刘啸，张晓君,2，王宇晨

(1.山东理工大学 资源与环境工程学院，山东 淄博 255049；2.山东理工大学 矿山工程技术研究所，山东 淄博 255049)

片剥是深部矿山、隧道及地下空间工程中常见的一种高应力诱发的硬岩脆性破坏，其与深埋洞室的岩爆灾害密切相关[1]。岩爆常呈现出片剥(板裂、层裂)、层爆现象[2-4]，吴世勇等[5]、李地元等[6]均开展了岩爆板裂化的研究，周辉等[7]对板裂屈曲岩爆开展了试验与分析，胡小川等[8]基于花岗岩试样对板裂前中后期开展了研究，宫凤强等[9-10]针对矩形及直墙拱形隧洞围岩板裂开展了研究，左宇军等[11]、刘宁等[12]、魏新江等[13]均针对岩爆板裂、层裂、劈裂等开展了力学分析并建立了预测模型，张晓君等[14-16]针对层爆开展了试验、锚杆锚固及超声波监测研究。目前对于岩爆片剥问题虽进行了一些研究，但具体针对直墙拱形巷道临空面开展岩爆片剥试验及图像分析研究的较少。本文将针对岩爆片剥研究的不足，开展具有岩爆倾向性的直墙拱形巷道岩爆片剥试验研究，基于图像分析得到其演化规律，为岩爆片剥演化机理、预测和防控提供依据。

1 试验装置及方案

1.1 试验试样

试样采取湖南花岗岩，该岩石以斜长石和石英为主，为中细粒结构。试验得到其单轴抗压强度平均值为154 MPa，单轴抗拉强度平均值为7.2 MPa，压拉比为21.4，经岩爆倾向性判定其具有中等岩爆倾向性，适合本文问题的研究。

根据试验具体情况，将试样加工成100 mm×100 mm×50 mm的长方体，其上下两面高度差不超过0.05 mm，端面不平整度误差不超过0.02 mm。在试样中心加工直墙拱形巷道，巷道宽为20 mm，直墙高为10 mm，拱高为10 mm。为了更有利于观测巷道围岩表面演化情况，将试样整体从中间切开，取试样的一半作为试验最终试样，可清晰地看到此试样的巷道围岩临空面，试样情况如图1所示。

图1 试样

1.2 试验方案

为了与实际受力情况相符，并且可以观测约束区域岩石的演化情况，这里试样切割面的约束采用透明亚克力板材，该板材刚度大、强度高，满足约束要求，同时因其透明性可直接观测到巷道内围岩表面变化情况。

开展在切割面约束情况下的单轴压缩试验，结合试样的单轴抗压强度，采用逐级加载模式，每一级为4 MPa，直到试样巷道围岩临空面产生片剥，通过摄像机摄录整个试样切割面及巷道临空面的变化过程用于图像分析，加载速率控制在0.4 MPa/s，试验系统如图2所示。

图2 试验系统

2 试验过程及分析

2.1 试验过程

加载过程的应力位移关系曲线如图3所示，从图中可见，加载范围内中后期的应力位移关系基本呈线性变化，表明试样整体未发生破坏，尚未形成塑性破坏区，试样整体变形非常小，结合压拉比，说明其硬脆性明显。加载载荷达到104 MPa后，巷道围岩临空面产生了明显的片状和颗粒剥离现象，此时停止逐级加载。由于整个过程是逐级加载，所以达到剥离临界载荷后其剥离过程也是缓慢的，并非先加载后再将临空面卸载而引起的瞬时岩爆，而与巷道开挖后的后续载荷增加引起巷道片剥的情况一致，如图4所示。测得加载前巷道围岩声波波速为2 900 m/s左右，临空面产生片剥后在相同位置测得其波速为2 000 m/s左右，测试位置如图5所示，表明其除了临空面片剥外，在其围岩内部也有损伤产生。

图3 应力随位移的变化关系

(a)临空面片剥

图5 测试位置

2.2 试验分析

为了分析片剥和岩爆发生时岩石内部发生的变化，选取片剥发生区域-临空面和岩爆易发生区域-上下部围岩作为分析区域，利用图像分析处理软件ImageJ显示、编辑、分析、处理灰度的功能，通过设定适当灰度阈值，得到对自定义的区域和具有强度阈值对象的面积和像素值进行统计分析的效果。对试样被约束面及巷道临空面进行摄录图像分析，分别选定像素点(866，544)、(1 042，544)、(866，790)、(1 042，790)所围成的区域(巷道临空面及围岩(被约束面))及像素点(830，618)、(1 069，618)、(830，699)、(1 069，699)所围成的区域(巷道临空面)进行图像分析，图像分析区域皆为以上8个像素点分别围成的固定区域，具体区域位置见图6的黄色框线。根据试样总体灰度情况，同时兼顾对比，统一取灰度阈值为184进行分析，如图7、图8所示(限于篇幅，这里只给出0、48、104 MPa情况下的图像)。图7和图8中，红色代表灰度低于184的区域，其他区域灰度高于184；图7左图(图8上图)为不同载荷下的灰度测量分析图，图7右图(图8下图)为不同载荷下的颗粒分析图；图中数字为颗粒编号，颗粒分析通过灰度阈值和背景分离来确定。

