水岩耦合演化自然电场近源效应与临灾前兆

刘 静，刘盛东，王 勃，路 拓，刘志新

(1.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221116；3.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054)

重大水害防控是矿井、隧道、地铁及新时期我国地下空间综合开发利用等领域长期面临的重大科技难题，而其核心问题，即水岩耦合变形破坏及与之相关的固体损伤破坏、水体湍流等问题，都是亟须破解的世界性难题。工程岩体因其脆性材料特性会突发断裂，处于临界状态的流固系统受微弱扰动就会剧烈突变，且这两者往往伴生，它们共同成为水岩耦合演变(演化与突变)监测的难点，而采掘等扰动因素的加入会让问题更复杂。在多种地球物理探测手段中，地电场法(包括直流电法DC、激电法IP、自然电场法SP等)是经过长期实践检验的经典方法，可用于不同时-空尺度(μs-cm尺度至day-km尺度)的探测，且因信息丰富(含自然电场、激励电场、感应电场三场)而对岩体损伤破坏、地下水渗流及2者的耦合演变都有表征能力。其中，自然电场可指示水体流向且时域响应更超前，将该优势与激励电场、感应电场对物性的空间表征能力相结合，进行三场并行测试与耦合解析，有望提升地电场探测的时空精度，进而获取水岩耦合演化监测与临灾预警的新突破。自1830年Robert Fox进行自然电场法勘探以来，基于动电成因理论的自然电场法已构建独立的理论与技术体系，但其探测目标多是稳态或近似稳态的、具有非时变或弱时变特征的地质体，其数据解析、成像也多以达西渗流等稳态流固耦合理论为依据，而面对急变流、湍流等复杂流场及其突变行为监测的问题时，相关基础理论已显匮乏，对采动岩体渗流而言更甚，这也制约着地电场探测的4D化、精准化。同时，要将自然电场法从地表半空间勘探拓展到地下全空间监测(更接近灾害源且信号强度可提高2～4个数量级)，则需解决因方法原理、地质环境、工程扰动、施工工艺等的复杂化而产生的新问题。

与地面常用阵列式观测形式不同，地下全空间自然电场观测系统多呈线形，且需借助钻探与注浆手段来实现孔中安装(巷道空间亦可用但信噪比低)。有赖这类施工工艺和主、被动一体化的并行电法理念，自然电场法与直流电阻率法的全空间耦合探测关键技术得以构建，并据此实现了矿井突水灾害的准确预警、避免了人员伤亡。然而，自然电场的复杂成因决定了其多解性，针对流固耦合演变监测的全空间自然电场精细解释准则始终难以建立，尤其是对自然电位(self-potential)时序信号多尺度非线性波动特征的精细解析是一大难点；同时，仅从成因的角度来研究自然电场的时空特征是不够的，还必须考虑介质的各向异性及演变，尤其是水体迁移和岩体破断行为带来的影响。其中，水体迁移过程中自然电位信号的动态响应特征未被完整揭示，在实际工程中难以保障监测数据的准确解析。针对此问题，开展了近10 a的矿井水渗流全空间自然电场监测研究，在此过程中发现观测系统过水事件(在地表及水中探测时罕见发生)的发生会导致特殊的自然电位波动信号，但该信号容易被当作水量减少或岩体破断的信号予以解读而造成灾变趋势的误判，故必须对其成因、特征进行辨析。鉴于该现象主要由自然电场的动电成因所致且与水体迁移状态、尤其是过水区的演化相关，提出水岩耦合演化自然电场近源效应的定义，并论述其成因、特征、科学意义与临灾判识方法。下文主要从理论分析、室内实测研究、工程实测研究3个层面进行详细论述。后文以自然电位这一参量来表征自然电场特征并以其英文缩写的正体格式“SP”来指代。

1 水岩耦合演化自然电场响应机理

岩土体中带电粒子的集散是大自然进行能量转化及转移的重要微观机制之一，自然电场是其宏观效应。微观机制不同会导致宏观特征各异，岩体损伤破坏、地下水渗流及2者的耦合演化都会造成实测自然电位时序信号的波动，但其成因、特征却有所差异。

1.1 水岩耦合演化自然电场异常成因辨析

水岩耦合系统中的自然电场主要由动电效应、力电效应及热电效应等所诱发，其中与水岩耦合演化最密切的是动电效应：液相相对于固相带电表面流动产生流动电位，液相内部化学势梯度诱发扩散电位，在无氧化还原过程时，这两者是诱发自然电场异常的主要因素。与扩散电位不同，流动电位是一种固液耦合电场效应，可基于双电层模型给出解释(图1及文献[20])，其物理本质是固体表面对液体中带电粒子的选择性吸附等所诱发的带电粒子定向分离及由此形成的库伦场；自然界中的过滤电场是其天然表现，包括裂隙电场、上升泉电场、山地电场、河流电场等。

