某地下礦山爆破振動(dòng)對(duì)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(yè)協(xié)會(huì)， 浙江 杭州 310007；2.浙江恒榮建設(shè)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(chǎn)。該銅礦屬于中小型地下開(kāi)采礦山，根據(jù)礦山提供的開(kāi)采資料，+50 m以上中段于1983年開(kāi)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(kāi)采方法為：一步回采上向水平分層膠結(jié)充填采礦方法，二步回采低分段空?qǐng)鏊煤笠淮纬涮畈傻V法。自1988年開(kāi)采Ⅰ+Ⅱ多金屬礦體以來(lái)，采礦形成的空區(qū)均已進(jìn)行充填。

從 2015年以來(lái)，主要開(kāi)采范圍為Ⅱ號(hào)礦體。Ⅱ號(hào)礦體是一個(gè)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(tài)復(fù)雜，呈極不規(guī)則的凸鏡狀，分枝復(fù)合現(xiàn)象常見(jiàn)。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(zhǎng)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(zhì)地堅(jiān)韌，節(jié)理不發(fā)育，f=7～8，整體穩(wěn)固性好；礦體底板為石英砂巖，巖層結(jié)構(gòu)致密，質(zhì)地堅(jiān)硬、性脆，節(jié)理較為發(fā)育，f=12～14，整體穩(wěn)固性好。

礦山開(kāi)采爆破施工內(nèi)容包括平巷掘進(jìn)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(dǎo)爆管雷管起爆網(wǎng)路，孔底起爆，排間延時(shí)起爆。爆破安全評(píng)估報(bào)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(chǎng)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(píng)估報(bào)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(qū)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(jù)當(dāng)?shù)夭糠执迕穹从?，在礦區(qū)爆破開(kāi)采時(shí)有強(qiáng)烈的震感，窗戶有輕微晃動(dòng)等，村莊有 2幢房屋出現(xiàn)墻體開(kāi)裂等現(xiàn)象。

2 房屋情況調(diào)查

出現(xiàn)墻體開(kāi)裂現(xiàn)象的2幢房屋均為3層混合結(jié)構(gòu)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(jù)住戶介紹：房屋采用鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)約12 m，柱下獨(dú)立承臺(tái)基礎(chǔ)，設(shè)地梁。房屋上部結(jié)構(gòu)采用縱橫墻及鋼筋混凝土梁柱承重，縱橫墻為 240 mm厚實(shí)砌粘土磚墻；鋼筋混凝土現(xiàn)澆板樓；鋼筋混凝土現(xiàn)澆板坡屋面；鋼筋混凝土檐溝集排水。

房屋 1，東北側(cè)室外地坪存在一條東南至西北走向的裂縫，東側(cè)室外臺(tái)階平臺(tái)欄桿與主體結(jié)構(gòu)交接處脫開(kāi)明顯（見(jiàn)圖1），花壇局部開(kāi)裂（見(jiàn)圖2），北側(cè)圍墻豎向貫通開(kāi)裂（見(jiàn)圖3），最大縫寬約為5 mm。墻體裂縫屬于原有老舊裂縫，縫內(nèi)積灰，同時(shí)呈現(xiàn)有增寬、延伸、擴(kuò)展跡象。

圖1 欄桿脫開(kāi)

圖2 花壇開(kāi)裂

圖3 圍墻開(kāi)裂

房屋2，南外縱墻地梁與墻體交接處脫開(kāi)(見(jiàn)圖4)，裂縫自中部樁承臺(tái)起，自西向東變寬，最大縫寬約5.5 mm。一層北側(cè)衛(wèi)生間窗洞角墻體西高東低斜向貫通開(kāi)裂(見(jiàn)圖5)，最大縫寬約4 mm。一層內(nèi)橫墻(衛(wèi)生間門(mén)洞角)西高東低斜向貫通開(kāi)裂(見(jiàn)圖6)，最大縫寬約3 mm。

圖4 地梁與墻脫開(kāi)

圖5 墻體斜向貫通開(kāi)裂

圖6 墻體斜向貫通開(kāi)裂

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

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

從現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況來(lái)看，未發(fā)現(xiàn)房屋受到純粹因爆破振動(dòng)影響的破壞特征。房屋受損與爆區(qū)距離、房屋結(jié)構(gòu)特征、建造年代、原有破損程度等因素有關(guān), 距離越遠(yuǎn)，爆破影響程度越低。

3 礦山爆破振動(dòng)對(duì)地表房屋的影響

3.1 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)

為了解該地下礦山開(kāi)采爆破產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)礦區(qū)附近地表房屋的影響情況，在礦山爆破時(shí)，對(duì)這2幢房屋及附近的房屋進(jìn)行了振動(dòng)監(jiān)測(cè)，在房屋底層地面上共布設(shè)了7個(gè)測(cè)點(diǎn)，共監(jiān)測(cè)2次。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)距爆區(qū)的水平距離約為180 m，地表房屋距爆區(qū)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(cè)試爆破振動(dòng)起始觸發(fā)值為0.01 cm/s。

第一次測(cè)得質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)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(cè)得質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)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(dòng)測(cè)試過(guò)程中，有火車從該村莊附近的鐵路經(jīng)過(guò)時(shí)，測(cè)得質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)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(jīng)過(guò)時(shí)，測(cè)得質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)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(dòng)測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，2次爆破振動(dòng)測(cè)試測(cè)得最大質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度均遠(yuǎn)小于《爆破安全規(guī)程》（GB 6722-2014）限定的安全允許限值，且爆破引起的房屋質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度略小于村莊附近有火車經(jīng)過(guò)時(shí)產(chǎn)生的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。