图6 图像分析区

图7和图8中使用相对醒目的二色图，因试样在受压过程中灰度发生变化时，灰度均值同时变化，故选灰度均值作为分析内部变化的主要特征值。灰度孔隙率是指灰度阈值范围的面积与总面积的比值，并非真正的岩石孔隙率，主要反映灰度孔隙率的变化规律。在试样受压过程中其内部变化明显，较大的灰度变化使得灰度孔隙率可以作为观察、分析试样内部变化的主要特征值。颗粒数量可以直观考量所选区域内颗粒的变化，通过外界载荷的作用使颗粒数量发生变化，从而找出其与岩石破坏的微观联系。通过观察图7和图8，可以较为明显地看出灰色区域占所选分析区域的比例持续升高、颗粒数持续降低。

(a)0 MPa

(a)0 MPa

为了更加直观地分析两区域灰度孔隙率、灰度均值和颗粒数量的变化，对其进行图像分析，通过图像分析得到不同载荷下的巷道临空面及围岩灰度孔隙率如图9所示。由图9可知，灰度孔隙率呈现总体下降趋势，表明灰度阈值范围的面积在持续减小，超过阈值的面积范围在增加。宋晶晶等[17]通过红外成像法对试样单轴压缩获得的数据进行分析，得到了自定义区间不同灰度值的像素占比和试样所受应力的定量表征关系；研究表明，不同时刻的灰度值可以反映试样所受应力值的大小，灰度高值区域所占比例越大，所受应力越大，反之亦然。因此，图9中灰度高值区域比例变大反映出总体上灰度值在升高，说明应力在升高。

图9 不同载荷下的巷道临空面及围岩灰度孔隙率

不同载荷下的巷道临空面及围岩灰度均值如图10所示。由图10可知，随载荷的增加，灰度均值在逐步增加，应力在升高，升高到一定程度临空面产生片剥。

图10 不同载荷下的巷道临空面及围岩灰度均值

不同载荷下的巷道临空面及围岩颗粒数量如图11所示。由图11可知，随着载荷的增加，总体上来看颗粒数量在逐步减少。

图11 不同载荷下的巷道临空面及围岩颗粒数量

通过图像分析得到不同载荷下的巷道临空面灰度孔隙率如图12所示。由图12可知，灰度孔隙率总体上呈现下降趋势，尤其在后期孔隙率持续下降，表明巷道临空面超过灰度阈值的面积范围不断增加，灰度值持续升高，应力持续增加，预示巷道片剥将发生。

图12 不同载荷下的巷道临空面灰度孔隙率

不同载荷下的巷道临空面灰度均值如图13所示。由图13可知，随载荷的增加，巷道临空面灰度均值总体上在增加，说明应力在升高，升高到一定程度临空面将产生片剥，104 MPa时灰度均值升高明显，随后巷道产生片剥。

图13 不同载荷下的巷道临空面灰度均值

不同载荷下的巷道临空面颗粒数量如图14所示。由图14可知，随着载荷的增加，总体上来看颗粒数量基本上是在逐步减少的，巷道片剥前，数量明显下降。

图14 不同载荷下的巷道临空面颗粒数量

综上可见，可通过灰度孔隙率、灰度均值、颗粒数量等来综合反映巷道岩爆片剥的前兆，可以通过图像分析来揭示岩爆片剥问题。

3 结论

1)针对岩爆片剥研究的不足，基于图像分析，开展了具有岩爆倾向性的直墙拱形巷道岩爆片剥试验研究，制作了可清晰观测巷道围岩临空面的试样，通过透明亚克力板材对试样进行约束，得到了全巷道临空面片剥现象。

2)基于ImageJ软件，对试样被约束面及巷道临空面进行摄录图像分析，得到了不同载荷下的巷道临空面及围岩灰度孔隙率变化规律。随载荷增加，灰度孔隙率呈现总体下降趋势，表明巷道临空面超过灰度阈值的面积范围不断增加，灰度值在持续升高，应力在持续增加。

3)基于图像分析，得到了不同载荷下的巷道临空面灰度均值变化规律。随载荷增加，巷道临空面灰度均值总体上在增加，巷道临空面片剥前灰度值升高明显，说明应力在升高，达到临界应力后巷道临空面产生片剥；得到了不同载荷下的巷道临空面颗粒数量变化规律，总体上来看颗粒数量基本上是在逐步减少；巷道临空面片剥前灰度孔隙率、灰度均值、颗粒数量均有明显变化。

4)巷道岩爆片剥的演化规律及前兆可以通过灰度孔隙率、灰度均值、颗粒数量等特征值综合反映，通过图像分析可以揭示岩爆片剥的问题。需要说明的是，本文只开展了切割面约束情况下的单轴压缩岩爆片剥试验研究，研究结果对岩爆机理、监测与防控具有很好的指导和借鉴意义，对于更复杂的情况有待进一步研究。