Indonesian J ournal of Ele c trical Engin eering and  Computer Sci e nce   Vol. 1, No. 2,  February 20 1 6 , pp. 349 ~  353   DOI: 10.115 9 1 /ijeecs.v1.i2.pp34 9-3 5 3        349     Re cei v ed O c t ober 7, 20 15;  Revi se d De cem ber 26, 20 15; Accepted  Jan uary 12, 2 016   Resear ch on the Surface Fractal Characteristic of the  Rock with Rockburst Proneness      Li Mo-xiao 1 *,  Zhang Gua n g 1 , Chen Jin g -xi 2    1 School of Res ource a nd Env i ronme n t Engi n eeri ng,  W uha n Univers i t y   of  T e chn o lo g y , W uhan, Ch in a   2 School of T r ansportati on, W uha n Univ ersit y  of T e chnolo g y , W uha n, Chi n a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : ma y s h i n e -19 88@ 163.com       Ab stra ct   In order to strength en the  pr ed iction of r o ckburst an d inq u ire the re l a tions hip b e tw een the   rockburst pron eness of rock and its surfa c e fractal c haracteristic, the  surface fractal  of  the rock  w a s   studie d  by fractal meth od an d uniax ial co mpressi on tes t.  T he chan ge ru les of surface fractal of different   types of rock  w e re compar e d  by calc ulati n g its fr actal di me nsi on of ro ck before ex p e ri ment a nd  after  exper iment. Ba sed on this, w e  found that the  di me nsio n afte r test is bigger  than bef ore tes t  for four kinds of  rocks. The roc k  w i th stronger  rockburst pr on eness  has  mo r e  inte nse fa ilur e  in th e l oad in g proc ess a nd  its   crack m o r p hology is more com p lex.     Ke y w ords :  Fractal, Rockbur st, Rockburst  prone ness, Uni a xial co mpressi on     Copy right  ©  2016 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion   With the g r eat pro g ress of so cial a nd e c on omic, more a n d  more  und e r groun engin eeri ng  grad ually d e velope d d eep er.  Ro ckbur st  is i n crea sin g l y becoming   one  of the  m a jor  geolo g ical  di sa sters in th e develo p me nt of  unde rg round engi ne ering. Ro ckb u rst  i s   a nonl inear  dynamic  phe nomen on tha t  rock ma ss along th e i n ternatio nal  airpo r t of ex cavation  su rface   relea s ene rg y [1]. It is a complicated p r oblem a nd th ere i s  n e ither  a set  of matu re the o ry in  u s of pre d ictio n  in n o syst ematic  and   comp re hen si ve und erstan ding it s rea s ons be ca use  o f   compli cate probl em s exi s ting in  the  rockbu rst  and  different the o r ies of g r adi n g . Many sch o lars   con s id er th rockbu rst  a s  a  uniq ue  pro p e r ty of ro ck  it self [2]. Frac tal geometry  was  int r oduc e d t o   analysi s  the   rock  dam age  and f r a c ture  by Xie  Hepi ng, an d it in dicate a ne w d e velopm e n dire ction fo r ro ckburst  [3]. Rece nt  rese arch e s   sh owe d   that the fra c tal p henom eno n  is   rema rkable  d u ring th e bre a kin g  pr ocess of ro ck fra c ture. The  di st ribution and geomet ry  of  th e   fractu re  hav e fra c tal  structure [4].  The  cha nge  of fra c tal  dimen s ion  of  ro ck du ring  its   deform a tion  p r ocess  wa s i n  co ncer with its  stre ss state, mech an ical p r o pertie s , phy sical  a n d   chemi c al  p r o pertie s  afte many researche s  [5]. In   this p ape r,  we  sel e cte d   marbl e , grani te,  hornfel s an skarn to  carry out uniaxial comp re ssi on  experime n t. We stu d y the  chan ge rule  o f   rock’ s   su rface fra c tal dim ensi on by  col l ecting  and  a nalyzin g the  surfa c e  cha r acteri stic of rock  before  an after te st. Base d o n  thi s , we  study   the relation ship b e twe e n  su rfa c e fra c tal  dimen s ion a n d  the ro ckb urst pron ene ss.      2. Experimenta l   2.1.  Mecha n ics Experiment o n  Rock burs t  Pronene ss   In order to st udy the characteri stics of surfa c e fracta l of di f f erent rocks, the exp e rime nt  sele cts m a rbl e , granite, h o r nfels  and  skarn to  con d u c t uniaxial  co mpre ssion te st. Our  sam p l e s   are conventio nal stan dard cy linde r with  a size of  Φ 50mm×100mm.   In this experi m ent we use  burst ene rgy  i ndex and elastic defo r ma tion energy i ndex to   measure the stren g th of  ro ckburst prone ness [6, 7].  Uiaxial  comp ression te st u s ed  MTS81 5 .04- t y pe  ro ck  mech ani cs t e st  sy st e m  de v e lope d   by W uha n Institute of Rock  and Soil Me chani cs, Chine s Academy  of Sciences.