劉 靜，劉盛東，劉志新，楊 彩

(1.中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業(yè)大學 物聯網(感知礦山)研究中心，江蘇 徐州 221008)

“雙碳”背景下，在煤炭精準、智能、無人開采技術體系的建構中，針對重大災害防控的時空四維探測的本質是全空間多相介質耦合系統非線性行為特征的捕捉及預判，這也是應用地球物理領域的重大難題。經過數十年的發(fā)展，以震、電、磁三大類方法為主的我國礦井地球物理勘探技術體系得以構建；其中，綜合考慮場源、信號穩(wěn)定性、施工空間、勘探周期、數據處理及信息含量等因素，在全空間動態(tài)勘探及實時監(jiān)測方面，礦井地電場法具有激勵便捷、信號穩(wěn)定、施工空間靈活(巷、孔皆可)、勘探周期短、數據計算量相對較低、信息豐富(含自然電場、激勵電場、感應電場三場信息)的特征，有望在4D探測方面實現創(chuàng)新性突破，但其瓶頸在于自然電場(0次場，以自然電位法為代表，即SP法)、激勵電場(1次場，以直流電阻率法為代表，即DC法)、感應電場(2次場，以激電法為代表，即IP法)三場信息的耦合解析。另一方面，由于生產環(huán)境中的巖石受力遵循實際開采或開挖的應力空間變化路徑而非單調加載路徑，故必須強調工程擾動的動態(tài)過程及構造應力的影響等；同時，隨著國家煤炭資源整合政策繼續(xù)推進，對典型整合煤礦而言，多煤層異步開采、圍巖重復擾動破壞的客觀情況加劇了災害防控的難度，制約著智能開采技術模式的推廣；此外，在多煤層開采重復擾動圍巖破壞過程中，破裂源的時空演化異常復雜，制約著微震與電磁輻射的探測精度，對多相介質耦合演化的探測來說更甚，類似問題也見于地鐵、隧道等工程中?；?0余年的研究發(fā)現，立足于將自然電場、激勵電場、感應電場的觀測與解析并行完成的理念，將自然電場對具體巖體動力過程(巖體破壞、地下水滲流、流固耦合系統災變等)的時域超前感應能力與直流電阻率法、激發(fā)極化法對物性的空間表征能力相結合，或基于震、電并行探測理念與關鍵技術，使之與微震、聲發(fā)射對破裂源的空間定位能力相結合，則有望獲取圍巖破壞、流固耦合系統的時空4D探測及災變預警的新突破，但前提是必須厘清自然電場對不同巖體動力過程的超前感應機理及響應特征。

目前，在巖體破壞方面，針對小尺度巖樣破壞的實測研究成果頗豐，對巖樣加載過程中的自然電場響應特征及其與應力場的耦合機制有了一定認識，但這些理論要擴展到受采掘擾動的、富含復雜結構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領域的相似材料模擬手段引入到自然電場形成機理與演變特征的研究中，開展了室內實測研究和原位實測研究，在分析采掘擾動巖體破壞誘發(fā)的自然電場異常特征時，發(fā)現自然電場在近破裂區(qū)的響應規(guī)律與遠破裂區(qū)存在明顯差異，而前者對臨災預警的價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，多見于地震領域)、自然電位(Self-potential或Spontaneous potential，多見于水文物探領域)、表面電位(Surface potential)、感應電荷(Induction charge)等諸多研究成果的耦合分析和自然電場反演成像的實質性突破。

以煤系地層中典型的砂巖擾動破壞為研究對象，基于對巖體破壞自然電場異常成因的分析和對巖樣破壞、物理模擬與原位巖體破壞3類實測成果的系統論述，提出并闡述采掘擾動巖體破壞自然電場響應過程中的近源效應的內涵、科學意義與關鍵問題，以期擴充全空間地電場探測及礦山、隧道、地鐵等地下工程領域重大災害預測預報的理論基礎，對短臨地震異常、井下地震監(jiān)測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表征自然電場特征以便對接地電場三場的內涵，并以其英文縮寫的正體格式“SP”來指代。

