在矿山的勘探、设计、施工和运营管理过程中，对地形、岩体和矿藏的准确测量以及精细建模是矿业工程建设的重要环节，关系到工程安全和建设成本，一直是岩石工程领域的研究热点[1-2]。相比于传统的巷道测量方法，三维激光扫描通过对被测物体进行快速扫描测量获得点云数据，准确地测量出巷道的大小和形状，又称为“实景复制技术”。该技术能够用于数字孪生模型的构建[3],通过对矿山进行高精度的扫描，可以获取到丰富的地形和物体信息，从而建立真实且精确的数字孪生模型[4]。通过对矿岩体的扫描和数据处理，得到岩体结构特征和结构面的发育特征信息，生成精确的点云模型和三维图像，为矿山工程的设计和岩体稳定性研究提供有力的支持。

目前，三维激光扫描技术在矿山测量和岩体结构面特征研究方面得到广泛的应用。三维激光扫描技术最早应用于地质勘查领域[5],SLOB S等[6]利用三维激光扫描技术首次实现了测量岩体的裂隙信息提取，并应用于节理裂隙的采集和识别。张文等[7]利用非接触式采集技术研究了节理化岩体结构面信息处理方法，并开展了三维裂隙网络模拟研究。史玉峰等[8]将三维激光扫描技术应用于地铁隧道工程，对隧道变形进行监测与分析。吴禄祥、莫平等[9-10]采用三维激光扫描方法获得岩石结构面三维数据信息，根据模型分析结果，开展岩体结构面粗糙度系数的评价方法研究。葛云峰等[11]基于三维激光扫描点云数据，自行编写3DEC软件接口，直接利用点云数据生成岩体结构面三维模型，并进一步研究了岩石剪切破坏过程中的应变能演化规律。徐伟等[12]采用数值模拟方法研究三维网络结构面的RQD值，发现三维网络结构面模拟法精度较高，具有广泛的应用价值。董丛新等[13]结合3D打印与三维激光扫描技术制作模型结构面，该方法基于岩体结构面表面的真实粗糙形态，可满足结构面室内试验研究的需求。吴述彧等[14]运用三维激光扫描对复杂地质环境的破裂松动岩体进行精细化测量，分析了岩体的变形程度和工程特性，为边坡稳定性分析和处理提供依据。

数字化测量技术得到的点云数据能够用于识别岩体结构面，分析构造影响的节理化岩体稳定性。本文针对某铜铅锌多金属矿的井下巷道进行了详细的三维实景复制，对比分析了巷道内岩体的优势结构面特征，采用3DEC软件构建离散断裂网络DFN(Discrete Fracture Network)模型，分析巷道围岩的破坏特征，研究结果可为节理岩体的工程设计和稳定性分析，以及智能化矿山建设提供参考。

1、工程概况

某铜铅锌多金属矿山已进入露天开采转地下开采阶段。铜矿体主要位于英安斑岩体南北两侧接触带及其外侧发育裂隙构造的蚀变千枚岩，以及少量爆破角砾岩、蚀变石英闪长岩和石英斑岩经硅化绢云母化的蚀变带中，铅锌矿岩体有明显的裂隙面。矿区断裂构造以北东和北北东方向断裂为主导，总体走向45°～50°,走向长约5 km, 宽1～5 m, 沿其轴面方向发育有多条平行断裂。带内千枚岩变形强烈，片理化现象普遍，局部出现糜棱岩化，有明显的脆性变形特征。

随着矿山地下开采工作的进行，将形成大量不规则工作面(巷道、溜井、空区等),应用传统测量手段无法快速、安全、精确地采集该类工作面现状数据，且传统测量手段采集单点测量，而且采集点之间的距离较大，无法精确地表现矿山开采现状。现亟需一种可以安全、高效、精确地采集矿山开采现状数据的设备，从而能够最大限度地表征矿山形态，为矿山生产、管理提供准确的基础数据。

