(diǎn)越多(近源區(qū)會(huì)相異，遠(yuǎn)源區(qū)多相同)，則破裂點(diǎn)越多，破壞程度越高。

(4)對(duì)工程巖體破壞過(guò)程中自然電場(chǎng)響應(yīng)機(jī)理的深層揭示有賴于地電學(xué)、巖體力學(xué)、巖石學(xué)礦物學(xué)、材料學(xué)及表面物理化學(xué)等多學(xué)科的交叉研究及自電位、自然電位、表面電位、感應(yīng)電荷等相關(guān)成果的耦合解析；基于此，推動(dòng)自然電場(chǎng)法與直流電阻率法、激電法的特征融合方法的構(gòu)建，為災(zāi)害源智能、精準(zhǔn)探測(cè)及監(jiān)測(cè)提供地電學(xué)新理論的支撐。

(5)對(duì)工程巖體破壞自然電場(chǎng)響應(yīng)的局部化、多尺度、分形、臨界慢化等非線性特征的研究，需引入聚類、分形、多尺度熵等方法及頻譜、能譜分析手段；對(duì)流固耦合系統(tǒng)中自然電場(chǎng)響應(yīng)行為的科學(xué)認(rèn)識(shí)，有賴于物理模擬手段的完善和多場(chǎng)并行測(cè)試技術(shù)的提升，且須在特定工程場(chǎng)景約束下開(kāi)展不同尺度的實(shí)測(cè)研究。