图1 基于双电层模型的流动电位形成原理 [20]Fig.1 Schematic diagram of streaming potential formation based on electric double layer model[20]

一般地，在排放区，即水流下游，显示正电位；在补给区，即水流上游，显示负电位(图2及文献[20]、图3及文献[21])；流动电位常受液体压力梯度控制且与液体压差、流速成正相关，所以，在稳态水岩耦合系统中，氧化还原电位、扩散电位、流动电位等共同控制自然电场的分布及演化；当地下水快速运移时，受流速、压差主导的流动电位成为主控因子；而在渗水、涌水甚或溃水的过程中，渗流方式常从有压流变为无压流并伴随流速、压差的突变，受流动电位控制的自然电场呈现非线性响应且常表现为自然电位的大幅阶跃式波动。然而，力电成因(岩体变形及破裂成因)的自然电场异常也会表现为自然电位的非线性波动，且这两类成因在渗流系统失稳及灾变过程中往往伴生(图4及文献[17])；此外，与人工源地电场类似，自然电场也受场源和介质双重控制，尤其在突水(或透水)过程中，自然电位的波动信号是多种成因的综合结果，须在成功揭示不同成因的自然电场演化机理及特征的基础上才能实现其精细解析。

1.2 水岩耦合演化自然电场响应机制辨析

图2 法国Roujan盆地地下水流域自然电位与地形 [20]Fig.2 Composite map of self-potential and topography of groundwater basin in Roujan Basin，France[20]

不论稳态流场还是富含突变行为的复杂流场，水体的迁移都代表着自然电场场源的迁移，水岩空间耦合形态的演变意味着介质的演变，所以，对同一观测系统来说：

图3 坝体渗漏自然电场分布形态[21]Fig.3 Distribution form of natural electric field of dam leakage[21]

(1)测点与场源的相对空间关系是动态变化的，水流的迁移诱发正电荷富集区的迁移和负电荷富集区的演化，故一般地，在入渗、渗漏、管涌等非饱和渗流现象发生时，在水流下游会监测到自然电位信号的攀升现象(图5及文献[15])，其成因有：① 水岩耦合界面的扩张造成水流前缘富余正电荷的增加而导致自然电场强度的增大及自然电位的攀升；② 水流前缘与测点之间相对距离的缩减诱发该点的自然电场强度增大、电位攀升。同理，水流前缘与测点的相对远离则会导致自然电位下降，且补给区的扩张也会加剧这种下降。实测工作表明，由水体迁移而诱发的自然电位升、降幅度不等(量级一般为10～10mV水平)且明显受观测系统与水流相对空间距离的影响。

(2)测区内岩体变形、破坏及富水性的变化都会引起介质各项异性的变化，此时自然电场响应特征受场源与介质双重演变过程的控制。

(3)从测试的角度来看，测点过水会导致测量电极接地电阻的降低，也会对实测电位信号带来扰动。

图4 采动围岩水渗流物理模拟实测自然电位特征[17] Fig.4 Self-potential signals of mining wall rock water seepagesimulation[17]

图5 裂隙水渗流物理模拟实测自然电位曲线[15]Fig.5 Selt-potential time-varying line of fissure water seepage physical simulation[15]

总之，在水岩耦合演化过程中，测点在水流的上游还是下游、水流向测点靠近还是远离、水流是否流经测点，这些都会影响自然电位的实测特征，但此三者的耦合机制尚未被厘清。此外，在采掘扰动条件下，还须兼顾岩体变形破裂带来的扰动，它也会诱发自然电位的大幅阶跃行为(可达上百mV水平)。

对巷道、隧道及采煤工作面围岩水渗流监测而言，地电场观测系统过水意味着巷道或隧道已具有出水危险，故自然电位的过水响应就是一种出水前兆；同时，鉴于该类信号的出现象征着场源与介质双重演化的特殊过程，有必要从过水现象入手来厘清地下水非饱和渗流自然电位响应的基本特征。为便于表达，将测点过水前后自然电位的异常响应现象称为过水效应。