2、岩体测量与结构面统计

2.1 工作流程及技术要求

三维激光扫描技术是一种采用非接触式发射高速激光的测量方式，通过接受自身发射并经物体表面漫反射后的激光脉冲信号，来获取目标物体的数据信息，该技术主要工作流程如图1所示。

图1 三维激光扫描技术工作流程

本次使用的仪器为MAPTEK I-Site 8200型三维激光扫描仪，扫描距离为1～500 m, 最大扫描速度为40 000点/s, 扫描视场角在垂直方向上为250°、水平方向上为360°。

采用三维激光扫描技术获取的点云坐标属于相对坐标，在进行模型信息三维重构前，需将相对坐标转换为大地空间直角坐标，并进行后视基准点坐标修正和转换。针对控制测站间距导致相邻两测站测得的点云数据部分重叠的问题，可通过拼接算法将点云数据拼接，从而获得矿山巷道模型全貌。考虑仪器可能受到光线、遮蔽、震动等干扰，后期需剔除无关噪点数据，主要工作包括删除剖面干扰点云，按照孤点和最小间距的过滤方式进行预处理，并进行适度抽稀，最终得到距离真实、方位准确的点云数据。

2.2 三维巷道实景重现

本次矿山巷道三维扫描采用MAPTEK I-Site 8200脉冲式扫描仪，每秒采集20万个点，厘米级的点间距，以保障巷道表面细节呈现效果较好。图2为-285 m水平分段巷道节理区域划分图，共划分为4个区域：1#、2#、3#、4#。

图2-285 m水平分段巷道节理区域划分

基于图1的工作流程，将-285 m分段局部巷道扫描数据做点云数据拼接、坐标校正，并与施工平面图进行对比，建立真实的三维数据模型。再根据实测范围划分节理分析区域，对每个区域的巷道单独进行节理分析，得到-285 m分段巷道1#区域的扫描点云及节理产状，如图3所示。

图3-285 m分段巷道1#区域扫描点云及节理产状

2.3 节理岩体构造分析

以-285 m分段巷道1#区域为例，在建立的三维模型上，根据主要节理裂隙的分布情况，依据Pointstudio2021分组的原则对巷道结构面进行分组，不同颜色代表不同的组(颜色标识见电子版),分为3组，每组结构面的产状、迹长等信息见表1。

表1 1#区域结构面基本信息

由表1可知，该区第一组节理结构面共19条，第二组节理结构面共12条，第三组节理结构面共38条。

根据结构面的空间展布，分别绘制出节理极点图、平面图、等密图、玫瑰花图，如图4所示，可以清晰地看出每组结构面的产状分布。

图4 结构面产状分布

2.4 巷道节理分布规律

此次外业共完成了2个分段(-285 m, -328 m)部分巷道的数据采集工作，共架设站点43个，扫描巷道2条。其中-285 m分段总计架设16个站点，完成了140 m巷道节理的数据采集工作，-328 m分段平台架设27个站点，完成了375 m巷道节理的数据采集工作，共采集点云51 456 712个。根据扫描点云，提取了巷道节理产状，并统计其分布特征，建立巷道实景模型。

应用三维激光扫描仪对井下巷道围岩表面进行精确扫描，点云数据拼接和坐标匹配后，在高密度的点云上可以直接识别提取节理产状信息。提取完大量的产状信息后，可进一步分析巷道节理分布规律。通过对该矿区-285 m水平和-328 m水平分段巷道岩体结构面进行统计分析，得到矿区巷道内岩体结构面极点图和赤平投影图，如图5所示，矿区巷道内岩体结构面体密度统计如图6所示。

图5 矿区巷道内岩体结构面极点图和赤平投影图

图6 矿区巷道内岩体结构面体密度统计

根据图5、图6可知：

(1) 矿区深部巷道内结构面较发育，基本上有3组优势结构面，且-285m水平与-328 m水平优势结构面产状较一致；

(2) -285 m水平巷道内统计的结构面体密度为2.74～5.86条/m3,但由于4#穿脉统计样本数较小，整体而言，-285 m水平岩体结构面体密度约为3.3 条/m3;

