基于圖像分析的直墻拱形巷道巖爆片剝?cè)囼?yàn)

劉嘯，張曉君,2，王宇晨

(1.山東理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東 淄博 255049；2.山東理工大學(xué) 礦山工程技術(shù)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(yīng)力誘發(fā)的硬巖脆性破壞，其與深埋洞室的巖爆災(zāi)害密切相關(guān)[1]。巖爆常呈現(xiàn)出片剝(板裂、層裂)、層爆現(xiàn)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(duì)板裂屈曲巖爆開展了試驗(yàn)與分析，胡小川等[8]基于花崗巖試樣對(duì)板裂前中后期開展了研究，宮鳳強(qiáng)等[9-10]針對(duì)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(duì)巖爆板裂、層裂、劈裂等開展了力學(xué)分析并建立了預(yù)測(cè)模型，張曉君等[14-16]針對(duì)層爆開展了試驗(yàn)、錨桿錨固及超聲波監(jiān)測(cè)研究。目前對(duì)于巖爆片剝問題雖進(jìn)行了一些研究，但具體針對(duì)直墻拱形巷道臨空面開展巖爆片剝?cè)囼?yàn)及圖像分析研究的較少。本文將針對(duì)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?cè)囼?yàn)研究，基于圖像分析得到其演化規(guī)律，為巖爆片剝演化機(jī)理、預(yù)測(cè)和防控提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置及方案

1.1 試驗(yàn)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(xì)粒結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)得到其單軸抗壓強(qiáng)度平均值為154 MPa，單軸抗拉強(qiáng)度平均值為7.2 MPa，壓拉比為21.4，經(jīng)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(jù)試驗(yàn)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(cè)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(yàn)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(yàn)方案

為了與實(shí)際受力情況相符，并且可以觀測(cè)約束區(qū)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(qiáng)度高，滿足約束要求，同時(shí)因其透明性可直接觀測(cè)到巷道內(nèi)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(yàn)，結(jié)合試樣的單軸抗壓強(qiáng)度，采用逐級(jí)加載模式，每一級(jí)為4 MPa，直到試樣巷道圍巖臨空面產(chǎn)生片剝，通過攝像機(jī)攝錄整個(gè)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(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)

2 試驗(yàn)過程及分析

2.1 試驗(yàn)過程

加載過程的應(yīng)力位移關(guān)系曲線如圖3所示，從圖中可見，加載范圍內(nèi)中后期的應(yīng)力位移關(guān)系基本呈線性變化，表明試樣整體未發(fā)生破壞，尚未形成塑性破壞區(qū)，試樣整體變形非常小，結(jié)合壓拉比，說明其硬脆性明顯。加載載荷達(dá)到104 MPa后，巷道圍巖臨空面產(chǎn)生了明顯的片狀和顆粒剝離現(xiàn)象，此時(shí)停止逐級(jí)加載。由于整個(gè)過程是逐級(jí)加載，所以達(dá)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(shí)巖爆，而與巷道開挖后的后續(xù)載荷增加引起巷道片剝的情況一致，如圖4所示。測(cè)得加載前巷道圍巖聲波波速為2 900 m/s左右，臨空面產(chǎn)生片剝后在相同位置測(cè)得其波速為2 000 m/s左右，測(cè)試位置如圖5所示，表明其除了臨空面片剝外，在其圍巖內(nèi)部也有損傷產(chǎn)生。

圖3 應(yīng)力隨位移的變化關(guān)系

(a)臨空面片剝

圖5 測(cè)試位置

2.2 試驗(yàn)分析

為了分析片剝和巖爆發(fā)生時(shí)巖石內(nèi)部發(fā)生的變化，選取片剝發(fā)生區(qū)域-臨空面和巖爆易發(fā)生區(qū)域-上下部圍巖作為分析區(qū)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(shè)定適當(dāng)灰度閾值，得到對(duì)自定義的區(qū)域和具有強(qiáng)度閾值對(duì)象的面積和像素值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的效果。對(duì)試樣被約束面及巷道臨空面進(jìn)行攝錄圖像分析，分別選定像素點(diǎn)(866，544)、(1 042，544)、(866，790)、(1 042，790)所圍成的區(qū)域(巷道臨空面及圍巖(被約束面))及像素點(diǎn)(830，618)、(1 069，618)、(830，699)、(1 069，699)所圍成的區(qū)域(巷道臨空面)進(jìn)行圖像分析，圖像分析區(qū)域皆為以上8個(gè)像素點(diǎn)分別圍成的固定區(qū)域，具體區(qū)域位置見圖6的黃色框線。根據(jù)試樣總體灰度情況，同時(shí)兼顧對(duì)比，統(tǒng)一取灰度閾值為184進(jìn)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(qū)域，其他區(qū)域灰度高于184；圖7左圖(圖8上圖)為不同載荷下的灰度測(cè)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(shù)字為顆粒編號(hào)，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(qū)