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752                   IJEECS  Vol.  1, No. 2, February 201 6 :  349 – 353   350   Figure 1. MTS815.04 -type  ro ck me cha n i cs te st syste m       The value of  each  ro ckbu rst p r one ne ss index  of e a ch  ro ck  wa s calcul ated  by using   MA TLAB.  The result is given in  T a ble.1.   From th e tab l e we  can  se e that granit e   had  a  stro ng tend en cy to ro ckburst  and the   rockb u rst pro nene ss of horn s tone a n d  ska rn were  relatively weak, the ma rble’ s  ro ckbu rst   pron ene ss  was wea k e s t.  The stren g th of  ro ckburst  p r one ne ss of three  ro cks arrang e in  ord e r  of:  granite > ho rn stone > ska r >ma r ble.        Table 1. The  result of burst energy ind e x and el a s tic d e formatio n en ergy index of each ro ck  sample  uniaxial compressive strength Mp a   burst energ y  ind e elastic deformation energ y  inde DH4  54.74   1.50  DH5  53.15   1.32  DH8  54.84   1.06  DH6  92.32   1.91  DH9  83.62   1.72  HB1 1 17.18   2.31  HB2 31 1.24   3.00  HB4 189.20   1.71  HB6 151.34   6.15  HB7 245.60   6.17  J Y 3  109.86   1.10  J Y 4  84.18   2.00  J Y 8  125.61   5.21  X3 97.38   2.16  X4 1 13.99   1.22  X6 98.26   2.17  X8 146.95   1.42  X10 85.98   1.37      3. Resul t and  Disscu sion    3.1.  The Extr acti on of the Su rfac e Cha r ac teristic s of  Rock   W e  have to take pi ctures  of  four ro cks before a nd af ter test. In order to obtain  surfa c e   feature s  of rock befo r e and  after the  test as far  as possible we mu st use  the profession al digital  came ra.  T r y to make  su re  the picture h a ve  the high  image definiti on and u n iform brightn e ss in   ca se of a large area of the sha d o w T o  be su re t he  came ra le ns i s  pe rpe ndicul a r to the su rf ace   in ca se imag e deform a tion . In order to e n su re the con s iste ncy of the image befo r e and afte r the  test we  sh oul d pla c ed th spe c ime n s i n  the sa me po sition [8]. W e   sele cted th same  po sitio n  of  the sp ecim en  as far  as  po ssi ble to a nal ysis the  su rfa c e fra c tal feat ure a nd the  p i cture  after te st  contai ns at least one crack.  Then we used MA TL AB software to further manipul a t ion the chosen  picture.  The  whol e process is:  choo se t he su rfa c e i m age of rock co nvert the  image to bin a ry  image edg e  detection the cal c ul atio of fractal  dimen s ion.  T he analy s is  pro c e s ses  of a   sampl e  ch osen from ma rb le are a s  follo ws.   The surfa c e i m age of rock wa s sel e cte d  by  usin g a  64 x 64 pix e l block.  Th e  spe c ific  operation s  are as follo ws.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     Re sea r ch on  the Surface F r actal  Cha r a c teristic   of the Ro ck  with Ro ckburst… (Li Mo-xiao )   351   before te st     after tes t     Figure 2. The  sele cted po si tion of surfa c feature bef ore an d after  test of marble          before te st     after tes t     Figure 3. The  image of su rface featu r b e fore an d after test of marble                                                          In the Figu re  2, the re d blo ck i s  th e pa rt  of  su rface fea t ure  we  sele cted.  The im ag e after  extraction i s  show in Fig u re  3.    The image in the Figure 3 wa s pro c e s se d by our own image– proce ssi ng pro g ra m which   prog ram m ed  by MA TLAB8 .0.  The imag e noi se redu ction i s  the fi rst  step of p r oce s sing.  Th surfa c e featu r e of ro ck i s  more di stin ct after this  step so it is faci litat e to the next step of the  work.  The p r o c e s sed imag e is sh ow in F i gure 4.         before te st     after tes t     Figure 4.   The  processe d image of su rfa c e featu r e bef ore an d after  test of marble  (step1 )                                                      The next step is conve r ting the denoi sed ima ge into binary image so the fracta l   dimen s ion  ca n be cal c ul ated by MA TLA B 8.0.  The bin a ry image i s  sho w  in Figu re 5.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752                   IJEECS  Vol.  1, No. 2, February 201 6 :  349 – 353   352   before te st     after tes t     Figure 5. The  binary imag e  of surfa c e fe atur e befo r and after te st of marble (ste p2)      3.2.  The Calc ulation of Frac ta l Dime nsion of Ro ck be fo re and after  T e s t     The image i n  Figure 5 is  divided by 2x 2 pixels  bl ock, 3x3 pixels b l ock,…, 64x6 4  pixels  block. W i s  th e numb e r of  non em pty sq uare  parti tion  in the gra ph  and r i s  mea s ureme n t sca l e   (the scale  of block).  