采掘扰动岩体破坏自然电场近源效应

刘 静，刘盛东，刘志新，杨 彩

(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.中国矿业大学 物联网(感知矿山)研究中心，江苏 徐州 221008)

“双碳”背景下，在煤炭精准、智能、无人开采技术体系的建构中，针对重大灾害防控的时空四维探测的本质是全空间多相介质耦合系统非线性行为特征的捕捉及预判，这也是应用地球物理领域的重大难题。经过数十年的发展，以震、电、磁三大类方法为主的我国矿井地球物理勘探技术体系得以构建；其中，综合考虑场源、信号稳定性、施工空间、勘探周期、数据处理及信息含量等因素，在全空间动态勘探及实时监测方面，矿井地电场法具有激励便捷、信号稳定、施工空间灵活(巷、孔皆可)、勘探周期短、数据计算量相对较低、信息丰富(含自然电场、激励电场、感应电场三场信息)的特征，有望在4D探测方面实现创新性突破，但其瓶颈在于自然电场(0次场，以自然电位法为代表，即SP法)、激励电场(1次场，以直流电阻率法为代表，即DC法)、感应电场(2次场，以激电法为代表，即IP法)三场信息的耦合解析。另一方面，由于生产环境中的岩石受力遵循实际开采或开挖的应力空间变化路径而非单调加载路径，故必须强调工程扰动的动态过程及构造应力的影响等；同时，随着国家煤炭资源整合政策继续推进，对典型整合煤矿而言，多煤层异步开采、围岩重复扰动破坏的客观情况加剧了灾害防控的难度，制约着智能开采技术模式的推广；此外，在多煤层开采重复扰动围岩破坏过程中，破裂源的时空演化异常复杂，制约着微震与电磁辐射的探测精度，对多相介质耦合演化的探测来说更甚，类似问题也见于地铁、隧道等工程中。基于20余年的研究发现，立足于将自然电场、激励电场、感应电场的观测与解析并行完成的理念，将自然电场对具体岩体动力过程(岩体破坏、地下水渗流、流固耦合系统灾变等)的时域超前感应能力与直流电阻率法、激发极化法对物性的空间表征能力相结合，或基于震、电并行探测理念与关键技术，使之与微震、声发射对破裂源的空间定位能力相结合，则有望获取围岩破坏、流固耦合系统的时空4D探测及灾变预警的新突破，但前提是必须厘清自然电场对不同岩体动力过程的超前感应机理及响应特征。

目前，在岩体破坏方面，针对小尺度岩样破坏的实测研究成果颇丰，对岩样加载过程中的自然电场响应特征及其与应力场的耦合机制有了一定认识，但这些理论要扩展到受采掘扰动的、富含复杂结构面的大尺度工程岩体变形破坏的研究中，就必须克服跨尺度研究的困难。为此，笔者将矿山岩体力学领域的相似材料模拟手段引入到自然电场形成机理与演变特征的研究中，开展了室内实测研究和原位实测研究，在分析采掘扰动岩体破坏诱发的自然电场异常特征时，发现自然电场在近破裂区的响应规律与远破裂区存在明显差异，而前者对临灾预警的价值尤为突出却缺乏专门论述，这从根本上制约了自电位(Self-potential，多见于地震领域)、自然电位(Self-potential或Spontaneous potential，多见于水文物探领域)、表面电位(Surface potential)、感应电荷(Induction charge)等诸多研究成果的耦合分析和自然电场反演成像的实质性突破。

以煤系地层中典型的砂岩扰动破坏为研究对象，基于对岩体破坏自然电场异常成因的分析和对岩样破坏、物理模拟与原位岩体破坏3类实测成果的系统论述，提出并阐述采掘扰动岩体破坏自然电场响应过程中的近源效应的内涵、科学意义与关键问题，以期扩充全空间地电场探测及矿山、隧道、地铁等地下工程领域重大灾害预测预报的理论基础，对短临地震异常、井下地震监测等的研究也可提供参考。