圖7和圖8中使用相對(duì)醒目的二色圖，因試樣在受壓過程中灰度發(fā)生變化時(shí)，灰度均值同時(shí)變化，故選灰度均值作為分析內(nèi)部變化的主要特征值?；叶瓤紫堵适侵富叶乳撝捣秶拿娣e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(guī)律。在試樣受壓過程中其內(nèi)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(nèi)部變化的主要特征值。顆粒數(shù)量可以直觀考量所選區(qū)域內(nèi)顆粒的變化，通過外界載荷的作用使顆粒數(shù)量發(fā)生變化，從而找出其與巖石破壞的微觀聯(lián)系。通過觀察圖7和圖8，可以較為明顯地看出灰色區(qū)域占所選分析區(qū)域的比例持續(xù)升高、顆粒數(shù)持續(xù)降低。

(a)0 MPa

(a)0 MPa

為了更加直觀地分析兩區(qū)域灰度孔隙率、灰度均值和顆粒數(shù)量的變化，對(duì)其進(jìn)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(xiàn)總體下降趨勢(shì)，表明灰度閾值范圍的面積在持續(xù)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(duì)試樣單軸壓縮獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到了自定義區(qū)間不同灰度值的像素占比和試樣所受應(yīng)力的定量表征關(guān)系；研究表明，不同時(shí)刻的灰度值可以反映試樣所受應(yīng)力值的大小，灰度高值區(qū)域所占比例越大，所受應(yīng)力越大，反之亦然。因此，圖9中灰度高值區(qū)域比例變大反映出總體上灰度值在升高，說明應(yīng)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(yīng)力在升高，升高到一定程度臨空面產(chǎn)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(shù)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(shù)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(shù)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(xiàn)下降趨勢(shì)，尤其在后期孔隙率持續(xù)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(xù)升高，應(yīng)力持續(xù)增加，預(yù)示巷道片剝將發(fā)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(yīng)力在升高，升高到一定程度臨空面將產(chǎn)生片剝，104 MPa時(shí)灰度均值升高明顯，隨后巷道產(chǎn)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(shù)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(shù)量基本上是在逐步減少的，巷道片剝前，數(shù)量明顯下降。

圖14 不同載荷下的巷道臨空面顆粒數(shù)量

綜上可見，可通過灰度孔隙率、灰度均值、顆粒數(shù)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(jié)論

1)針對(duì)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?cè)囼?yàn)研究，制作了可清晰觀測(cè)巷道圍巖臨空面的試樣，通過透明亞克力板材對(duì)試樣進(jìn)行約束，得到了全巷道臨空面片剝現(xiàn)象。

2)基于ImageJ軟件，對(duì)試樣被約束面及巷道臨空面進(jìn)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(guī)律。隨載荷增加，灰度孔隙率呈現(xiàn)總體下降趨勢(shì)，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(xù)升高，應(yīng)力在持續(xù)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(guī)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(yīng)力在升高，達(dá)到臨界應(yīng)力后巷道臨空面產(chǎn)生片剝；得到了不同載荷下的巷道臨空面顆粒數(shù)量變化規(guī)律，總體上來看顆粒數(shù)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(shù)量均有明顯變化。

4)巷道巖爆片剝的演化規(guī)律及前兆可以通過灰度孔隙率、灰度均值、顆粒數(shù)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?cè)囼?yàn)研究，研究結(jié)果對(duì)巖爆機(jī)理、監(jiān)測(cè)與防控具有很好的指導(dǎo)和借鑒意義，對(duì)于更復(fù)雜的情況有待進(jìn)一步研究。