水巖耦合演化自然電場近源效應與臨災前兆

劉 靜，劉盛東，王 勃，路 拓，劉志新

(1.中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116；3.西安科技大學 地質與環境學院，陜西 西安 710054)

重大水害防控是礦井、隧道、地鐵及新時期我國地下空間綜合開發利用等領域長期面臨的重大科技難題，而其核心問題，即水巖耦合變形破壞及與之相關的固體損傷破壞、水體湍流等問題，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突發斷裂，處于臨界狀態的流固系統受微弱擾動就會劇烈突變，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)監測的難點，而采掘等擾動因素的加入會讓問題更復雜。在多種地球物理探測手段中，地電場法(包括直流電法DC、激電法IP、自然電場法SP等)是經過長期實踐檢驗的經典方法，可用于不同時-空尺度(μs-cm尺度至day-km尺度)的探測，且因信息豐富(含自然電場、激勵電場、感應電場三場)而對巖體損傷破壞、地下水滲流及2者的耦合演變都有表征能力。其中，自然電場可指示水體流向且時域響應更超前，將該優勢與激勵電場、感應電場對物性的空間表征能力相結合，進行三場并行測試與耦合解析，有望提升地電場探測的時空精度，進而獲取水巖耦合演化監測與臨災預警的新突破。自1830年Robert Fox進行自然電場法勘探以來，基于動電成因理論的自然電場法已構建獨立的理論與技術體系，但其探測目標多是穩態或近似穩態的、具有非時變或弱時變特征的地質體，其數據解析、成像也多以達西滲流等穩態流固耦合理論為依據，而面對急變流、湍流等復雜流場及其突變行為監測的問題時，相關基礎理論已顯匱乏，對采動巖體滲流而言更甚，這也制約著地電場探測的4D化、精準化。同時，要將自然電場法從地表半空間勘探拓展到地下全空間監測(更接近災害源且信號強度可提高2～4個數量級)，則需解決因方法原理、地質環境、工程擾動、施工工藝等的復雜化而產生的新問題。

與地面常用陣列式觀測形式不同，地下全空間自然電場觀測系統多呈線形，且需借助鉆探與注漿手段來實現孔中安裝(巷道空間亦可用但信噪比低)。有賴這類施工工藝和主、被動一體化的并行電法理念，自然電場法與直流電阻率法的全空間耦合探測關鍵技術得以構建，并據此實現了礦井突水災害的準確預警、避免了人員傷亡。然而，自然電場的復雜成因決定了其多解性，針對流固耦合演變監測的全空間自然電場精細解釋準則始終難以建立，尤其是對自然電位(self-potential)時序信號多尺度非線性波動特征的精細解析是一大難點；同時，僅從成因的角度來研究自然電場的時空特征是不夠的，還必須考慮介質的各向異性及演變，尤其是水體遷移和巖體破斷行為帶來的影響。其中，水體遷移過程中自然電位信號的動態響應特征未被完整揭示，在實際工程中難以保障監測數據的準確解析。針對此問題，開展了近10 a的礦井水滲流全空間自然電場監測研究，在此過程中發現觀測系統過水事件(在地表及水中探測時罕見發生)的發生會導致特殊的自然電位波動信號，但該信號容易被當作水量減少或巖體破斷的信號予以解讀而造成災變趨勢的誤判，故必須對其成因、特征進行辨析。鑒于該現象主要由自然電場的動電成因所致且與水體遷移狀態、尤其是過水區的演化相關，提出水巖耦合演化自然電場近源效應的定義，并論述其成因、特征、科學意義與臨災判識方法。下文主要從理論分析、室內實測研究、工程實測研究3個層面進行詳細論述。后文以自然電位這一參量來表征自然電場特征并以其英文縮寫的正體格式“SP”來指代。

1 水巖耦合演化自然電場響應機理

巖土體中帶電粒子的集散是大自然進行能量轉化及轉移的重要微觀機制之一，自然電場是其宏觀效應。微觀機制不同會導致宏觀特征各異，巖體損傷破壞、地下水滲流及2者的耦合演化都會造成實測自然電位時序信號的波動，但其成因、特征卻有所差異。

