采掘诱发的岩体损伤与地下水渗流对自然电场作用的拮抗机制研究

In such a new era, the underground space development is overwhelming in our country and even in the world. However, the existing geophysical theories and methods need to be expanded facing the extremely complicated geological environment in underground whole space and the harsh situation prone to major dynamic disasters. In previous studies, it was found that rock damage and groundwater seepage had two different effects on the self-potential field and induced different spatio-temporal evolution, which is difficult to explain theoretically. In order to explore this new issue, this application is proposed. Taking the scientific hypothesis of "There is a kind of antagonistic mechanism between the effects of deep rock mass damage and groundwater seepage on self-potential field" as a breakthrough point, This project will comprehensively utilize theoretical research method based on literature Inquiry, physical simulation method based on fine testing, analysis and calculation method based on engineering data collection, to reveal self-potential field response mechanism and spatio-temporal evolution characteristics under the interaction of mining rock mass damage and groundwater seepage, to capture critical information of self-potential field in the process of fluid-solid system mutation, to build basic theory of deep dynamic disaster forecasting based on self-potential monitoring, to achieve multidisciplinary collaborative innovation and cultivate new disciplines growth point. Its achievements will have potential applications in the underground space development and dynamic disasters prediction represented by rock burst and water inrush.

新时期，国家对地下空间的开发势不可挡，但面对地下全空间复杂地质环境和极易发生重大动力灾害的严峻形势，现有地球物理理论与方法都亟需拓展。在以往研究工作中发现岩体损伤和地下水渗流对自然电场会产生两种不同的作用并引发不同的时空演化特征，但难以给出理论解释，为探索这一新问题而提出本申请。拟将“岩体损伤与地下水渗流对自然电场的作用之间存在拮抗机制”这一科学假说的论证作为切入点，统筹利用基于文献查询的理论研究、基于精细测试的物理模拟实验、基于工程资料收集的分析计算三种手段，揭示采掘诱发的岩体损伤与地下水渗流交织作用下的自然电场响应机理与时空演化特征，捕捉地下全空间流固系统突变过程中的自然电场临界信息，构建基于自然电场监测的岩体动力灾害预测预报新理论，拓展地电场勘探的理论空间，实现多学科协同创新并培养新的学科增长点。其成果将在地下空间开发、矿山顶板管理和岩爆、突水等岩体动力灾害预测预报领域具有应用前景。

面对地下全空间复杂地质环境和极易发生重大动力灾害的严峻形势，将“岩体损伤与地下水渗流对自然电场的作用之间存在拮抗机制”这一科学假说的论证作为切入点，统筹利用基于文献查询的理论研究、基于精细测试的物理模拟实验、基于工程资料收集的分析计算三种手段，揭示了采掘诱发的岩体损伤与地下水渗流交织作用下的自然电场响应机理与时空演化特征，获取了地下全空间流固系统突变过程中的自然电场临界特征，构建了基于自然电场监测的岩体动力灾害预测预报新理论，拓展了地电场勘探的理论空间。其成果将在地下空间开发、矿山顶板管理和岩爆、突水等岩体动力灾害预测预报领域具有应用前景。具体地：（1）针对工程岩体多相耦合灾变监测与预警，梳理了自然电场的复杂成因，完成了其分类及微观、宏观机理阐述。（2）开展了不同尺度的岩体破坏自然电场异常机制与特征的实测研究，在采掘扰动工程岩体破坏自然电场响应特征方面取得突破，发现了自然电场近源效应并以此为核心完成了对采掘扰动岩体破坏自然电场响应机理、特征、科学意义、现存问题的系统研究和论述。（3）开展了不同尺度的水岩耦合演化自然电场异常机制与特征的研究，经过长期论证找到“过水效应”这一重要突破点，将过去十余年中在全空间自然电场探测方面难以厘清的相关机理、特征、施工方法、信号识别等多重复杂问题进行了协同研究，发现了水岩耦合演化自然电场近源效应并以之为核心进行了系统的论证。（4）进行了理论研究和不同尺度的室内实测研究，揭示并初步论证了自然电场拮抗机制的成因，获取了裂隙场、渗流场单场主导时的自然电场响应机理与特征，对双场共同主导时的自然电场响应特征获取了一定新认识。（5）在完成本项目研究内容的基础上，构建了“并行地电场探测”的新理念，并开展了地电场三场耦合测试方法的预研。