(3) -328 m水平巷道内发育4组优势结构面，体密度为1.99条/m3。

3、巷道围岩稳定性分析

3.1 离散断裂网络模型

根据矿山巷道的岩体结构面特征信息，建立基于离散断裂网络的数值模型，对于现场岩体力学特性和破坏特征研究更有实际意义。

首先，在3DEC软件设定的模型区域内建立节理面模板，按照表1中-285 m分段巷道1#区域岩体结构面基本信息，设置节理面产状为Fisher分布，节理尺寸为幂指数分布。

然后，在模型区域内设置测线，并按照3组优势结构面产状特征分别生成第一组倾向154.77°、倾角83.84°、迹长0.46 m、线密度0.48 条/m, 第二组倾向237.51°、倾角68.21°、迹长0.40 m、线密度1.85 条/m, 第三组倾向332.03°、倾角75.42°、迹长0.42 m、线密度1.52 条/m的不同圆盘形节理面，即完成DFN模型构建。

最后，把DFN模型导入到三维巷道模型，使用jset命令对巷道实体单元进行切割，得到具有一定统计规律的节理岩体模型。

三维巷道模型尺寸(长×宽×高)为23 m×23 m×23m, 巷道尺寸(长×宽)为2.8 m×2.8 m, 节理面延伸长度为0.2～1 m, 模型包含296 285个离散块体、31 254条裂隙，生成的模型如图7所示。

图7 三维数值模型

3.2 力学参数标定

块体离散元模型中，岩石材料的力学行为主要由模型中的块体和块体间接触面的力学参数控制。由于数值模型中的力学参数与岩石宏观力学参数之间缺少固定的函数关系，可根据实验室测试数据进行试算获得[15]。结构面强度参数采用岩石折减的方法：根据Brady等提出的平面应力概念模型[16],结构面的弹性模量E′、泊松比ν′可由岩石弹性模量E和泊松比ν进行换算，见式(1)和式(2)。

试验中本构模型采用库伦滑移模型，接触面的拉伸和剪切破坏根据最大拉伸准则和摩尔- 库伦滑移准则判断。本次试验中矿岩物理力学性质测试依据《工程岩体试验方法标准》(GB/T 50266—2013)执行，据此结果进行标定，标定得到的模型物理力学参数见表2。

表2 模型物理力学参数汇总

3.3 初始应力及边界条件

巷道模型底部采用固定约束，约束x、y、z三向位移；模型四周采用水平位移约束，只约束法向位移；模型顶部施加应力边界，可以按其上覆岩层的重力进行估算。依据该矿区地应力测量数据，-285 m水平巷道围岩的最大主应力、最小主应力和垂直主应力值分别为13.1 MPa、7.94 MPa和7.83 MPa, 并对模型整体施加重力场，即在z轴负方向施加重力加速度，大小为9.8 m/s2。

3.4 巷道围岩变形破坏征

巷道开挖后围岩应力释放，巷道顶板和两帮出现较大位移，数值模拟得到巷道围岩位移云图见图8。由图8可知，巷道边帮节理面处发生较大位移，位移量在20 mm左右，容易发生片帮破坏；顶板处的离散块体最大位移量高达31.59 mm, 巷道发生冒顶的可能性较大。

图8 巷道围岩位移云图

由巷道周边的应力分布规律可知，巷道所受的侧向压力大于垂直压力，巷道侧帮围岩中容易出现拉应力，导致边帮发生张拉- 劈裂形式的破坏。巷道顶板围岩在多组交叉结构面的切割作用下，形成独立的岩块，开挖后，岩块的重力分量和摩擦力作用不能维持平衡状态，导致岩块沿着节理面发生垮落。

巷道的宏观破坏与岩体内部裂纹的发展演化息息相关。模型在初始应力环境中原始裂隙闭合，在开挖扰动应力下岩体结构面萌生少量微裂纹，在重分布应力作用下微裂纹迅速发展。图9为巷道围岩结构面微破裂分布图。