1.1 水巖耦合演化自然電場異常成因辨析

水巖耦合系統中的自然電場主要由動電效應、力電效應及熱電效應等所誘發，其中與水巖耦合演化最密切的是動電效應：液相相對于固相帶電表面流動產生流動電位，液相內部化學勢梯度誘發擴散電位，在無氧化還原過程時，這兩者是誘發自然電場異常的主要因素。與擴散電位不同，流動電位是一種固液耦合電場效應，可基于雙電層模型給出解釋(圖1及文獻[20])，其物理本質是固體表面對液體中帶電粒子的選擇性吸附等所誘發的帶電粒子定向分離及由此形成的庫倫場；自然界中的過濾電場是其天然表現，包括裂隙電場、上升泉電場、山地電場、河流電場等。

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

一般地，在排放區，即水流下游，顯示正電位；在補給區，即水流上游，顯示負電位(圖2及文獻[20]、圖3及文獻[21])；流動電位常受液體壓力梯度控制且與液體壓差、流速成正相關，所以，在穩態水巖耦合系統中，氧化還原電位、擴散電位、流動電位等共同控制自然電場的分布及演化；當地下水快速運移時，受流速、壓差主導的流動電位成為主控因子；而在滲水、涌水甚或潰水的過程中，滲流方式常從有壓流變為無壓流并伴隨流速、壓差的突變，受流動電位控制的自然電場呈現非線性響應且常表現為自然電位的大幅階躍式波動。然而，力電成因(巖體變形及破裂成因)的自然電場異常也會表現為自然電位的非線性波動，且這兩類成因在滲流系統失穩及災變過程中往往伴生(圖4及文獻[17])；此外，與人工源地電場類似，自然電場也受場源和介質雙重控制，尤其在突水(或透水)過程中，自然電位的波動信號是多種成因的綜合結果，須在成功揭示不同成因的自然電場演化機理及特征的基礎上才能實現其精細解析。

1.2 水巖耦合演化自然電場響應機制辨析

圖2 法國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，France[20]

不論穩態流場還是富含突變行為的復雜流場，水體的遷移都代表著自然電場場源的遷移，水巖空間耦合形態的演變意味著介質的演變，所以，對同一觀測系統來說：

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

(1)測點與場源的相對空間關系是動態變化的，水流的遷移誘發正電荷富集區的遷移和負電荷富集區的演化，故一般地，在入滲、滲漏、管涌等非飽和滲流現象發生時，在水流下游會監測到自然電位信號的攀升現象(圖5及文獻[15])，其成因有：① 水巖耦合界面的擴張造成水流前緣富余正電荷的增加而導致自然電場強度的增大及自然電位的攀升；② 水流前緣與測點之間相對距離的縮減誘發該點的自然電場強度增大、電位攀升。同理，水流前緣與測點的相對遠離則會導致自然電位下降，且補給區的擴張也會加劇這種下降。實測工作表明，由水體遷移而誘發的自然電位升、降幅度不等(量級一般為10～10mV水平)且明顯受觀測系統與水流相對空間距離的影響。

(2)測區內巖體變形、破壞及富水性的變化都會引起介質各項異性的變化，此時自然電場響應特征受場源與介質雙重演變過程的控制。

(3)從測試的角度來看，測點過水會導致測量電極接地電阻的降低，也會對實測電位信號帶來擾動。

圖4 采動圍巖水滲流物理模擬實測自然電位特征[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測自然電位曲線[15]Fig.5 Selt-potential time-varying line of fissure water seepage physical simulation[15]

總之，在水巖耦合演化過程中，測點在水流的上游還是下游、水流向測點靠近還是遠離、水流是否流經測點，這些都會影響自然電位的實測特征，但此三者的耦合機制尚未被厘清。此外，在采掘擾動條件下，還須兼顧巖體變形破裂帶來的擾動，它也會誘發自然電位的大幅階躍行為(可達上百mV水平)。

對巷道、隧道及采煤工作面圍巖水滲流監測而言，地電場觀測系統過水意味著巷道或隧道已具有出水危險，故自然電位的過水響應就是一種出水前兆；同時，鑒于該類信號的出現象征著場源與介質雙重演化的特殊過程，有必要從過水現象入手來厘清地下水非飽和滲流自然電位響應的基本特征。為便于表達，將測點過水前后自然電位的異常響應現象稱為過水效應。