1 巖體破壞自然電場異常成因與基本特征

巖體破壞過程中的電磁異常包括2種基本過程：一是巖體變形與破裂引發(fā)電荷集散與流動而形成自然電場異常；二是巖體破裂時因發(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，自然電場對受載巖體(含煤巖)的變形、破裂都有明顯響應，其發(fā)生時間超前于電磁輻射、聲光發(fā)射等相對高頻信號，且對小尺度巖樣和大規(guī)模巖體的斷裂或斷層發(fā)生位置具有指示作用。

1.1 巖體破壞自然電場異常成因

巖土體中的自然電場成因極其復雜，主要可概括為2類：一類是指巖土體多相耦合系統中的自然極化效應，包括電子導體的自然極化(氧化還原電場)和離子導體的自然極化(過濾電場、流動電場、擴散-吸附電場等)；另一類是指固相巖土體內部發(fā)生的力電效應或熱電效應，包括壓電效應、摩擦起電、裂隙尖端放電、位錯滑移生電及三大熱電效應的湯姆孫效應(Thomson effect)、塞貝克效應(Seebeck effect)、帕爾帖效應(Peltier effect)等。其中，在富有高應力儲能的巖體(或巖石)破壞時，其變形與破裂都會引發(fā)自然電場異常，但后者(達幾十甚至上千毫瓦)明顯強于前者(達幾個至幾十毫瓦)，此時破裂源是自然電場異常的主控因素。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)變形過程中，發(fā)生應力儲能耗散，導致其內部微缺陷從無序向有序發(fā)展并形成微裂隙、微裂隙群，在此過程中發(fā)生自由電荷的富集和帶電位錯的激發(fā)，出現局部電流，導致SP異常信號產生；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高度激發(fā)狀態(tài)，導致低能的電子、光子、無線電波等發(fā)射，此時可測到SP脈沖信號；擴展著的裂隙尖端釋放更多自由電荷，且形成的強電場可將電子加速到高能水平，導致劇烈的電子發(fā)射，由此，裂隙尖端附近發(fā)生電性及電荷密度的突變，導致強烈的SP脈沖或脈沖群信號產生；電子發(fā)射完成后，這些突現的電荷沿導電通道釋放，SP信號隨之衰減。當然，在實際巖石或巖體破壞時，上述過程往往交織并存。

(2)宏觀角度。巖石應力儲能的釋放是導致震、光、電、熱等物理異常的根源，應力儲能向電能的漸進性(變形、儲能耗散期)或突發(fā)性(破裂、儲能釋放期)轉化導致了自然電場的演化及突變；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變的過程，這從根本上決定了自然電場的時空演變是一種富含突變因子的復雜行為，不論采掘擾動誘發(fā)的原位巖體破壞還是室內加載導致的巖樣破壞，實測SP信號都會表現出非線性特征及局部集中特征?？傊?，由巖體(或巖石)破壞所誘發(fā)的自然電場不是穩(wěn)態(tài)電場，而是一種非線性的時變電場，應力場尤其是破裂源的時空演變主導其宏觀特征。而人工建立的激勵電場及同時由介質屬性所控制的感應電場，其分布及演化往往被視為可控的、線性的；于是，與主動源地電場探測方法中由“源”得“場”再反推介質特征的思路不同，如何由“場”索“源”始終是自然電場法必須要解決的關鍵問題，這也是造成全空間自然電場4D探測方法難以構建的根本原因，故需予以系統研究。

此外，值得深思的是：不同于單調加載導致的巖樣破壞，由于采掘擾動往往是持續(xù)且規(guī)律的，巖體破壞具有特定時空規(guī)律(在煤炭綜采中常表現為頂板“上三帶”、底板“下三帶”、頂板來壓周期及步距等規(guī)律性現象)，而受應力場尤其是破裂源所主導的自然電場亦當如此，這在實驗研究及工程實踐中已得到證實且表明了自然電場法可用于圍巖破壞監(jiān)測、破壞帶范圍動態(tài)檢測、煤巖動力災害預警等，但其理論基礎仍不盡完善。如前文所述：對不同開采形式及重復采掘擾動誘發(fā)的自然電場響應機理與特征有何異同？下文結合實測成果予以探析。