由图9可知，巷道表面围岩主要沿结构面两帮发生剥落破坏，两帮分布较多的张拉 - 剪切微裂纹，该类裂纹分布范围较广，主要在交叉结构面的共同作用下产生；而在结构面端部主要产生张拉裂纹，剪切破裂多发生在相邻结构面的附近。

图9 岩体结构面微破裂分布

4、结论

通过对巷道进行三维激光扫描，获得了点云数据，运用离散断裂网络DFN建立了合成岩体真三维精细化巷道网格模型，用3DEC软件分析了巷道的稳定性，得到如下结论。

(1) 建立了矿山巷道三维激光扫描勘测工作流程，通过三维激光扫描获取2个分段巷道的三维空间坐标和岩体结构面性状，统计分析得到岩体结构面优势产状及空间分布特征。结果表明：矿区巷道内结构面较发育，基本上有3组优势结构面，2个分段水平优势结构面产状较一致。

(2) 构建巷道精细化三维实景，基于点云数据结构面统计信息，运用离散断裂网络建立岩体的三维巷道数值模型，结合地应力测量结果，用3DEC软件进行了巷道开挖的数值模拟，计算了巷道开挖变形值，揭示了巷道边帮剥落和顶板冒落的破坏形式，以及巷道边帮和拱肩部位张拉 - 剪切微破裂的分布特征。

(3) 随着数字化勘测技术的发展，矿山建设和运营将向虚拟现实仿真发展，将点云数据导入虚拟现实平台后，构建数字孪生矿山，用于矿山监测与工程设计。本文的研究成果对矿山的智能化建设提供了支撑，结合人工智能和大数据分析，可实现对矿山井巷工程的智能处理和优化决策。

参考文献:

[1]廉旭刚,蔡音飞,胡海峰.我国矿山测量领域三维激光扫描技术的应用现状及存在问题[J].金属矿山,2019(3):35-40.

[2]杜祎玮,任富强,常来山.三维激光扫描技术在国内矿山领域的应用[J].矿业研究与开发,2021,41(12):154-160.

[3]张帆,葛世荣.矿山数字孪生构建方法与演化机理[J].煤炭学报,2023,48(1):510-522.

[4]李全生,刘举庆,李军,等.矿山生态环境数字孪生:内涵､架构与关键技术[J].煤炭学报,2023,48(10):3859-3873.

[7]张文,韩博,孙昊林,等.高陡岩质斜坡的结构面非接触式采集技术与三维裂隙网络模拟研究[J].工程地质学报,2020,28(2):221-231.

[8]史玉峰,张俊,张迎亚.基于地面三维激光扫描技术的隧道安全监测[J].东南大学学报(自然科学版),2013,11(增刊2):247-249.

[9]吴禄祥,吕庆,蔡学桁,等.基于旋转采样法的结构面粗糙度各向异性评价[J].工程地质学报,2021,29(1):52-58.

[10]莫平.岩体结构面粗糙度系数的三维表征与评价[J].矿业研究与开发,2021,41(1):73-80.

[11]葛云峰,唐辉明,王亮清,等.剪切荷载下贯通结构面应变能演化机制研究[J].岩石力学与工程学报,2016,35(6):1111-1121.

[12]徐伟,胡新丽,黄磊,等.结构面三维网络模拟计算RQD及精度对比研究[J].岩石力学与工程学报,2012,31(4):822-833.

[13]董丛新,廖崇高,潘凯,等.岩体结构面力学模型制作新方法试验研究[J].水利与建筑工程学报,2017,15(4):19-23+95.

[14]吴述彧,李鹏飞,陈占恒.高寒峡谷地区碎裂松动岩体工程特性研究[J].地下空间与工程学报,2018,14(5):1250-1257.

基金资助:国家重点研发计划资助项目(2023YFC2907201);

文章来源:熊赞民,张杰,王恒涛,等.矿山节理岩体数字化测量及巷道模型破坏特征[J].矿业研究与开发,2024,44(11):137-143.