2 地下水滲流自然電位過水效應研究

2.1 均勻介質滲流實測實驗

在深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室礦井水滲流模擬平臺上開展實驗，如圖6(a)所示，滲流通道為圓筒型，亞克力材質，外徑=15 cm，內徑=10.4 cm，高=30 cm，上端入水，下端出水，腔體側面選用5個碳質電極，間距5 cm，參比電極N在對側上部。將中細石英砂、黏土按體積比3∶2混合作為滲流介質，供水速率2.5 mL/min，每1 min采集1組數據，共歷時120 min。如圖6(b)所示，測點D1～D4的自然電位信號具有共性：① 在水流靠近測點的過程中，自然電位持續攀升，該現象與前文1.2節的分析一致；② 在水流覆蓋測點時，自然電位出現陡降；③ 隨著水流路徑的擴張，自然電位恢復攀升趨勢。當水流自上而下逐次經過D1～D4時，自然電位先后有序陡降，降幅都在300 mV以上。實驗結束時，水流仍未能抵達D5，其自然電位也未見陡降行為。

圖6 均勻介質滲流實驗及自然電位曲線Fig.6 Homogeneous medium seepage experiment and the self-potential curves

2.2 裂隙滲流實測實驗

在煤炭資源與安全開采國家重點實驗室的礦山覆巖采動破壞大型相似材料模擬平臺上制作了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，模擬地層呈水平產狀。先模擬開采煤層，使上覆巖層中產生采動裂隙，再將模型放置48 h使其內部應力分布穩定，然后開展滲流實驗。模型外觀如圖7(a)所示，藍色虛線指示了實驗結束時的入滲范圍，可見水流左右擴張范圍大于向下滲透范圍，說明縱向裂隙連通性較差而橫向裂隙對水流起主要導引作用。如圖7(b)所示，位于滲水區的D7，D8，D10的自然電位響應特征具有共性：① 在水流靠近測點的過程中，自然電位持續攀升，該現象與前文1.2中的理論分析和2.1節中的實驗現象一致；② 在水流緩慢覆蓋測點的過程中，自然電位出現陡降或近似陡降且降幅不一的現象，這與2.1節中的實驗現象類似但也有差異，說明滲流過程受介質各向異性(此處為層狀介質且裂隙發育不均)影響；③ 隨著滲水區繼續擴張，自然電位在波動中恢復攀升趨勢。此外，位于上游方向的D1自然電位呈下降形態，而位于下游方向的D11未發生過水，其自然電位也未出現大幅陡降而只是整體波動緩升，這與2.1節中實驗結論也一致。

圖7 裂隙滲流實驗及自然電位曲線Fig.7 Fissure seepage experiment and the self-potential curves

統觀前述2項實測實驗及理論分析，可見水流前緣向測點靠近、經過測點、而后遠離的過程中，自然電位先上升、再陡降、后攀升，這是自然電場過水效應的基本特征。

2.3 水巖耦合演化自然電場過水效應成因分析

(1) 從“場”的分布及演化的角度來看：由地下水非飽和滲流構建的自然電場場源不可被簡單地視為點源、線源或面源，而是一種復雜的時變體源。一般地，由體源所構建的電場的空間分布會呈分區特征，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的空間分布也應具有這種分區特征，其分區界面由與水流接觸的固體界面和水流的自由液面共同構成，且其分區特征在遷移著的水流前緣附近表現得最明顯。

(2) 從信號測試的角度來看：測點過水造成測量電極接地電阻的降低，接地電阻上的分壓亦隨之降低，由此造成實測電位信號的降低。即，由于動電成因的自然電場場源的本質是一種密度電流源，故可認為在測點過水前后，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，接地電阻降低會引發測試電位降低，進而造成測試信號幅值的下降，其下降速率與接地電阻的降低速率相關。

(3)綜合前文2.1節和2.2節中實測電位信號特征來看，自然電場的分區特征會影響實測自然電位信號的變化趨勢，但并不必然造成其降幅如此之大，而測點過水卻可能導致接地電阻降低1～2個數量級，對實測電位信號所帶來的擾動更強。這一推論可由實測數據佐證：在破碎巖體滲流模擬實測實驗(見文獻[5]第75頁)中發現測點過水事件發生過一次、接地電阻已降低之后，自然電位響應特征主要受水力條件控制而不再呈現過水效應特征。