如非特别交代，后文皆以自然电位这一参量来表征自然电场特征以便对接地电场三场的内涵，并以其英文缩写的正体格式“SP”来指代。

1 岩体破坏自然电场异常成因与基本特征

岩体破坏过程中的电磁异常包括2种基本过程：一是岩体变形与破裂引发电荷集散与流动而形成自然电场异常；二是岩体破裂时因发射高速电荷、断裂表面电荷振荡及电偶极子辐射等引发电磁辐射。研究表明，自然电场对受载岩体(含煤岩)的变形、破裂都有明显响应，其发生时间超前于电磁辐射、声光发射等相对高频信号，且对小尺度岩样和大规模岩体的断裂或断层发生位置具有指示作用。

1.1 岩体破坏自然电场异常成因

岩土体中的自然电场成因极其复杂，主要可概括为2类：一类是指岩土体多相耦合系统中的自然极化效应，包括电子导体的自然极化(氧化还原电场)和离子导体的自然极化(过滤电场、流动电场、扩散-吸附电场等)；另一类是指固相岩土体内部发生的力电效应或热电效应，包括压电效应、摩擦起电、裂隙尖端放电、位错滑移生电及三大热电效应的汤姆孙效应(Thomson effect)、塞贝克效应(Seebeck effect)、帕尔帖效应(Peltier effect)等。其中，在富有高应力储能的岩体(或岩石)破坏时，其变形与破裂都会引发自然电场异常，但后者(达几十甚至上千毫瓦)明显强于前者(达几个至几十毫瓦)，此时破裂源是自然电场异常的主控因素。从微观和宏观2种视角分别阐述如下：

(1)微观角度。岩体(或岩石)变形过程中，发生应力储能耗散，导致其内部微缺陷从无序向有序发展并形成微裂隙、微裂隙群，在此过程中发生自由电荷的富集和带电位错的激发，出现局部电流，导致SP异常信号产生；微裂隙的自组织行为诱发新裂隙，其尖端附近的界面呈现高度激发状态，导致低能的电子、光子、无线电波等发射，此时可测到SP脉冲信号；扩展着的裂隙尖端释放更多自由电荷，且形成的强电场可将电子加速到高能水平，导致剧烈的电子发射，由此，裂隙尖端附近发生电性及电荷密度的突变，导致强烈的SP脉冲或脉冲群信号产生；电子发射完成后，这些突现的电荷沿导电通道释放，SP信号随之衰减。当然，在实际岩石或岩体破坏时，上述过程往往交织并存。

(2)宏观角度。岩石应力储能的释放是导致震、光、电、热等物理异常的根源，应力储能向电能的渐进性(变形、储能耗散期)或突发性(破裂、储能释放期)转化导致了自然电场的演化及突变；换言之，因岩石破坏是从局部耗散到局部破坏并最终到整体灾变的过程，这从根本上决定了自然电场的时空演变是一种富含突变因子的复杂行为，不论采掘扰动诱发的原位岩体破坏还是室内加载导致的岩样破坏，实测SP信号都会表现出非线性特征及局部集中特征。总之，由岩体(或岩石)破坏所诱发的自然电场不是稳态电场，而是一种非线性的时变电场，应力场尤其是破裂源的时空演变主导其宏观特征。而人工建立的激励电场及同时由介质属性所控制的感应电场，其分布及演化往往被视为可控的、线性的；于是，与主动源地电场探测方法中由“源”得“场”再反推介质特征的思路不同，如何由“场”索“源”始终是自然电场法必须要解决的关键问题，这也是造成全空间自然电场4D探测方法难以构建的根本原因，故需予以系统研究。

此外，值得深思的是：不同于单调加载导致的岩样破坏，由于采掘扰动往往是持续且规律的，岩体破坏具有特定时空规律(在煤炭综采中常表现为顶板“上三带”、底板“下三带”、顶板来压周期及步距等规律性现象)，而受应力场尤其是破裂源所主导的自然电场亦当如此，这在实验研究及工程实践中已得到证实且表明了自然电场法可用于围岩破坏监测、破坏带范围动态检测、煤岩动力灾害预警等，但其理论基础仍不尽完善。如前文所述：对不同开采形式及重复采掘扰动诱发的自然电场响应机理与特征有何异同？下文结合实测成果予以探析。

