某地下礦山爆破振動對地表房屋安全影響的分析

厲建華，葉元壽，鄭冰

(1.浙江省爆破行業協會， 浙江 杭州 310007；2.浙江恒榮建設工程有限公司， 浙江 寧波市 315801)

1 概述

浙江某銅礦于 1960年投產。該銅礦屬于中小型地下開采礦山，根據礦山提供的開采資料，+50 m以上中段于1983年開采完畢，并已封閉。0 m中段于 1989年完成回采與礦柱回收工作。該銅礦礦體開采方法為：一步回采上向水平分層膠結充填采礦方法，二步回采低分段空場嗣后一次充填采礦法。自1988年開采Ⅰ+Ⅱ多金屬礦體以來，采礦形成的空區均已進行充填。

從 2015年以來，主要開采范圍為Ⅱ號礦體。Ⅱ號礦體是一個以銅為主，伴生有金、銀、鋅、硫等多金屬高品位傾斜厚大礦體，賦存在地表以下120 m左右。礦體形態復雜，呈極不規則的凸鏡狀，分枝復合現象常見。礦體略呈北傾狀，傾伏角12°。走向與地層基本一致，為北東10°～20°，傾角45°～50°，平均走向長158 m，平均厚17.73 m，礦石為致密塊狀高硫礦石。礦體頂板為大理巖和白云化大理巖，巖層質地堅韌，節理不發育，f=7～8，整體穩固性好；礦體底板為石英砂巖，巖層結構致密，質地堅硬、性脆，節理較為發育，f=12～14，整體穩固性好。

礦山開采爆破施工內容包括平巷掘進爆破，地下中深孔爆破，地下淺孔爆破等，平巷斷面為 3 m×3 m，切割橫巷斷面為2 m×2 m或3 m×3 m。

地下淺孔爆破炮孔深度為1.8 m～2.2 m，采用非電導爆管雷管起爆網路，孔底起爆，排間延時起爆。爆破安全評估報告要求：最大單段藥量為 4.4 kg，一次爆破總藥量為40 kg。

采場回采爆破采用上向垂直扇形中深孔。扇形中深孔孔徑55 mm，孔深一般為10 m～15 m。爆破安全評估報告要求：最大單段藥量不大于 36 kg，一次爆破總藥量為270 kg。

爆區在地表以下165 m～260 m，距地面村莊的水平距離約為50 m～370 m。2016年根據當地部分村民反映，在礦區爆破開采時有強烈的震感，窗戶有輕微晃動等，村莊有 2幢房屋出現墻體開裂等現象。

2 房屋情況調查

出現墻體開裂現象的2幢房屋均為3層混合結構的住宅，東西朝向，平面呈矩形。主要平面軸線尺寸約10.4 m×11.0 m，建于2015年。據住戶介紹：房屋采用鉆孔灌注樁，樁長約12 m，柱下獨立承臺基礎，設地梁。房屋上部結構采用縱橫墻及鋼筋混凝土梁柱承重，縱橫墻為 240 mm厚實砌粘土磚墻；鋼筋混凝土現澆板樓；鋼筋混凝土現澆板坡屋面；鋼筋混凝土檐溝集排水。

房屋 1，東北側室外地坪存在一條東南至西北走向的裂縫，東側室外臺階平臺欄桿與主體結構交接處脫開明顯（見圖1），花壇局部開裂（見圖2），北側圍墻豎向貫通開裂（見圖3），最大縫寬約為5 mm。墻體裂縫屬于原有老舊裂縫，縫內積灰，同時呈現有增寬、延伸、擴展跡象。

圖1 欄桿脫開

圖2 花壇開裂

圖3 圍墻開裂

房屋2，南外縱墻地梁與墻體交接處脫開(見圖4)，裂縫自中部樁承臺起，自西向東變寬，最大縫寬約5.5 mm。一層北側衛生間窗洞角墻體西高東低斜向貫通開裂(見圖5)，最大縫寬約4 mm。一層內橫墻(衛生間門洞角)西高東低斜向貫通開裂(見圖6)，最大縫寬約3 mm。

