непонятное с синтаксисом оператора `array_rand`

Проверьте в первом примере - действительно ли полученный $rnd_key содержит МАССИВ, а не скалярное значение (если второй параметр опустить - возвращается именно скаляр).

Для того, чтобы всегда получать массив, воспользуйтесь советом qeremy из usernotes к документации

And example for getting random value from assoc arrays

<?php
function array_random_assoc($arr, $num = 1) {
    $keys = array_keys($arr);
    shuffle($keys);
    $r = array();
    for ($i = 0; $i < $num; $i++) {
        $r[$keys[$i]] = $arr[$keys[$i]];
    }
    return $r;
}
$a = array("a" => "apple", "b" => "banana", "c" => "cherry");
print_r(array_random_assoc($a));
print_r(array_random_assoc($a, 2));
?>

Output

Array
(
    [c] => cherry
)
Array
(
    [a] => apple
    [b] => banana
)

Если вы выбираете только одно значение, функция array_rand() возвращает ключ, соответствующий этому значению.

В обратном случае, она возвращает массив ключей, соответствующих случайным значениям.

Пример для одного числа https://eval.in/754748 и для двух https://eval.in/754750