1.2 岩样加载破坏自然电场异常响应实测特征

岩样(或煤样)荷载实测实验表明，自然电场异常发生于岩样(或煤样)变形破裂全过程中，且电位的突变幅度与载荷突变幅度密切相关(此处系指对自然电位、自电位、表面电位、感应电位4种参数的研究)。单轴加载砂岩岩样破裂实测数据(图1)表明砂岩岩样破裂阶段自然电位波动幅度(几十至上百毫伏)远远高于形变阶段(几个毫伏)，该结论由声发射数据和视电阻率数据给予了辅证，这与花岗岩岩样破坏实测结论具有共性，而实测表面电位特征(图2)亦类似；同时，预制裂纹岩样破坏实验表明，扩展裂纹的尖端和新形成的裂纹壁面是产生自由电荷的主要位置，其信号强度在裂纹尖端近处较高、远处较低且裂纹两侧电位极性不同；其他类似实验也同样证明了电位波动幅度与距离主破裂的位置有关，而在岩样拉伸破坏过程中感应电荷亦呈现类似特征；此外，不同岩性的岩样加载实验都在岩样破坏时捕捉到了电位的大幅陡降特征(此处系指对自然电位、自电位、表面电位、感应电位4种参数的研究)，这对岩石损伤及失稳的超前判识具有重要意义。上述现象共同证实自然电场的异常响应特征与破裂源的时空演化路径密切相关，但囿于岩样尺度较小、可安装的电极数量有限而难以充分认识该问题，即：相对观测对象(岩样破裂行为)而言，观测系统过于简约，即观测系统、岩样、电极距都在厘米级而破裂尺度在次一级或更小，故由少量电极对所测量的电位差不能充分表征岩样中自然电场的时空演化机制，而且岩样破坏是单向的、不可重复的(卸压即结束)，这与原位岩体破坏的持续性及采掘扰动的重复性有差异，所以必须借助物理模拟和原位实测手段来提升研究尺度，以探究实际采掘扰动过程中的力-电耦合机制。

图1 砂岩试样破裂实测自然电位曲线[14]

图2 砂岩试样破坏实测表面电位曲线[41]

2 采掘扰动岩体破坏自然电场异常响应实测特征

采掘对岩体的扰动破坏可分为2类：一是对原状岩体带来破坏，造成新裂隙发育及破断；二是对已遭破坏的岩体带来二次或多次扰动破坏，使旧裂隙扩张或闭合、新裂隙发育及破断。为研究这2类破坏现象，依托于煤炭资源与安全开采国家重点实验室大型相似材料平面应变模拟实验平台，如图3所示，先后完成了3类煤层开采模拟实验：① 房柱式开采，即先采煤层Ⅳ，观测煤层覆岩弱变形时的SP特征；② 下覆煤层综采，即再采煤层Ⅴ，观测岩体变形且破裂时的SP特征；③ 上覆煤层综采，即后采煤层Ⅲ，观测岩体在二次扰动破坏过程中的SP特征。