2 地下水渗流自然电位过水效应研究

2.1 均匀介质渗流实测实验

在深部岩土力学与地下工程国家重点实验室矿井水渗流模拟平台上开展实验，如图6(a)所示，渗流通道为圆筒型，亚克力材质，外径=15 cm，内径=10.4 cm，高=30 cm，上端入水，下端出水，腔体侧面选用5个碳质电极，间距5 cm，参比电极N在对侧上部。将中细石英砂、黏土按体积比3∶2混合作为渗流介质，供水速率2.5 mL/min，每1 min采集1组数据，共历时120 min。如图6(b)所示，测点D1～D4的自然电位信号具有共性：① 在水流靠近测点的过程中，自然电位持续攀升，该现象与前文1.2节的分析一致；② 在水流覆盖测点时，自然电位出现陡降；③ 随着水流路径的扩张，自然电位恢复攀升趋势。当水流自上而下逐次经过D1～D4时，自然电位先后有序陡降，降幅都在300 mV以上。实验结束时，水流仍未能抵达D5，其自然电位也未见陡降行为。

图6 均匀介质渗流实验及自然电位曲线Fig.6 Homogeneous medium seepage experiment and the self-potential curves

2.2 裂隙渗流实测实验

在煤炭资源与安全开采国家重点实验室的矿山覆岩采动破坏大型相似材料模拟平台上制作了2.5 m×0.2 m×2.0 m的模型，模拟材料以石英砂为主、水泥等为辅，模拟地层呈水平产状。先模拟开采煤层，使上覆岩层中产生采动裂隙，再将模型放置48 h使其内部应力分布稳定，然后开展渗流实验。模型外观如图7(a)所示，蓝色虚线指示了实验结束时的入渗范围，可见水流左右扩张范围大于向下渗透范围，说明纵向裂隙连通性较差而横向裂隙对水流起主要导引作用。如图7(b)所示，位于渗水区的D7，D8，D10的自然电位响应特征具有共性：① 在水流靠近测点的过程中，自然电位持续攀升，该现象与前文1.2中的理论分析和2.1节中的实验现象一致；② 在水流缓慢覆盖测点的过程中，自然电位出现陡降或近似陡降且降幅不一的现象，这与2.1节中的实验现象类似但也有差异，说明渗流过程受介质各向异性(此处为层状介质且裂隙发育不均)影响；③ 随着渗水区继续扩张，自然电位在波动中恢复攀升趋势。此外，位于上游方向的D1自然电位呈下降形态，而位于下游方向的D11未发生过水，其自然电位也未出现大幅陡降而只是整体波动缓升，这与2.1节中实验结论也一致。

图7 裂隙渗流实验及自然电位曲线Fig.7 Fissure seepage experiment and the self-potential curves

统观前述2项实测实验及理论分析，可见水流前缘向测点靠近、经过测点、而后远离的过程中，自然电位先上升、再陡降、后攀升，这是自然电场过水效应的基本特征。

2.3 水岩耦合演化自然电场过水效应成因分析

(1) 从“场”的分布及演化的角度来看：由地下水非饱和渗流构建的自然电场场源不可被简单地视为点源、线源或面源，而是一种复杂的时变体源。一般地，由体源所构建的电场的空间分布会呈分区特征，如带电的球体、圆柱体等。由此不难理解，地下水非饱和渗流自然电场的空间分布也应具有这种分区特征，其分区界面由与水流接触的固体界面和水流的自由液面共同构成，且其分区特征在迁移着的水流前缘附近表现得最明显。

(2) 从信号测试的角度来看：测点过水造成测量电极接地电阻的降低，接地电阻上的分压亦随之降低，由此造成实测电位信号的降低。即，由于动电成因的自然电场场源的本质是一种密度电流源，故可认为在测点过水前后，其附近的自然电流密度基本保持不变，那么由欧姆定理显然可知，接地电阻降低会引发测试电位降低，进而造成测试信号幅值的下降，其下降速率与接地电阻的降低速率相关。

(3)综合前文2.1节和2.2节中实测电位信号特征来看，自然电场的分区特征会影响实测自然电位信号的变化趋势，但并不必然造成其降幅如此之大，而测点过水却可能导致接地电阻降低1～2个数量级，对实测电位信号所带来的扰动更强。这一推论可由实测数据佐证：在破碎岩体渗流模拟实测实验(见文献[5]第75页)中发现测点过水事件发生过一次、接地电阻已降低之后，自然电位响应特征主要受水力条件控制而不再呈现过水效应特征。