圖4 地梁與墻脫開

圖5 墻體斜向貫通開裂

圖6 墻體斜向貫通開裂

綜上，本次調查的房屋1層～3層縱橫墻體多處出現斜向、水平開裂，其中一層內橫墻及北山墻西高東低斜向貫通開裂，縫寬3 mm～4 mm；二層北山墻及內橫墻西高東低斜向貫通開裂，縫寬 2 mm～3 mm；一層東外縱墻南高北低斜向開裂，縫寬3 mm；二層內縱墻南高北低斜向及橫向貫通開裂；三層內橫墻、東外縱墻水平開裂，最大縫寬 6 mm。

房屋出現裂縫主要與地質條件、地下開采、房屋地基基礎、建筑物結構本身或外力影響等因素有關，這2幢房屋均位于巖溶區，采用人工挖孔樁基礎，樁徑1 m，樁長13 m～15 m，樁基施工時間為2015年4月，出現裂縫的時間段集中在2017年1月—4月，存在因地質條件和樁基施工質量等因素引起不均勻沉降的可能。

從現場踏勘情況來看，未發現房屋受到純粹因爆破振動影響的破壞特征。房屋受損與爆區距離、房屋結構特征、建造年代、原有破損程度等因素有關, 距離越遠，爆破影響程度越低。

3 礦山爆破振動對地表房屋的影響

3.1 爆破振動監測

為了解該地下礦山開采爆破產生的振動對礦區附近地表房屋的影響情況，在礦山爆破時，對這2幢房屋及附近的房屋進行了振動監測，在房屋底層地面上共布設了7個測點，共監測2次。

監測點距爆區的水平距離約為180 m，地表房屋距爆區的高差約為200 m，地下淺孔爆破，最大單段藥量為18 kg。

本次測試爆破振動起始觸發值為0.01 cm/s。

第一次測得質點振動速度X方向最大為 0.01 cm/s；Y方向最大為0.01 cm/s；Z方向最大為0.04 cm/s。

第二次測得質點振動速度X方向最大為 0.01 cm/s；Y方向最大為0.01 cm/s；Z方向最大為0.02 cm/s。

在爆破振動測試過程中，有火車從該村莊附近的鐵路經過時，測得質點振動速度X方向最大為0.03 cm/s；Y方向最大為0.05 cm/s；Z方向最大為0.06 cm/s。有火車從嶺后村附近的鐵路經過時，測得質點振動速度X方向最大為0.01 cm/s；Y方向最大為0.02 cm/s；Z方向最大為0.03 cm/s。

從以上振動測試結果可見，2次爆破振動測試測得最大質點振動速度均遠小于《爆破安全規程》（GB 6722-2014）限定的安全允許限值，且爆破引起的房屋質點振動速度略小于村莊附近有火車經過時產生的質點振動速度。

在長期地下礦山開采的爆破過程中，因爆破振動的累積效應可能會造成地基的沉降或沉降加速，其損壞的程度和爆破振動的關聯度需要從爆破情況、地質地形情況、地下開采區域與房屋的相對位置關系等方面作相應分析。

3.2 爆破振動影響計算分析

調查的2幢房屋均為磚混結構，根據《爆破安全規程》(GB 6722-2014)允許的安全質點振動速度如下：

地下深孔爆破，振動頻率一般為 30 Hz～100 Hz，V=2.0～2.5 cm/s；

地下淺孔爆破，振動頻率一般為 60 Hz～300 Hz，V=2.5～3.0 cm/s。

按《爆破安全規程》（GB 6722-2014）中爆破振動計算公式：

經轉換：

式中，R為爆區距保護對象的距離，m；Q為最大單段藥量，kg；V為保護對象所在地質點振動速度，cm/s；K、α分別為與爆破點至計算保護對象間的地形、地質條件有關的系數和衰減指數，可按表1取值。

表1 不同巖層條件的K、α值

按中硬巖性最不利的條件組合確定K與α的取值，即將地形、地質條件系數K取大值，將振動波衰減指數α取小值，這種取值會使計算的質點振動速度偏大。本工程取：K=250，α=1.5。

依據現有的相關資料，按照房屋可能受到爆破振動影響最大的數據來確定爆區距保護對象的距離R和最大單段藥量Q。據該礦山爆破安全評估報告和礦山儲量年報，爆破區域距這2幢房屋最近的水平距離為50 m。開采標高為0 m、-50 m、-100 m，房屋的基礎標高為+120 m，則爆區距房屋基礎的最近直線距離為R0=130 m、R-50=177 m、R-100=225 m。該礦采用深孔爆破開采方式，一次爆破總藥量為270 kg，單段最大起爆藥量為36 kg。地下淺孔爆破,一次爆破總藥量為35.28 kg，最大單段藥量Q=18.7 kg，從有利于保護房屋的角度出發，按最不利的因素考慮，取一次爆破總藥量作為最大單響藥量用于計算。