3 水巖耦合演化自然電場響應原位實測研究

在安徽淮北某礦開展了煤層頂板覆巖水滲流地電場原位監測工作，采用鉆探與注漿技術將觀測系統安裝于監測鉆孔中，孔長115 m，仰角27.3°，偏角11°(偏向面內)，銅質電極32個(即測點，編號為D1～D32)，極距3 m，實驗為期23 d，公共比較極N安裝于孔口附近；同時進行了直流電阻率法的動態勘探工作，其公共供電負極B安裝于600 m外的巷道中。選取每天上午8:00的自然電位數據進行計算和分析，保證數據采集的背景場基本一致且人文噪聲較少。分別給出自然電位時變曲線和直流電阻率動態勘探成果圖，如圖8，9所示：可見在同一觀測系統下自然電位整體上升且視電阻率以低阻區演化為主，由此可判定測區內的自然電場主要受地下水滲流場的控制而裂隙場的擾動相對較弱。

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

基于前文理論和實測研究結論，按照部分測點自然電位時序波動信號出現相位差異(相對其他測點而言)且呈負向跳變的原則，發現32個電極中具有潛在過水特征的測點共有4個，如圖8所示，這4個測點(D9，D13，D14，D29)的時序信號指示了3個潛在過水事件的發生：事件①于6月2日在測點D9處發生，事件②于6月6日在測點D13和D4處發生，事件③于6月22日在測點D29處發生。在圖9中，這4個測點處都發生了低阻(0～30 Ω·m)演化行為，結合出水量信息可判定它們都位于滲流演化區且過水事件①,②,③的發生指示著滲流路徑及滲流范圍的擴張；同時，觀察低阻區的整體演化規律，可認為早在6月2日測區內就已存在水體運移行為，且測點D10～D12已先期過水故而其自然電位未表現出過水效應特征；此外，位于高阻演化區的測點也未顯示出自然電位的明顯差異，說明在本實驗中，巖體破壞導致的自然電場異常與過水效應不同，其強度更弱或受抑制。

由此可見：基于自然電場法與直流電阻率法的耦合探測關鍵技術和前述對自然電位過水效應的新認識，可實現觀測系統過水事件的有效判識；然后再對自然電位與直流電阻率數據進行耦合分析，可實現對導水通道及富水區演化特征的精細解釋和對滲流演化趨勢的準確評價。這可為圍巖出水趨勢超前預測方法提供理論補充，并實現不同成因的自然電場響應特征及其耦合機制的完整揭示。

4 水巖耦合演化自然電場近源效應的內涵、科學意義及臨災前兆識別

4.1 內 涵

綜合前文分析，在水巖耦合系統中，對裂隙巖體滲流、破碎巖體滲流等非飽和滲流誘發的自然電場而言，有以下認識：① 隨著水巖耦合界面的擴張，水流中富余離子(正電荷)增多，庫倫場強隨之增大，造成實測自然電位信號的攀升；② 實測自然電位的時序信號特征受觀測系統與水流的相對空間關系所控制，水流向測點靠近誘發自然電位信號變強、造成其幅值增大，水流與測點背離則導致自然電位信號變弱、造成其幅值下降；③ 水流離觀測系統較近時，可能會有部分測點過水并主要因接地電阻的改變而導致自然電位過水效應的發生，它指示著測區內導水路徑的擴張或滲流范圍的擴大，可視為一種圍巖出水前兆；④ 過水效應發生與否，自然電位的響應規律有顯著差異，這可為自然電場監測數據的正確解讀提供支撐。

故此，把在自然電場全空間監測工作中出現的、水流充分接近(含覆蓋)測點的全過程中誘發的自然電場異常響應定義為一種近源效應，它主要由自然電場的動電成因(流動電位成因)所致且與水巖耦合演化、尤其是過水區的演化密切相關。其主要特征為：① 當測點不存在過水事件時，自然電位隨水流向測點的靠近而攀升、隨水流與測點的遠離而下降，整體呈現先上升、后下降的形態；② 當測點存在過水事件時，自然電位隨水流向測點的靠近而攀升、隨水流覆蓋測點而出現相位突變(相較其他測點而言)和負向跳變、隨水流與測點的遠離而恢復攀升形態、而后隨水流充分遠離而下降并最終趨于平穩(直到隨水力條件改變而再次改變)；③ 因裂隙發育及水巖耦合演化具有各向異性，同一條測線上往往只有部分測點會發生過水事件并出現自然電位的過水效應，且這部分測點常位于視電阻率(或電阻率)低阻演化區。