3 水岩耦合演化自然电场响应原位实测研究

在安徽淮北某矿开展了煤层顶板覆岩水渗流地电场原位监测工作，采用钻探与注浆技术将观测系统安装于监测钻孔中，孔长115 m，仰角27.3°，偏角11°(偏向面内)，铜质电极32个(即测点，编号为D1～D32)，极距3 m，实验为期23 d，公共比较极N安装于孔口附近；同时进行了直流电阻率法的动态勘探工作，其公共供电负极B安装于600 m外的巷道中。选取每天上午8:00的自然电位数据进行计算和分析，保证数据采集的背景场基本一致且人文噪声较少。分别给出自然电位时变曲线和直流电阻率动态勘探成果图，如图8，9所示：可见在同一观测系统下自然电位整体上升且视电阻率以低阻区演化为主，由此可判定测区内的自然电场主要受地下水渗流场的控制而裂隙场的扰动相对较弱。

图8 煤层顶板水渗流原位实测自然电位曲线Fig.8 In-situ measured self-potential curves of coal roof water seepage

基于前文理论和实测研究结论，按照部分测点自然电位时序波动信号出现相位差异(相对其他测点而言)且呈负向跳变的原则，发现32个电极中具有潜在过水特征的测点共有4个，如图8所示，这4个测点(D9，D13，D14，D29)的时序信号指示了3个潜在过水事件的发生：事件①于6月2日在测点D9处发生，事件②于6月6日在测点D13和D4处发生，事件③于6月22日在测点D29处发生。在图9中，这4个测点处都发生了低阻(0～30 Ω·m)演化行为，结合出水量信息可判定它们都位于渗流演化区且过水事件①,②,③的发生指示着渗流路径及渗流范围的扩张；同时，观察低阻区的整体演化规律，可认为早在6月2日测区内就已存在水体运移行为，且测点D10～D12已先期过水故而其自然电位未表现出过水效应特征；此外，位于高阻演化区的测点也未显示出自然电位的明显差异，说明在本实验中，岩体破坏导致的自然电场异常与过水效应不同，其强度更弱或受抑制。

由此可见：基于自然电场法与直流电阻率法的耦合探测关键技术和前述对自然电位过水效应的新认识，可实现观测系统过水事件的有效判识；然后再对自然电位与直流电阻率数据进行耦合分析，可实现对导水通道及富水区演化特征的精细解释和对渗流演化趋势的准确评价。这可为围岩出水趋势超前预测方法提供理论补充，并实现不同成因的自然电场响应特征及其耦合机制的完整揭示。

4 水岩耦合演化自然电场近源效应的内涵、科学意义及临灾前兆识别

4.1 内 涵

综合前文分析，在水岩耦合系统中，对裂隙岩体渗流、破碎岩体渗流等非饱和渗流诱发的自然电场而言，有以下认识：① 随着水岩耦合界面的扩张，水流中富余离子(正电荷)增多，库伦场强随之增大，造成实测自然电位信号的攀升；② 实测自然电位的时序信号特征受观测系统与水流的相对空间关系所控制，水流向测点靠近诱发自然电位信号变强、造成其幅值增大，水流与测点背离则导致自然电位信号变弱、造成其幅值下降；③ 水流离观测系统较近时，可能会有部分测点过水并主要因接地电阻的改变而导致自然电位过水效应的发生，它指示着测区内导水路径的扩张或渗流范围的扩大，可视为一种围岩出水前兆；④ 过水效应发生与否，自然电位的响应规律有显著差异，这可为自然电场监测数据的正确解读提供支撑。

故此，把在自然电场全空间监测工作中出现的、水流充分接近(含覆盖)测点的全过程中诱发的自然电场异常响应定义为一种近源效应，它主要由自然电场的动电成因(流动电位成因)所致且与水岩耦合演化、尤其是过水区的演化密切相关。其主要特征为：① 当测点不存在过水事件时，自然电位随水流向测点的靠近而攀升、随水流与测点的远离而下降，整体呈现先上升、后下降的形态；② 当测点存在过水事件时，自然电位随水流向测点的靠近而攀升、随水流覆盖测点而出现相位突变(相较其他测点而言)和负向跳变、随水流与测点的远离而恢复攀升形态、而后随水流充分远离而下降并最终趋于平稳(直到随水力条件改变而再次改变)；③ 因裂隙发育及水岩耦合演化具有各向异性，同一条测线上往往只有部分测点会发生过水事件并出现自然电位的过水效应，且这部分测点常位于视电阻率(或电阻率)低阻演化区。