2.1 相似材料模拟实测实验简况

制作了2.5 m×0.2 m×1.5 m的物理模型，模拟煤系地层近似水平产状，模拟地应力20 MPa，几何相似比100∶1，容重比1.4∶1，应力比140∶1。如图3所示，SP测点布置为阵列式(4行6列炭质电极)以便捕捉SP异常信号与破裂源的时空对应关系，公共参比电极N置于模型右下角不受开采扰动的位置。用并行电法仪完成SP信号测试，平均每1 min一组；采用定点摄影法记录模型破坏过程；为便于控制，模拟综采速度为每30 min采1次(进尺5 cm)。宏观现象如下：① 如图3(a)所示，在房柱式开采模拟实验中，SP观测系统由测点A1～A24构成，先后进行了20次模拟采动，每隔5 min采1次，期间模型形变较弱，没有肉眼可见的宏观裂隙产生；② 如图3(b)所示，在下伏煤层开采模拟实验中，SP观测系统由B1～B24构成，先后进行了3次采动，造成纵向裂隙的发育(红色虚线所指)、横向裂隙扩张与闭合(蓝色虚线所指)；③ 如图3(c)所示，在上覆煤层开采模拟实验中，SP观测系统由C1～C24构成，先后进行了6次采动，其中：第3次采动后，煤层直接顶弯曲变形、伴有横向裂隙发育；第5次采动后，直接顶破断、垮落，同时上部覆岩弯曲下沉，部分新的横向与纵向裂隙发育；第6次采动后，纵向裂隙完成自下而上的发育，部分横向裂隙在下沉中闭合。

图3 相似材料模拟实验模型外观及观测系统布置

2.2 相似材料模拟实测SP异常特征分析

为便于分析，将所有SP数据减去初始背景值后作出SP时变曲线：① 如图4(a)所示，在房柱式开采模拟实验中，SP在-100～100 mV内波动，整体未出现大幅升降，可见由房柱式开采诱发的次生应力场演化过程以能量耗散为主、未发生大规模的能量释放，微裂隙的产生、发展及局部应力集中会引起SP的波动，但整体升降趋势不明显；② 如图4(b)所示，下伏煤层开采模拟实验中，SP在-200～0 mV内整体波动下降，个别测点(B10，B21，B23)波动节奏与其他测点不同且出现幅度大于200 mV的突发性陡降，这些测点在图3(b)中都位于纵向裂隙发育的位置，可见SP突变点的位置与裂隙发育位置对应，这与岩样单轴加载实验得出的距离裂纹尖端近处产生的电位信号强度较高、岩样破裂时伴生电位的大幅陡降的现象一致；③ 如图4(c)所示，上覆煤层开采模拟实验中，SP在-400～100 mV内波动，整体呈下降趋势，随着破坏过程复杂化、破坏程度升高，出现更多测点(C2，C9，C13，C14，C15，C22，C23)的SP降幅超过200 mV，而在图3(c)中它们都位于新发育的横向或纵向裂隙上；其中，位于纵向裂隙上的测点(C2，C13，C14)的SP信号出现幅度达300 mV的震荡，位于纵、横裂隙交叉发育位置的测点(C13)震荡幅度最大且已达400 mV，这也与前述岩样加载实测结论一致；此外，统观3个实验可见SP整体波动频率随岩体破坏加剧而升高，这与岩体中的破裂事件越来越频繁相关；而SP整体波动幅值区间(分别为-100～100，-200～0，-400～100 mV)随岩体破坏加剧而降低，这与破裂面的增多及其导致的负电荷的累积量增大有关。

上述实验现象共同表明采掘岩体破坏过程中的自然电场主要受控于破裂源，与前文所述SP异常的宏观成因(岩体破坏程度越高、释放能量越多、SP异常越强)相符。此外，综合观察图4中的灰色曲线可见：不在宏观裂隙上的测点SP信号对岩体破坏(尤其是开裂)亦有响应，不同测点的SP信号波动幅度有所差异但频率、相位基本一致，即整体呈现同步、同相的特征；但与之相对地，由彩色曲线可见：位于宏观裂隙上的测点的SP波动幅度更大且频率、相位有所不同，即呈现异步、异相、更大幅度的特征；且统观3个实验可见：岩体破坏越严重、裂隙发育越丰富、裂隙场演化越剧烈，上述差异越明显。

图4 相似材料模拟实测SP时变曲线

此外，为更好地观察SP突变点与破裂源的空间对应关系，选取下伏煤层开采模拟实验和上覆煤层开采模拟实验中SP局部突变最强烈的时刻(此处选择了SP出现最小极值点的时刻，也是与其他测点SP相位不同的时刻，具体如图4中彩色双向箭头所指示)，作出SP的瞬时增量ΔSP平面图，如图5所示，可见：随着煤层自右向左开采，裂隙自右向左、自下而上发育，ΔSP的最小极值点亦从右向左、从下而上迁移，其空间位置与裂隙发育位置直接对应，更直观地表明SP的突变特征(幅值、相位)受破裂源的空间演化路径所控制。