1.2 巖樣加載破壞自然電場異常響應實測特征

巖樣(或煤樣)荷載實測實驗表明，自然電場異常發(fā)生于巖樣(或煤樣)變形破裂全過程中，且電位的突變幅度與載荷突變幅度密切相關(此處系指對自然電位、自電位、表面電位、感應電位4種參數的研究)。單軸加載砂巖巖樣破裂實測數據(圖1)表明砂巖巖樣破裂階段自然電位波動幅度(幾十至上百毫伏)遠遠高于形變階段(幾個毫伏)，該結論由聲發(fā)射數據和視電阻率數據給予了輔證，這與花崗巖巖樣破壞實測結論具有共性，而實測表面電位特征(圖2)亦類似；同時，預制裂紋巖樣破壞實驗表明，擴展裂紋的尖端和新形成的裂紋壁面是產生自由電荷的主要位置，其信號強度在裂紋尖端近處較高、遠處較低且裂紋兩側電位極性不同；其他類似實驗也同樣證明了電位波動幅度與距離主破裂的位置有關，而在巖樣拉伸破壞過程中感應電荷亦呈現類似特征；此外，不同巖性的巖樣加載實驗都在巖樣破壞時捕捉到了電位的大幅陡降特征(此處系指對自然電位、自電位、表面電位、感應電位4種參數的研究)，這對巖石損傷及失穩(wěn)的超前判識具有重要意義。上述現象共同證實自然電場的異常響應特征與破裂源的時空演化路徑密切相關，但囿于巖樣尺度較小、可安裝的電極數量有限而難以充分認識該問題，即：相對觀測對象(巖樣破裂行為)而言，觀測系統過于簡約，即觀測系統、巖樣、電極距都在厘米級而破裂尺度在次一級或更小，故由少量電極對所測量的電位差不能充分表征巖樣中自然電場的時空演化機制，而且?guī)r樣破壞是單向的、不可重復的(卸壓即結束)，這與原位巖體破壞的持續(xù)性及采掘擾動的重復性有差異，所以必須借助物理模擬和原位實測手段來提升研究尺度，以探究實際采掘擾動過程中的力-電耦合機制。

圖1 砂巖試樣破裂實測自然電位曲線[14]

圖2 砂巖試樣破壞實測表面電位曲線[41]

2 采掘擾動巖體破壞自然電場異常響應實測特征

采掘對巖體的擾動破壞可分為2類：一是對原狀巖體帶來破壞，造成新裂隙發(fā)育及破斷；二是對已遭破壞的巖體帶來二次或多次擾動破壞，使舊裂隙擴張或閉合、新裂隙發(fā)育及破斷。為研究這2類破壞現象，依托于煤炭資源與安全開采國家重點實驗室大型相似材料平面應變模擬實驗平臺，如圖3所示，先后完成了3類煤層開采模擬實驗：① 房柱式開采，即先采煤層Ⅳ，觀測煤層覆巖弱變形時的SP特征；② 下覆煤層綜采，即再采煤層Ⅴ，觀測巖體變形且破裂時的SP特征；③ 上覆煤層綜采，即后采煤層Ⅲ，觀測巖體在二次擾動破壞過程中的SP特征。

