基于圖像分析的直墻拱形巷道巖爆片剝試驗

劉嘯，張曉君,2，王宇晨

(1.山東理工大學 資源與環境工程學院，山東 淄博 255049；2.山東理工大學 礦山工程技術研究所，山東 淄博 255049)

片剝是深部礦山、隧道及地下空間工程中常見的一種高應力誘發的硬巖脆性破壞，其與深埋洞室的巖爆災害密切相關[1]。巖爆常呈現出片剝(板裂、層裂)、層爆現象[2-4]，吳世勇等[5]、李地元等[6]均開展了巖爆板裂化的研究，周輝等[7]對板裂屈曲巖爆開展了試驗與分析，胡小川等[8]基于花崗巖試樣對板裂前中后期開展了研究，宮鳳強等[9-10]針對矩形及直墻拱形隧洞圍巖板裂開展了研究，左宇軍等[11]、劉寧等[12]、魏新江等[13]均針對巖爆板裂、層裂、劈裂等開展了力學分析并建立了預測模型，張曉君等[14-16]針對層爆開展了試驗、錨桿錨固及超聲波監測研究。目前對于巖爆片剝問題雖進行了一些研究，但具體針對直墻拱形巷道臨空面開展巖爆片剝試驗及圖像分析研究的較少。本文將針對巖爆片剝研究的不足，開展具有巖爆傾向性的直墻拱形巷道巖爆片剝試驗研究，基于圖像分析得到其演化規律，為巖爆片剝演化機理、預測和防控提供依據。

1 試驗裝置及方案

1.1 試驗試樣

試樣采取湖南花崗巖，該巖石以斜長石和石英為主，為中細粒結構。試驗得到其單軸抗壓強度平均值為154 MPa，單軸抗拉強度平均值為7.2 MPa，壓拉比為21.4，經巖爆傾向性判定其具有中等巖爆傾向性，適合本文問題的研究。

根據試驗具體情況，將試樣加工成100 mm×100 mm×50 mm的長方體，其上下兩面高度差不超過0.05 mm，端面不平整度誤差不超過0.02 mm。在試樣中心加工直墻拱形巷道，巷道寬為20 mm，直墻高為10 mm，拱高為10 mm。為了更有利于觀測巷道圍巖表面演化情況，將試樣整體從中間切開，取試樣的一半作為試驗最終試樣，可清晰地看到此試樣的巷道圍巖臨空面，試樣情況如圖1所示。

圖1 試樣

1.2 試驗方案

為了與實際受力情況相符，并且可以觀測約束區域巖石的演化情況，這里試樣切割面的約束采用透明亞克力板材，該板材剛度大、強度高，滿足約束要求，同時因其透明性可直接觀測到巷道內圍巖表面變化情況。

開展在切割面約束情況下的單軸壓縮試驗，結合試樣的單軸抗壓強度，采用逐級加載模式，每一級為4 MPa，直到試樣巷道圍巖臨空面產生片剝，通過攝像機攝錄整個試樣切割面及巷道臨空面的變化過程用于圖像分析，加載速率控制在0.4 MPa/s，試驗系統如圖2所示。

圖2 試驗系統

2 試驗過程及分析

2.1 試驗過程

加載過程的應力位移關系曲線如圖3所示，從圖中可見，加載范圍內中后期的應力位移關系基本呈線性變化，表明試樣整體未發生破壞，尚未形成塑性破壞區，試樣整體變形非常小，結合壓拉比，說明其硬脆性明顯。加載載荷達到104 MPa后，巷道圍巖臨空面產生了明顯的片狀和顆粒剝離現象，此時停止逐級加載。由于整個過程是逐級加載，所以達到剝離臨界載荷后其剝離過程也是緩慢的，并非先加載后再將臨空面卸載而引起的瞬時巖爆，而與巷道開挖后的后續載荷增加引起巷道片剝的情況一致，如圖4所示。測得加載前巷道圍巖聲波波速為2 900 m/s左右，臨空面產生片剝后在相同位置測得其波速為2 000 m/s左右，測試位置如圖5所示，表明其除了臨空面片剝外，在其圍巖內部也有損傷產生。

圖3 應力隨位移的變化關系

(a)臨空面片剝

圖5 測試位置

2.2 試驗分析

為了分析片剝和巖爆發生時巖石內部發生的變化，選取片剝發生區域-臨空面和巖爆易發生區域-上下部圍巖作為分析區域，利用圖像分析處理軟件ImageJ顯示、編輯、分析、處理灰度的功能，通過設定適當灰度閾值，得到對自定義的區域和具有強度閾值對象的面積和像素值進行統計分析的效果。對試樣被約束面及巷道臨空面進行攝錄圖像分析，分別選定像素點(866，544)、(1 042，544)、(866，790)、(1 042，790)所圍成的區域(巷道臨空面及圍巖(被約束面))及像素點(830，618)、(1 069，618)、(830，699)、(1 069，699)所圍成的區域(巷道臨空面)進行圖像分析，圖像分析區域皆為以上8個像素點分別圍成的固定區域，具體區域位置見圖6的黃色框線。根據試樣總體灰度情況，同時兼顧對比，統一取灰度閾值為184進行分析，如圖7、圖8所示(限于篇幅，這里只給出0、48、104 MPa情況下的圖像)。圖7和圖8中，紅色代表灰度低于184的區域，其他區域灰度高于184；圖7左圖(圖8上圖)為不同載荷下的灰度測量分析圖，圖7右圖(圖8下圖)為不同載荷下的顆粒分析圖；圖中數字為顆粒編號，顆粒分析通過灰度閾值和背景分離來確定。