4.2 科学意义

科学揭示自然电场近源效应及其内涵，可完整认识在全空间自然电场监测场景下、以流动电位为主控因素的自然电场响应机理并获取其主要特征，同时具有以下科学意义：① 便于研究复杂成因的自然电场实测信号处理、数据解析及资料解释方法，便于揭示水岩耦合系统中自然电场的形成机理及多种成因的耦合机制；② 便于研究全空间地电场三场并行探测、耦合解析与特征融合方法，推动地电场4D精准探测关键技术的形成；③ 便于研究水岩耦合系统演化状态精细探测方法、灾变前兆信息的捕捉及致灾因子的判识方法等，为地下水渗流演化监测和地下工程突水(或透水)灾害的短临预警提供理论依据。

图9 煤层顶板水渗流原位实测视电阻率时移剖面Fig.9 In-situ measured apparent resistivity time-lapse profile of water seepage in coal roof

4.3 临灾前兆及识别

(1)同一观测系统下自然电位信号的连续、大幅上升，是水流靠近测区的标志，如该现象发生在围岩中的断层、裂隙带、破碎带、陷落柱范围内，尤其存在采掘扰动因素时，则往往指示着渗水、涌水甚至溃水的可能；在实际工程中，可由直流电阻率法、激电法、瞬变电磁法等对富水性的动态检测成果予以辅证或检验，尤其是电阻率或视电阻率低阻区的演化最具佐证价值。

(2)观测系统过水事件本身可被视为一种短临灾变前兆。一般地，在隧道、巷道围岩水渗流监测场景下，观测系统的安装位置距隧道、巷道空间很近(多在200 m范围内)，如测线上有个别甚或多个测点过水，则意味着水流已经靠近隧道、巷道空间，需要发出预警，并对电阻率、极化率、水文观测数据等资料进行耦合分析，以对渗流场的演变趋势进行精细分析、超前预测，并在必要时进行注浆治理或启动应急预案。

(3)对过水效应的准确识别需基于自然电场法与直流电阻率法的并行探测与耦合解析来实现，同时也可由激电法、瞬变电磁法等的探测成果予以辅证。在同一观测系统下，若部分测点的自然电位曲线出现相位突变和负向跳变，同时这些测点又在视电阻率(电阻率)低阻演化区，则可判断该测点发生了过水，需予以重视。

(4)电阻率以低阻区演化为主、自然电位时序信号整体以攀升为主的特征是判定测区内自然电场主要受渗流场控制的依据，这与受裂隙场演化主导的自然电位时序信号整体以富含阶跃的下降形态为主且电阻率以高阻区演化为主的规律有明显差别；故协同分析电阻率的演化行为和自然电位时序信号的整体演化趋势，是判识自然电场异常成因及潜在灾害类型的重要途径。

5 结 论

(1)在全空间地电场探测方法中，自然电场可指示水体流向且对渗流演化行为的时域响应更超前,将其与激励电场、感应电场对物性的空间表征能力相结合，可提升探测的时空精度、获取水岩耦合演化监测及临灾预警的新突破；但须在成功揭示不同成因的自然电场演化机理及特征的基础上才能实现其精细解析及定量探测。

(2)在裂隙岩体渗流、破碎岩体渗流等非饱和渗流及突变过程中，鉴于自然电场受流动电位控制且与水岩耦合演化、尤其是过水区的演化密切相关，故把在自然电场全空间监测工作中出现的、水流充分接近测点(含覆盖)时诱发的自然电场异常响应定义为一种近源效应，其主要特征为：① 不存在过水事件时，自然电位随水流向测点的靠近而攀升、随水流与测点的远离而下降；② 存在过水事件时，自然电位随水流向测点的靠近而攀升、随水流覆盖测点而出现相位突变和负向跳变、而后恢复攀升趋势但最终随着水流与测点的远离而再次下降并趋于平稳；③ 因裂隙发育及水岩耦合演化具有各向异性，同一条测线上往往只有部分测点会发生过水事件，这可根据自然电位的相位突变、负向跳变及视电阻率(或电阻率)低阻演化特征等综合响应特征予以识别。

(3)利用自然电场法与直流电阻率法的并行探测关键技术，可实现地下水渗流状态及观测系统过水事件的有效判识；基于此，再对自然电位与直流电阻率数据进行耦合分析，可实现对导水通道及富水区演化特征的精细解释和对水岩耦合演化趋势的超前预测。

(4)在实际工程中，同一观测系统下自然电位信号的连续、大幅上升，是水流靠近测区的标志，可联合直流电阻率法、激电法、瞬变电磁法等的动态检测成果予以综合判识；自然电位过水效应是一种短临灾变前兆，对其准确识别需基于自然电场法与直流电阻率法的并行探测与耦合解析来实现，也可由其他探测资料予以辅证。