图5 煤层开采诱发的SP瞬时增量的平面演化特征

2.3 多尺度实测SP异常特征联合分析

对大尺度工程岩体连续损伤破坏而言，基于裂隙尖端放电的数理推导及工程实测都已表明SP信号整体呈现富含脉冲状陡升及缓慢下降不断交替的特征，该结论亦可由本实验予以辅证；同时，煤层综采顶板岩层破坏模拟实测及原位实测研究都表明自然电场响应虽超前于直流电阻率但其感知范围仍有限，即：在特定观测系统下，SP信号强度随破裂区靠近而增强、远离而变弱，这和图5所示的ΔSP最小极值点随裂隙发育而迁移的现象相符，与前文所述的自然电场异常成因及岩样加载实测结论也相符。从原位全空间实测成果来看，如图6所示，当测区范围内不存在地下水渗流时(已由视电阻率成果佐证，详见文献[11])，SP感知范围大致以=141 m为界(为工作面与监测钻场的距离)，划分为SP的感知远区(SP弱波动，幅度小于200 mV)和感知近区(SP强振荡，幅度可近1 000 mV)。

图6 煤层开采顶板覆岩破坏原位实测SP时变曲线 [11]

此外，现有研究已表明可综合运用SP信号的相位与振幅特征来界定煤层围岩破坏带范围，其中，对采掘扰动煤层顶板覆岩(以砂岩为主)破坏来说，工程实测和物理模拟实测研究都发现自然电场的时空演化与“上三带”特征有对应关系，如图7所示，在顶板覆岩破坏物理模拟中：① 垮落带处于自然电场低电位演化集中区，这与前述岩样加载破坏时实测到的电位大幅陡降特征和2.2节中所述的SP整体波动幅值区间随岩体破坏加剧而降低的实验结论都相符，而这些都对应于岩体破断行为多、破碎程度高、裂隙发育充分的特征；② 在断裂带范围内，自然电场高、低电位兼具，时空演化复杂，对应于破断行为少、破裂行为多、裂隙发育不均的特征；③ 弯曲下沉带为自然电场高电位演化集中区，对应于岩体破断行为极少、以弯曲下沉为主(即破裂少、变形多)的特征。

图7 煤层开采顶板覆岩破坏物理模拟实测SP振幅时变特征 [13]

综上所述，理论研究及不同尺度的实测研究共同表明自然电场可用于表征采掘扰动岩体破坏特征，尤其在近破裂区，SP信号的振幅、相位、频率都是敏感参数、都具有重要科学价值。故此，立足这些研究成果，提出采掘扰动岩体破坏自然电场近源效应的概念并将其内涵及科学意义论述如后。

3 采掘扰动岩体破坏自然电场近源效应的内涵与科学意义

3.1 内 涵

基于前文系统论述可得2点认识：① 就自然电场响应的共性特征而言，由于岩体破坏是从局部突变到整体灾变的过程，SP信号也存在局部特征与整体特征的差异。② 就其成因而言，在岩体失稳灾变的瞬间，近破裂区是自由电荷即负电荷被发射、正电荷显现处，相当于电荷“产生”的区域，且电荷分布不均；而远破裂区可近似认为没有电荷“产生”，自然电场的异常响应是由近破裂区“产生”的电荷叠加激励而诱发的，其分布及演化遵从电场叠加原理；此2者的成因和演变都存在明显不同。故此，对这种在岩体破坏过程中出现的、受破裂成因控制的自然电场，将近破裂区发生的自然电场突变行为定义为一种近源效应，它在空间域对应于SP异常强度相对较大(波动幅度大、相位相异点多)的区域，在时间域对应于SP突变行为相对集中(幅度增大、频率增高、相位突变，具有振荡特征)的时段。