圖6 圖像分析區

圖7和圖8中使用相對醒目的二色圖，因試樣在受壓過程中灰度發生變化時，灰度均值同時變化，故選灰度均值作為分析內部變化的主要特征值。灰度孔隙率是指灰度閾值范圍的面積與總面積的比值，并非真正的巖石孔隙率，主要反映灰度孔隙率的變化規律。在試樣受壓過程中其內部變化明顯，較大的灰度變化使得灰度孔隙率可以作為觀察、分析試樣內部變化的主要特征值。顆粒數量可以直觀考量所選區域內顆粒的變化，通過外界載荷的作用使顆粒數量發生變化，從而找出其與巖石破壞的微觀聯系。通過觀察圖7和圖8，可以較為明顯地看出灰色區域占所選分析區域的比例持續升高、顆粒數持續降低。

(a)0 MPa

(a)0 MPa

為了更加直觀地分析兩區域灰度孔隙率、灰度均值和顆粒數量的變化，對其進行圖像分析，通過圖像分析得到不同載荷下的巷道臨空面及圍巖灰度孔隙率如圖9所示。由圖9可知，灰度孔隙率呈現總體下降趨勢，表明灰度閾值范圍的面積在持續減小，超過閾值的面積范圍在增加。宋晶晶等[17]通過紅外成像法對試樣單軸壓縮獲得的數據進行分析，得到了自定義區間不同灰度值的像素占比和試樣所受應力的定量表征關系；研究表明，不同時刻的灰度值可以反映試樣所受應力值的大小，灰度高值區域所占比例越大，所受應力越大，反之亦然。因此，圖9中灰度高值區域比例變大反映出總體上灰度值在升高，說明應力在升高。

圖9 不同載荷下的巷道臨空面及圍巖灰度孔隙率

不同載荷下的巷道臨空面及圍巖灰度均值如圖10所示。由圖10可知，隨載荷的增加，灰度均值在逐步增加，應力在升高，升高到一定程度臨空面產生片剝。

圖10 不同載荷下的巷道臨空面及圍巖灰度均值

不同載荷下的巷道臨空面及圍巖顆粒數量如圖11所示。由圖11可知，隨著載荷的增加，總體上來看顆粒數量在逐步減少。

圖11 不同載荷下的巷道臨空面及圍巖顆粒數量

通過圖像分析得到不同載荷下的巷道臨空面灰度孔隙率如圖12所示。由圖12可知，灰度孔隙率總體上呈現下降趨勢，尤其在后期孔隙率持續下降，表明巷道臨空面超過灰度閾值的面積范圍不斷增加，灰度值持續升高，應力持續增加，預示巷道片剝將發生。

圖12 不同載荷下的巷道臨空面灰度孔隙率

不同載荷下的巷道臨空面灰度均值如圖13所示。由圖13可知，隨載荷的增加，巷道臨空面灰度均值總體上在增加，說明應力在升高，升高到一定程度臨空面將產生片剝，104 MPa時灰度均值升高明顯，隨后巷道產生片剝。

圖13 不同載荷下的巷道臨空面灰度均值

不同載荷下的巷道臨空面顆粒數量如圖14所示。由圖14可知，隨著載荷的增加，總體上來看顆粒數量基本上是在逐步減少的，巷道片剝前，數量明顯下降。

圖14 不同載荷下的巷道臨空面顆粒數量

綜上可見，可通過灰度孔隙率、灰度均值、顆粒數量等來綜合反映巷道巖爆片剝的前兆，可以通過圖像分析來揭示巖爆片剝問題。

3 結論

1)針對巖爆片剝研究的不足，基于圖像分析，開展了具有巖爆傾向性的直墻拱形巷道巖爆片剝試驗研究，制作了可清晰觀測巷道圍巖臨空面的試樣，通過透明亞克力板材對試樣進行約束，得到了全巷道臨空面片剝現象。

2)基于ImageJ軟件，對試樣被約束面及巷道臨空面進行攝錄圖像分析，得到了不同載荷下的巷道臨空面及圍巖灰度孔隙率變化規律。隨載荷增加，灰度孔隙率呈現總體下降趨勢，表明巷道臨空面超過灰度閾值的面積范圍不斷增加，灰度值在持續升高，應力在持續增加。

3)基于圖像分析，得到了不同載荷下的巷道臨空面灰度均值變化規律。隨載荷增加，巷道臨空面灰度均值總體上在增加，巷道臨空面片剝前灰度值升高明顯，說明應力在升高，達到臨界應力后巷道臨空面產生片剝；得到了不同載荷下的巷道臨空面顆粒數量變化規律，總體上來看顆粒數量基本上是在逐步減少；巷道臨空面片剝前灰度孔隙率、灰度均值、顆粒數量均有明顯變化。

4)巷道巖爆片剝的演化規律及前兆可以通過灰度孔隙率、灰度均值、顆粒數量等特征值綜合反映，通過圖像分析可以揭示巖爆片剝的問題。需要說明的是，本文只開展了切割面約束情況下的單軸壓縮巖爆片剝試驗研究，研究結果對巖爆機理、監測與防控具有很好的指導和借鑒意義，對于更復雜的情況有待進一步研究。