2.1 相似材料模擬實測實驗簡況

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狀，模擬地應力20 MPa，幾何相似比100∶1，容重比1.4∶1，應力比140∶1。如圖3所示，SP測點布置為陣列式(4行6列炭質電極)以便捕捉SP異常信號與破裂源的時空對應關系，公共參比電極N置于模型右下角不受開采擾動的位置。用并行電法儀完成SP信號測試，平均每1 min一組；采用定點攝影法記錄模型破壞過程；為便于控制，模擬綜采速度為每30 min采1次(進尺5 cm)。宏觀現象如下：① 如圖3(a)所示，在房柱式開采模擬實驗中，SP觀測系統由測點A1～A24構成，先后進行了20次模擬采動，每隔5 min采1次，期間模型形變較弱，沒有肉眼可見的宏觀裂隙產生；② 如圖3(b)所示，在下伏煤層開采模擬實驗中，SP觀測系統由B1～B24構成，先后進行了3次采動，造成縱向裂隙的發(fā)育(紅色虛線所指)、橫向裂隙擴張與閉合(藍色虛線所指)；③ 如圖3(c)所示，在上覆煤層開采模擬實驗中，SP觀測系統由C1～C24構成，先后進行了6次采動，其中：第3次采動后，煤層直接頂彎曲變形、伴有橫向裂隙發(fā)育；第5次采動后，直接頂破斷、垮落，同時上部覆巖彎曲下沉，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 相似材料模擬實驗模型外觀及觀測系統布置

2.2 相似材料模擬實測SP異常特征分析

為便于分析，將所有SP數據減去初始背景值后作出SP時變曲線：① 如圖4(a)所示，在房柱式開采模擬實驗中，SP在-100～100 mV內波動，整體未出現大幅升降，可見由房柱式開采誘發(fā)的次生應力場演化過程以能量耗散為主、未發(fā)生大規(guī)模的能量釋放，微裂隙的產生、發(fā)展及局部應力集中會引起SP的波動，但整體升降趨勢不明顯；② 如圖4(b)所示，下伏煤層開采模擬實驗中，SP在-200～0 mV內整體波動下降，個別測點(B10，B21，B23)波動節(jié)奏與其他測點不同且出現幅度大于200 mV的突發(fā)性陡降，這些測點在圖3(b)中都位于縱向裂隙發(fā)育的位置，可見SP突變點的位置與裂隙發(fā)育位置對應，這與巖樣單軸加載實驗得出的距離裂紋尖端近處產生的電位信號強度較高、巖樣破裂時伴生電位的大幅陡降的現象一致；③ 如圖4(c)所示，上覆煤層開采模擬實驗中，SP在-400～100 mV內波動，整體呈下降趨勢，隨著破壞過程復雜化、破壞程度升高，出現更多測點(C2，C9，C13，C14，C15，C22，C23)的SP降幅超過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點(C2，C13，C14)的SP信號出現幅度達300 mV的震蕩，位于縱、橫裂隙交叉發(fā)育位置的測點(C13)震蕩幅度最大且已達400 mV，這也與前述巖樣加載實測結論一致；此外，統觀3個實驗可見SP整體波動頻率隨巖體破壞加劇而升高，這與巖體中的破裂事件越來越頻繁相關；而SP整體波動幅值區(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致的負電荷的累積量增大有關。

上述實驗現象共同表明采掘巖體破壞過程中的自然電場主要受控于破裂源，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)相符。此外，綜合觀察圖4中的灰色曲線可見：不在宏觀裂隙上的測點SP信號對巖體破壞(尤其是開裂)亦有響應，不同測點的SP信號波動幅度有所差異但頻率、相位基本一致，即整體呈現同步、同相的特征；但與之相對地，由彩色曲線可見：位于宏觀裂隙上的測點的SP波動幅度更大且頻率、相位有所不同，即呈現異步、異相、更大幅度的特征；且統觀3個實驗可見：巖體破壞越嚴重、裂隙發(fā)育越豐富、裂隙場演化越劇烈，上述差異越明顯。

圖4 相似材料模擬實測SP時變曲線

此外，為更好地觀察SP突變點與破裂源的空間對應關系，選取下伏煤層開采模擬實驗和上覆煤層開采模擬實驗中SP局部突變最強烈的時刻(此處選擇了SP出現最小極值點的時刻，也是與其他測點SP相位不同的時刻，具體如圖4中彩色雙向箭頭所指示)，作出SP的瞬時增量ΔSP平面圖，如圖5所示，可見：隨著煤層自右向左開采，裂隙自右向左、自下而上發(fā)育，ΔSP的最小極值點亦從右向左、從下而上遷移，其空間位置與裂隙發(fā)育位置直接對應，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 煤層開采誘發(fā)的SP瞬時增量的平面演化特征