该效应的物理内涵如下：岩体在破坏过程中，其能量释放越大，则破坏程度越高、破裂面越多、释放和发射的自由电荷越多，导致自然电场异常强度越高、规模越大；换言之，持续破断中的岩体相当于自由电荷的“制造”和发射体，它以应力储能的释放为源动力，不断“制造”并对外输出自由电荷，造成电荷的区域性动态集聚及发射，引发其自身(近源区，即近破裂区)和周围环境(远源区，即远破裂区)中自然电场的演变，最终以非线性过程完成应力储能向电能的剧烈转化。由此不难理解，SP信号的波动恰恰象征着自然电场能量的增减：① 波动幅度越大(近源区会更大)，则岩体破坏瞬间自然电场能量增加越多，岩体释放能量越多，岩体破坏程度越高；② 幅度相当时，波动频率越高(近源区会更高)，则岩体中能量释放事件越密集，破裂事件越频繁，破坏程度越高；③ 相位相异点越多(近源区会相异，远源区多相同)，象征着自由电荷的“制造”和发射点越多、破裂点越多，破坏程度越高。故此，SP的波动幅度、频率、相位都是敏感参数，都富含岩体中裂隙场演化的关键信息，都具有表征岩体破坏特征的能力。

此外，远源区SP信号是多个或多批次近源区SP激励(即破裂成因的激励)的叠加显现，它对同期破裂中的主破裂具有一定表征能力，对表面电位、感应电荷的研究(包括岩样破坏实测及工程实测研究)与之密切相关；但近源区SP信号不同，它往往受控于最近的破裂源，而破裂源演化的时空不均性导致不同测点SP信号幅度、频率、相位的差异，对全空间条件下自然电场响应特征的研究难以回避该问题。总之，若想从“场”的角度来完整地认知岩体破坏所诱发的自然电场响应机理与特征，就必须兼顾此2者并推动自电位、自然电位、表面电位、感应电荷等多种参数的耦合解析。

3.2 科学意义

对岩体破坏过程中自然电场近源效应的正确认知是构建基于破裂成因的自然电场探测及临灾预警方法的基础，也是揭示多相耦合系统演化及突变过程中自然电场的响应机理与特征的前提，其科学意义至少包括：

(1)便于研究自然电场的数据解析准则、消除背景噪声并构建成像方法。岩体破坏过程中的自然电场近源效应受控于并能反应岩体破坏行为，它受背景噪声干扰最弱，结合对远源区特征及SP信号频谱特征的研究，可为背景噪声的消除和成像方法的构建提供理论依据，并形成区别于其他成因的自然电场的数据解析准则。

(2)便于研究地电场多元信息耦合分析方法，提升全空间地电场探测的时空精度。地下全空间地电场探测的观测系统不同于室内测试或地表半空间探测，它很难实现阵列式布点；对孔中或巷中的线形观测系统来说，充分利用SP波动幅度、频率、相位特征有助于精细判识应力场与裂隙场的时空演化规律，弥补直流电阻率法、激电法等时域超前感应能力有限的缺点，进而提升探测的时空精度。

(3)便于研究工程岩体破坏特征探测方法和多场(地电场、裂隙场、渗流场)耦合机理。虽然岩体破坏所诱发的自然电场是一种非线性的时变电场，但因其受破裂成因主导，工程岩体中裂隙场的持续性、规律性演变会诱发自然电场的持续性、规律性响应(这与岩样破坏和地震监测都不同)，这对采掘扰动工程岩体破坏状态检测及重大动力灾害预警具有重要意义；同时，对岩体破坏自然电场近源效应的揭示是科学认识流固系统演化及失稳过程中自然电场响应行为的前提，由此才能实现多场多相问题的深层研究。