Th e di mensi on can  be determi ne by the  linea r reg r e s sion o f  the W and r  in   the dou ble lo garithmi c   coo r dinate.  T he  value of di me nsio n is th e a b sol u te value  of the slo pe  of  the line fitting.  The result of calculating i s  sho w  in Figu re 6.         before te st     after tes t                                                       Figure 6. The  result of calculati ng of fractal dimensi o n  of marble         The Figure 6 sho w s that the correlati on co ef ficient  of surfa c e fractal dime nsi on fitting  cha r t of granite are more than 0.98.  The fitting   result  means that the surfa c e of  rock sho w s the  fractal  cha r a c teristics. Rep eat the abov e step to ca lculate the  di mensi on of o t hers  ro cks a n d   the result is show in  T abl e 2.      T abl e 2. Re su lt of surface fr actal dime nsi on of each ro ck  t y pe  Nu-mbe r   dimension before  test    dimension after t e st  change of dimen s ion.  dimensi-  on  ave-rage    dimen-   sion  ave-rage   mar-bl e   DH5  1.6391   1.6380    1.6357   1.6450  0.0070   DH6  1.6538     1.6986   DH8  1.5998     1.5896   DH9  1.6590     1.6560   gran-ite   HB6 1.6190   1.6231    1.661 1   1.6552  0.0321   HB7 1.6271     1.6492   hornstone   J Y 4  1.6759   1.6587    1.6540   1.6664  0.0077   J Y 8  1.6414     1.6787   skar n   X3 1.5756   1.6272    1.6091   1.6470  0.0198   X6 1.6305     1.6058   X10 1.6756     1.6945       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     Re sea r ch on  the Surface F r actal  Cha r a c teristic   of the Ro ck  with Ro ckburst… (Li Mo-xiao )   353 In the  T a ble 2  it sho w s th at the su rface frac tal dime nsions of  four rocks have  in crea sed.   The amplifi c ation of gran ite is about 2% and  the amplificatio n of ska rn is  about 1%.  The   amplificatio n of  marble an hornsto ne are  b o th  belo w  1%.  The  strength  of ro ckbu rst p r on e ness  of three ro cks arrang e in orde r of: gra n ite> ho rn sto ne> ska r n >marbl e.  Acco rding to the result  the ro ck  of strong er  ro ckb u rst p r on ene ss  have  big g e r chan ge of  dimen s ion  be tween b e fore  an   after test.  Th e dime nsio after test i s   bigge r than   before  test f o r fou r   kind s of ro cks.  Th at is  becau se the surfa c e s  of rock cra c ked  after  test and have more  complex features.  The m o re  compl e x surf ace ha s a big ger dime nsi o n.  The rock with strong er rockbu rst pron ene ss ha s m o re   intense failure in the loadi ng pro c e s s a nd its cr ack  morp holo g y is more com p l e x. So its change   of dimen s ion  durin g the t e st is  bigge r .  Given all th at, the cha n ge of dime n s ion  duri ng t h e   uniaxial comp ressio n ca n b e  use d  to jud ge the strengt h of rockbu rst prone ne ss of  rock.       4. Conclu sion   Cal c ulate d  four  kind s o f  rock’ s   su rface fra c tal  dimen s ion  durin g the  uniaxial  comp re ssion  and foun d that the dimension after test  is bigg er than  before te st for four  kind of  rocks.  The rock with  stro nger  ro ckbu rst pro nen ess has mo re i n tense failure in the loa d ing  pro c e ss  and  its cra c k m o rph o logy is more  co mpl e x.  The cha nge of dime nsio n du ring  the   uniaxial com p re ssi on ca n be use d  to judge the stren g th of rockb u r st pro nen ess of rock. In th is  pape r ,  wh en the ch ang e of dimen s ion ov er 0.03 the ro ck h a ve stron ger rockb u rst pron ene ss.      Ackn o w l e dg ements   This work was suppo rted  in part by the  Speci a lize d  Resea r ch Fund for the  doctoral  colle ge (NO.2 0120 143 1 1 0 0 05).       Referen ces   [1]  He Manc hao,  Miao Jin li, Li  Deji an, W a n g  Chu ngu an g.  Chin ese Jour na l  of Rock Mechan ics an d   Engi neer in g . 2007; 26( 5).  [2]  Cook N G W  SAIMM. 1966; 66(1).  [3]  Xi e HP .  Proc.  2nd Int. S y mp.  On Min.  Sci. &  T e ch. (CUMT ) . 1991.   [4]  Y i  Shu n min,  T a ng Hu imin g. Earth Scienc e. 1 995; 20( 1).   [5]  Guangm ing  Y ,   Ai w u  L,  Y o n g z han P ,  F u shun L, Chunsh e n g  D.  Chines e Journa l of Rock  Mecha n ics an d   Engi neer in g . 2004; 23( 2).  [6]  Sing h SP . Rock Mechan ics a nd Rock En gi n eeri ng. 19 88; 2 1 (1).  [7]  W u   Y ,  Z hang  W .  Rock-bursts and seism i cit y  i n  min e s, Gibo w i cz a n d  Lasock i  eds . Rotterdam :   Balkem a. 199 7 .     [8]  Nie Du xia n , Z eng W e n qu, W e Y o u w e i . Micr ocomp u ter Dev e lo pment. 20 0 4 ; 14(9).     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.