2.3 多尺度實測SP異常特征聯合分析

對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理推導及工程實測都已表明SP信號整體呈現富含脈沖狀陡升及緩慢下降不斷交替的特征，該結論亦可由本實驗予以輔證；同時，煤層綜采頂板巖層破壞模擬實測及原位實測研究都表明自然電場響應雖超前于直流電阻率但其感知范圍仍有限，即：在特定觀測系統下，SP信號強度隨破裂區(qū)靠近而增強、遠離而變弱，這和圖5所示的ΔSP最小極值點隨裂隙發(fā)育而遷移的現象相符，與前文所述的自然電場異常成因及巖樣加載實測結論也相符。從原位全空間實測成果來看，如圖6所示，當測區(qū)范圍內不存在地下水滲流時(已由視電阻率成果佐證，詳見文獻[11])，SP感知范圍大致以=141 m為界(為工作面與監(jiān)測鉆場的距離)，劃分為SP的感知遠區(qū)(SP弱波動，幅度小于200 mV)和感知近區(qū)(SP強振蕩，幅度可近1 000 mV)。

圖6 煤層開采頂板覆巖破壞原位實測SP時變曲線 [11]

此外，現有研究已表明可綜合運用SP信號的相位與振幅特征來界定煤層圍巖破壞帶范圍，其中，對采掘擾動煤層頂板覆巖(以砂巖為主)破壞來說，工程實測和物理模擬實測研究都發(fā)現自然電場的時空演化與“上三帶”特征有對應關系，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低電位演化集中區(qū)，這與前述巖樣加載破壞時實測到的電位大幅陡降特征和2.2節(jié)中所述的SP整體波動幅值區(qū)間隨巖體破壞加劇而降低的實驗結論都相符，而這些都對應于巖體破斷行為多、破碎程度高、裂隙發(fā)育充分的特征；② 在斷裂帶范圍內，自然電場高、低電位兼具，時空演化復雜，對應于破斷行為少、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高電位演化集中區(qū)，對應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 煤層開采頂板覆巖破壞物理模擬實測SP振幅時變特征 [13]

綜上所述，理論研究及不同尺度的實測研究共同表明自然電場可用于表征采掘擾動巖體破壞特征，尤其在近破裂區(qū)，SP信號的振幅、相位、頻率都是敏感參數、都具有重要科學價值。故此，立足這些研究成果，提出采掘擾動巖體破壞自然電場近源效應的概念并將其內涵及科學意義論述如后。

3 采掘擾動巖體破壞自然電場近源效應的內涵與科學意義

3.1 內 涵

基于前文系統論述可得2點認識：① 就自然電場響應的共性特征而言，由于巖體破壞是從局部突變到整體災變的過程，SP信號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)災變的瞬間，近破裂區(qū)是自由電荷即負電荷被發(fā)射、正電荷顯現處，相當于電荷“產生”的區(qū)域，且電荷分布不均；而遠破裂區(qū)可近似認為沒有電荷“產生”，自然電場的異常響應是由近破裂區(qū)“產生”的電荷疊加激勵而誘發(fā)的，其分布及演化遵從電場疊加原理；此2者的成因和演變都存在明顯不同。故此，對這種在巖體破壞過程中出現的、受破裂成因控制的自然電場，將近破裂區(qū)發(fā)生的自然電場突變行為定義為一種近源效應，它在空間域對應于SP異常強度相對較大(波動幅度大、相位相異點多)的區(qū)域，在時間域對應于SP突變行為相對集中(幅度增大、頻率增高、相位突變，具有振蕩特征)的時段。

