采掘扰动岩体破坏自然电场近源效应

在地下全空间地电场探测工作中,将自然电场对具体岩体动力过程(岩体破坏、地下水渗流、流固耦合演变等)的时域超前感应能力与直流电阻率法、激电法对物性的空间表征能力相结合,有望获取多相耦合系统演化探测及灾变预警的新突破,但须厘清自然电场对不同岩体动力过程的响应机理及特征。为克服跨尺度研究的困难并突破自然电场多种参数(自电位、自然电位、表面电位、感应电荷等)耦合分析的瓶颈,引入了矿山岩体力学相似材料模拟手段;基于对岩体破坏自然电场异常成因的阐述和对岩样加载实验(厘米级)、物理模拟实验(米级)、矿山原位实验(亚千米级)3种尺度的实测成果的系统论述,提出并阐述了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,同时指出了面向岩体破坏探测的自然电场法研究尚面临的关键问题。3类实测成果共同表明:自然电位的波动幅度、频率、相位都可指示采掘扰动岩体破坏特征,且因自然电场受破裂成因主导,近破裂区(近源区)自然电位的波动与远破裂区(远源区)有所不同,相对表现为高幅、高频、异相,故将其定义为一种近源效应;该效应的物理内涵为: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,频率越高(近源区会更高),破裂事件越频繁,破坏程度越高;相位相异点越多(近源区会相异,远源区多相同),破裂点越多,破坏程度越高。对工程岩体破坏自然电场响应机理的深层揭示须受特定工程场景约束且有赖于多学科交叉研究的深入、模拟水平与测试技术的提升、对非线性信号分析方法的引入等,基于此可推动自然电场法、直流电阻率法、激电法并行探测及多参数特征融合方法的构建,为灾害源智能、精准探测及临灾预警提供新的地电学理论支撑。