有關資料已經證明，當爆源處于低位時，在相同爆心距的情況下，爆破地震波的振動強度隨著離地面垂直高差的增加而呈一定的增強趨勢。這說明爆破振動存在明顯的高程放大效應。在以下核算爆破質點振動速度時，考慮高程對爆破振動的放大作用，采用的高程影響放大系數為1.3。

根據以上確定的參數，分兩種不同的爆破方式、開采爆破時間段進行安全驗算。

（1）地下深孔爆破振動速度驗算。最大單段藥量Q=270 kg；爆區距房屋基礎的直線距離為R-50=177 m。經計算：房屋爆破振動質點振動速度平均值為V=1.74 cm/s；考慮高程放大系數的影響后，V=1.74×1.3=2.26 cm/s。

（2）地下淺孔爆破進行驗算。最大單段藥量Q=35.28 kg；爆區距房屋基礎的直線距離（斜距）為R-100=225 m。經計算：房屋爆破振動質點振動速度平均值為V=0.44 cm/s；考慮高程放大系數的影響后，V=0.44×1.3=0.57 cm/s。

根據以上安全驗算結果可知，深孔爆破最大單段藥量按一次爆破總藥量進行爆破振動速度計算，并考慮高程放大影響，房屋基礎產生的質點振動速度為2.26 cm/s ，其值介于《爆破安全規程》允許標準的（2.0～2.5）cm/s范圍內。淺孔爆破按最大單段藥量按一次爆破總藥量進行爆破振動速度計算，并考慮高程放大影響，房屋基礎產生的質點振動速度為0.57 cm/s，其值小于《爆破安全規程》允許的標準（2.5～3.0）cm/s內。

在上述計算中，選取的最大單響藥量是一次爆破總藥量，參數K和α按偏保守取值。因此，計算的結果是偏于保守的，是可靠的。計算結果表明，該礦爆破所產生的振動不會對房屋的結構造成損壞，但會造成房屋抹灰層出現微細裂縫或加速房屋原有裂縫擴展、延伸。

3.3 地震烈度校核分析

對照《中國地震烈度表》可知，以上計算值在距保護對象50 m～365 m范圍內，其質點振動速度介于能定量描寫的V級烈度（地面水平運動峰值速度為2 cm/s～4 cm/s）。依據地震烈度表的描述，Ⅰ級地震烈度發生時在地面上人無感覺，Ⅱ地震級烈度發生時室內個別靜止中的人有感覺，Ⅲ～Ⅴ級地震烈度發生時多數人有感覺，小數人會夢中驚醒，門窗作響，墻面抹灰出現微細裂縫。從村民反映的情況并結合上述計算結果分析，礦山已實施的地下爆破對爆區地表房屋的振動影響相當于地震烈度V級以下，距離越遠振動影響越小。

爆破振動與天然地震無論是在頻率上還是作用的持續時間上都是有本質區別的。因此，爆破振動速度在2 cm/s～4 cm/s時，并不會造成房屋的結構性損害。但考慮到現有房屋結構特征、建造年代、破損程度等因素，可能會使原有裂縫延伸或擴張和部分表面裝飾產生新裂縫。

4 結論

通過對地表房屋的實地踏勘，確定爆破振動測試儀器布置點，對房屋進行爆破振動測試，依據《爆破安全規程》（GB 6722-2014）對地表房屋進行安全影響判定，得出以下結論和建議：

（1）地下礦山開采爆破振動不會對附近地表房屋的主體結構安全造成危害；

（2）礦山附近的房屋位于巖溶區，會因地質、建筑結構和樁基施工質量等原因引起房屋地基的不均勻沉降；

（3）在長期的地下礦山開采爆破過程中，因爆破振動的累積效應會造成房屋抹灰層產生微細裂縫、加速或促進房屋原有裂縫擴展、延伸。在其他因素的綜合作用下爆破振動的累積效應可能會造成地基的沉降或沉降加速等。