該效應的物理內涵如下：巖體在破壞過程中，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，導致自然電場異常強度越高、規(guī)模越大；換言之，持續(xù)破斷中的巖體相當于自由電荷的“制造”和發(fā)射體，它以應力儲能的釋放為源動力，不斷“制造”并對外輸出自由電荷，造成電荷的區(qū)域性動態(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(遠源區(qū)，即遠破裂區(qū))中自然電場的演變，最終以非線性過程完成應力儲能向電能的劇烈轉化。由此不難理解，SP信號的波動恰恰象征著自然電場能量的增減：① 波動幅度越大(近源區(qū)會更大)，則巖體破壞瞬間自然電場能量增加越多，巖體釋放能量越多，巖體破壞程度越高；② 幅度相當時，波動頻率越高(近源區(qū)會更高)，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 相位相異點越多(近源區(qū)會相異，遠源區(qū)多相同)，象征著自由電荷的“制造”和發(fā)射點越多、破裂點越多，破壞程度越高。故此，SP的波動幅度、頻率、相位都是敏感參數，都富含巖體中裂隙場演化的關鍵信息，都具有表征巖體破壞特征的能力。

此外，遠源區(qū)SP信號是多個或多批次近源區(qū)SP激勵(即破裂成因的激勵)的疊加顯現，它對同期破裂中的主破裂具有一定表征能力，對表面電位、感應電荷的研究(包括巖樣破壞實測及工程實測研究)與之密切相關；但近源區(qū)SP信號不同，它往往受控于最近的破裂源，而破裂源演化的時空不均性導致不同測點SP信號幅度、頻率、相位的差異，對全空間條件下自然電場響應特征的研究難以回避該問題?？傊粝霃摹皥觥钡慕嵌葋硗暾卣J知巖體破壞所誘發(fā)的自然電場響應機理與特征，就必須兼顧此2者并推動自電位、自然電位、表面電位、感應電荷等多種參數的耦合解析。

3.2 科學意義

對巖體破壞過程中自然電場近源效應的正確認知是構建基于破裂成因的自然電場探測及臨災預警方法的基礎，也是揭示多相耦合系統演化及突變過程中自然電場的響應機理與特征的前提，其科學意義至少包括：

(1)便于研究自然電場的數據解析準則、消除背景噪聲并構建成像方法。巖體破壞過程中的自然電場近源效應受控于并能反應巖體破壞行為，它受背景噪聲干擾最弱，結合對遠源區(qū)特征及SP信號頻譜特征的研究，可為背景噪聲的消除和成像方法的構建提供理論依據，并形成區(qū)別于其他成因的自然電場的數據解析準則。

(2)便于研究地電場多元信息耦合分析方法，提升全空間地電場探測的時空精度。地下全空間地電場探測的觀測系統不同于室內測試或地表半空間探測，它很難實現陣列式布點；對孔中或巷中的線形觀測系統來說，充分利用SP波動幅度、頻率、相位特征有助于精細判識應力場與裂隙場的時空演化規(guī)律，彌補直流電阻率法、激電法等時域超前感應能力有限的缺點，進而提升探測的時空精度。

(3)便于研究工程巖體破壞特征探測方法和多場(地電場、裂隙場、滲流場)耦合機理。雖然巖體破壞所誘發(fā)的自然電場是一種非線性的時變電場，但因其受破裂成因主導，工程巖體中裂隙場的持續(xù)性、規(guī)律性演變會誘發(fā)自然電場的持續(xù)性、規(guī)律性響應(這與巖樣破壞和地震監(jiān)測都不同)，這對采掘擾動工程巖體破壞狀態(tài)檢測及重大動力災害預警具有重要意義；同時，對巖體破壞自然電場近源效應的揭示是科學認識流固系統演化及失穩(wěn)過程中自然電場響應行為的前提，由此才能實現多場多相問題的深層研究。