4.2 科學意義

科學揭示自然電場近源效應及其內涵，可完整認識在全空間自然電場監測場景下、以流動電位為主控因素的自然電場響應機理并獲取其主要特征，同時具有以下科學意義：① 便于研究復雜成因的自然電場實測信號處理、數據解析及資料解釋方法，便于揭示水巖耦合系統中自然電場的形成機理及多種成因的耦合機制；② 便于研究全空間地電場三場并行探測、耦合解析與特征融合方法，推動地電場4D精準探測關鍵技術的形成；③ 便于研究水巖耦合系統演化狀態精細探測方法、災變前兆信息的捕捉及致災因子的判識方法等，為地下水滲流演化監測和地下工程突水(或透水)災害的短臨預警提供理論依據。

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

4.3 臨災前兆及識別

(1)同一觀測系統下自然電位信號的連續、大幅上升，是水流靠近測區的標志，如該現象發生在圍巖中的斷層、裂隙帶、破碎帶、陷落柱范圍內，尤其存在采掘擾動因素時，則往往指示著滲水、涌水甚至潰水的可能；在實際工程中，可由直流電阻率法、激電法、瞬變電磁法等對富水性的動態檢測成果予以輔證或檢驗，尤其是電阻率或視電阻率低阻區的演化最具佐證價值。

(2)觀測系統過水事件本身可被視為一種短臨災變前兆。一般地，在隧道、巷道圍巖水滲流監測場景下，觀測系統的安裝位置距隧道、巷道空間很近(多在200 m范圍內)，如測線上有個別甚或多個測點過水，則意味著水流已經靠近隧道、巷道空間，需要發出預警，并對電阻率、極化率、水文觀測數據等資料進行耦合分析，以對滲流場的演變趨勢進行精細分析、超前預測，并在必要時進行注漿治理或啟動應急預案。

(3)對過水效應的準確識別需基于自然電場法與直流電阻率法的并行探測與耦合解析來實現，同時也可由激電法、瞬變電磁法等的探測成果予以輔證。在同一觀測系統下，若部分測點的自然電位曲線出現相位突變和負向跳變，同時這些測點又在視電阻率(電阻率)低阻演化區，則可判斷該測點發生了過水，需予以重視。

(4)電阻率以低阻區演化為主、自然電位時序信號整體以攀升為主的特征是判定測區內自然電場主要受滲流場控制的依據，這與受裂隙場演化主導的自然電位時序信號整體以富含階躍的下降形態為主且電阻率以高阻區演化為主的規律有明顯差別；故協同分析電阻率的演化行為和自然電位時序信號的整體演化趨勢，是判識自然電場異常成因及潛在災害類型的重要途徑。

5 結 論

(1)在全空間地電場探測方法中，自然電場可指示水體流向且對滲流演化行為的時域響應更超前,將其與激勵電場、感應電場對物性的空間表征能力相結合，可提升探測的時空精度、獲取水巖耦合演化監測及臨災預警的新突破；但須在成功揭示不同成因的自然電場演化機理及特征的基礎上才能實現其精細解析及定量探測。

(2)在裂隙巖體滲流、破碎巖體滲流等非飽和滲流及突變過程中，鑒于自然電場受流動電位控制且與水巖耦合演化、尤其是過水區的演化密切相關，故把在自然電場全空間監測工作中出現的、水流充分接近測點(含覆蓋)時誘發的自然電場異常響應定義為一種近源效應，其主要特征為：① 不存在過水事件時，自然電位隨水流向測點的靠近而攀升、隨水流與測點的遠離而下降；② 存在過水事件時，自然電位隨水流向測點的靠近而攀升、隨水流覆蓋測點而出現相位突變和負向跳變、而后恢復攀升趨勢但最終隨著水流與測點的遠離而再次下降并趨于平穩；③ 因裂隙發育及水巖耦合演化具有各向異性，同一條測線上往往只有部分測點會發生過水事件，這可根據自然電位的相位突變、負向跳變及視電阻率(或電阻率)低阻演化特征等綜合響應特征予以識別。

(3)利用自然電場法與直流電阻率法的并行探測關鍵技術，可實現地下水滲流狀態及觀測系統過水事件的有效判識；基于此，再對自然電位與直流電阻率數據進行耦合分析，可實現對導水通道及富水區演化特征的精細解釋和對水巖耦合演化趨勢的超前預測。

(4)在實際工程中，同一觀測系統下自然電位信號的連續、大幅上升，是水流靠近測區的標志，可聯合直流電阻率法、激電法、瞬變電磁法等的動態檢測成果予以綜合判識；自然電位過水效應是一種短臨災變前兆，對其準確識別需基于自然電場法與直流電阻率法的并行探測與耦合解析來實現，也可由其他探測資料予以輔證。