4 面向岩体破坏的自然电场法研究面临的关键问题

(1)在机理层面。一方面，因微观结构对岩石电性有显著影响，故仍需从岩石学矿物学、材料学及表面物理化学等角度探究不同类型的岩体(或岩石)变形及破坏过程中自然电场异常成因及影响因素；另一方面，作为一种力-电效应，自然电场异常往往由应力突变(突然集中或突然释放)所导致，但应力突然集中(弹性及塑性变形，储能、耗能)与突然释放(破裂，释能)的机制不同，即，峰前与峰后力学效应的不同从根本上造成了自然电场响应机理及特征的差异，辨清这些差异才能精细解析自然电场近源效应的深层机理与关键特征，并由此实现SP数据中有效信息的挖掘及数据解析准则的构建。

(2)在方法层面。因自电位、自然电位、表面电位、感应电荷等相关研究成果颇丰但却未能在“自然电场”这一范畴内实现耦合解析，故仍需依托“近源效应”这一切入点来深入探究，以实现面向岩体破坏的自然电场探测理论体系的构建；同时，面向智能物探发展需要，需重点突破自然电场法与直流电阻率法、激电法的特征融合方法的构建，为灾害源智能、精准探测及监测提供地电学新理论的支撑。

(3)在研究路径方面。因岩体破坏自然电场响应具有空间域局部化、降维和时间域多尺度、多重分形、临界慢化等非线性特征，故仍须引入非线性分析方法来推动自然电场数据解析和反演成像的研究；与地震预测领域类似，工程岩体破坏自然电场响应研究的重点及难点也在于岩体失稳前兆信息的捕捉和峰后灾变效应的超前预测，对此有必要引入地震领域的聚类、分形、多尺度熵等方法及频谱、能谱分析手段等。

(4)在交叉研究方面。由于自然电场成因复杂且往往多种成因交织并存，对工程岩体失稳破坏行为及其灾变效应研究而言，流体及其演化行为既是影响因素又是伴生过程，故关键和难点都在于对多场多相问题的解答；而此类研究，一方面须受特定工程场景约束，另一方面仍须依托大量实测工作，故完善物理模拟手段并构建数值模拟方法、提升多场协同测试技术及耦合分析水平始终是迫切且长期的问题。

5 结 论

(1)岩体(岩石)破坏所诱发的自然电场不是稳态电场，而是一种非线性的时变电场，应力场尤其是破裂源的时空演变主导着自然电场的时空演变，这从根本上决定了自然电场数据解析、反演成像的复杂性，故需借助于非线性研究手段予以解决。

(2)岩样破坏实测研究(厘米级)、物理模拟实测研究(米级)、原位实测(亚千米级)研究共同证明了自然电位信号的波动幅度、频率、相位都可用于表征岩体破坏特征，其中在近破裂源处自然电位的波动幅度、相位、频率与远破裂源处有所不同，可定义为一种近源效应，其基本特征为高频、高幅、异相；对该效应的科学认识是研究自然电场数据解析及成像方法、地电场多参数耦合探测方法、工程岩体及流固耦合系统演化监测方法等的基础。

(3)岩体破坏自然电场近源效应的物理内涵是：自然电位波动幅度越大(近源区会更大)，岩体释放能量越多、岩体破坏程度越高；幅度相当时，自然电位波动频率越高(近源区会更高)，破裂事件越频繁，破坏程度越高；自然电位波动相位相异点越多(近源区会相异，远源区多相同)，则破裂点越多，破坏程度越高。

(4)对工程岩体破坏过程中自然电场响应机理的深层揭示有赖于地电学、岩体力学、岩石学矿物学、材料学及表面物理化学等多学科的交叉研究及自电位、自然电位、表面电位、感应电荷等相关成果的耦合解析；基于此，推动自然电场法与直流电阻率法、激电法的特征融合方法的构建，为灾害源智能、精准探测及监测提供地电学新理论的支撑。

(5)对工程岩体破坏自然电场响应的局部化、多尺度、分形、临界慢化等非线性特征的研究，需引入聚类、分形、多尺度熵等方法及频谱、能谱分析手段；对流固耦合系统中自然电场响应行为的科学认识，有赖于物理模拟手段的完善和多场并行测试技术的提升，且须在特定工程场景约束下开展不同尺度的实测研究。