4 面向巖體破壞的自然電場法研究面臨的關鍵問題

(1)在機理層面。一方面，因微觀結構對巖石電性有顯著影響，故仍需從巖石學礦物學、材料學及表面物理化學等角度探究不同類型的巖體(或巖石)變形及破壞過程中自然電場異常成因及影響因素；另一方面，作為一種力-電效應，自然電場異常往往由應力突變(突然集中或突然釋放)所導致，但應力突然集中(彈性及塑性變形，儲能、耗能)與突然釋放(破裂，釋能)的機制不同，即，峰前與峰后力學效應的不同從根本上造成了自然電場響應機理及特征的差異，辨清這些差異才能精細解析自然電場近源效應的深層機理與關鍵特征，并由此實現SP數據中有效信息的挖掘及數據解析準則的構建。

(2)在方法層面。因自電位、自然電位、表面電位、感應電荷等相關研究成果頗豐但卻未能在“自然電場”這一范疇內實現耦合解析，故仍需依托“近源效應”這一切入點來深入探究，以實現面向巖體破壞的自然電場探測理論體系的構建；同時，面向智能物探發(fā)展需要，需重點突破自然電場法與直流電阻率法、激電法的特征融合方法的構建，為災害源智能、精準探測及監(jiān)測提供地電學新理論的支撐。

(3)在研究路徑方面。因巖體破壞自然電場響應具有空間域局部化、降維和時間域多尺度、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推動自然電場數據解析和反演成像的研究；與地震預測領域類似，工程巖體破壞自然電場響應研究的重點及難點也在于巖體失穩(wěn)前兆信息的捕捉和峰后災變效應的超前預測，對此有必要引入地震領域的聚類、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。由于自然電場成因復雜且往往多種成因交織并存，對工程巖體失穩(wěn)破壞行為及其災變效應研究而言，流體及其演化行為既是影響因素又是伴生過程，故關鍵和難點都在于對多場多相問題的解答；而此類研究，一方面須受特定工程場景約束，另一方面仍須依托大量實測工作，故完善物理模擬手段并構建數值模擬方法、提升多場協同測試技術及耦合分析水平始終是迫切且長期的問題。

5 結 論

(1)巖體(巖石)破壞所誘發(fā)的自然電場不是穩(wěn)態(tài)電場，而是一種非線性的時變電場，應力場尤其是破裂源的時空演變主導著自然電場的時空演變，這從根本上決定了自然電場數據解析、反演成像的復雜性，故需借助于非線性研究手段予以解決。

(2)巖樣破壞實測研究(厘米級)、物理模擬實測研究(米級)、原位實測(亞千米級)研究共同證明了自然電位信號的波動幅度、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幅度、相位、頻率與遠破裂源處有所不同，可定義為一種近源效應，其基本特征為高頻、高幅、異相；對該效應的科學認識是研究自然電場數據解析及成像方法、地電場多參數耦合探測方法、工程巖體及流固耦合系統演化監(jiān)測方法等的基礎。

(3)巖體破壞自然電場近源效應的物理內涵是：自然電位波動幅度越大(近源區(qū)會更大)，巖體釋放能量越多、巖體破壞程度越高；幅度相當時，自然電位波動頻率越高(近源區(qū)會更高)，破裂事件越頻繁，破壞程度越高；自然電位波動相位相異點越多(近源區(qū)會相異，遠源區(qū)多相同)，則破裂點越多，破壞程度越高。

(4)對工程巖體破壞過程中自然電場響應機理的深層揭示有賴于地電學、巖體力學、巖石學礦物學、材料學及表面物理化學等多學科的交叉研究及自電位、自然電位、表面電位、感應電荷等相關成果的耦合解析；基于此，推動自然電場法與直流電阻率法、激電法的特征融合方法的構建，為災害源智能、精準探測及監(jiān)測提供地電學新理論的支撐。

(5)對工程巖體破壞自然電場響應的局部化、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；對流固耦合系統中自然電場響應行為的科學認識，有賴于物理模擬手段的完善和多場并行測試技術的提升，且須在特定工程場景約束下開展不同尺度的實測研究。