在長(zhǎng)期地下礦山開(kāi)采的爆破過(guò)程中，因爆破振動(dòng)的累積效應(yīng)可能會(huì)造成地基的沉降或沉降加速，其損壞的程度和爆破振動(dòng)的關(guān)聯(lián)度需要從爆破情況、地質(zhì)地形情況、地下開(kāi)采區(qū)域與房屋的相對(duì)位置關(guān)系等方面作相應(yīng)分析。

3.2 爆破振動(dòng)影響計(jì)算分析

調(diào)查的2幢房屋均為磚混結(jié)構(gòu)，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)允許的安全質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度如下：

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

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

按《爆破安全規(guī)程》（GB 6722-2014）中爆破振動(dòng)計(jì)算公式：

經(jīng)轉(zhuǎn)換：

式中，R為爆區(qū)距保護(hù)對(duì)象的距離，m；Q為最大單段藥量，kg；V為保護(hù)對(duì)象所在地質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，cm/s；K、α分別為與爆破點(diǎn)至計(jì)算保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，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(zhì)條件系數(shù)K取大值，將振動(dòng)波衰減指數(shù)α取小值，這種取值會(huì)使計(jì)算的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度偏大。本工程取：K=250，α=1.5。

依據(jù)現(xiàn)有的相關(guān)資料，按照房屋可能受到爆破振動(dòng)影響最大的數(shù)據(jù)來(lái)確定爆區(qū)距保護(hù)對(duì)象的距離R和最大單段藥量Q。據(jù)該礦山爆破安全評(píng)估報(bào)告和礦山儲(chǔ)量年報(bào)，爆破區(qū)域距這2幢房屋最近的水平距離為50 m。開(kāi)采標(biāo)高為0 m、-50 m、-100 m，房屋的基礎(chǔ)標(biāo)高為+120 m，則爆區(qū)距房屋基礎(chǔ)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(kāi)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(hù)房屋的角度出發(fā)，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(jì)算。

有關(guān)資料已經(jīng)證明，當(dāng)爆源處于低位時(shí)，在相同爆心距的情況下，爆破地震波的振動(dòng)強(qiáng)度隨著離地面垂直高差的增加而呈一定的增強(qiáng)趨勢(shì)。這說(shuō)明爆破振動(dòng)存在明顯的高程放大效應(yīng)。在以下核算爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度時(shí)，考慮高程對(duì)爆破振動(dòng)的放大作用，采用的高程影響放大系數(shù)為1.3。

根據(jù)以上確定的參數(shù)，分兩種不同的爆破方式、開(kāi)采爆破時(shí)間段進(jìn)行安全驗(yàn)算。

（1）地下深孔爆破振動(dòng)速度驗(yàn)算。最大單段藥量Q=270 kg；爆區(qū)距房屋基礎(chǔ)的直線距離為R-50=177 m。經(jīng)計(jì)算：房屋爆破振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度平均值為V=1.74 cm/s；考慮高程放大系數(shù)的影響后，V=1.74×1.3=2.26 cm/s。

（2）地下淺孔爆破進(jìn)行驗(yàn)算。最大單段藥量Q=35.28 kg；爆區(qū)距房屋基礎(chǔ)的直線距離（斜距）為R-100=225 m。經(jīng)計(jì)算：房屋爆破振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度平均值為V=0.44 cm/s；考慮高程放大系數(shù)的影響后，V=0.44×1.3=0.57 cm/s。

根據(jù)以上安全驗(yàn)算結(jié)果可知，深孔爆破最大單段藥量按一次爆破總藥量進(jìn)行爆破振動(dòng)速度計(jì)算，并考慮高程放大影響，房屋基礎(chǔ)產(chǎn)生的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為2.26 cm/s ，其值介于《爆破安全規(guī)程》允許標(biāo)準(zhǔn)的（2.0～2.5）cm/s范圍內(nèi)。淺孔爆破按最大單段藥量按一次爆破總藥量進(jìn)行爆破振動(dòng)速度計(jì)算，并考慮高程放大影響，房屋基礎(chǔ)產(chǎn)生的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為0.57 cm/s，其值小于《爆破安全規(guī)程》允許的標(biāo)準(zhǔn)（2.5～3.0）cm/s內(nèi)。

在上述計(jì)算中，選取的最大單響藥量是一次爆破總藥量，參數(shù)K和α按偏保守取值。因此，計(jì)算的結(jié)果是偏于保守的，是可靠的。計(jì)算結(jié)果表明，該礦爆破所產(chǎn)生的振動(dòng)不會(huì)對(duì)房屋的結(jié)構(gòu)造成損壞，但會(huì)造成房屋抹灰層出現(xiàn)微細(xì)裂縫或加速房屋原有裂縫擴(kuò)展、延伸。

3.3 地震烈度校核分析

對(duì)照《中國(guó)地震烈度表》可知，以上計(jì)算值在距保護(hù)對(duì)象50 m～365 m范圍內(nèi)，其質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度介于能定量描寫(xiě)的V級(jí)烈度（地面水平運(yùn)動(dòng)峰值速度為2 cm/s～4 cm/s）。依據(jù)地震烈度表的描述，Ⅰ級(jí)地震烈度發(fā)生時(shí)在地面上人無(wú)感覺(jué)，Ⅱ地震級(jí)烈度發(fā)生時(shí)室內(nèi)個(gè)別靜止中的人有感覺(jué)，Ⅲ～Ⅴ級(jí)地震烈度發(fā)生時(shí)多數(shù)人有感覺(jué)，小數(shù)人會(huì)夢(mèng)中驚醒，門(mén)窗作響，墻面抹灰出現(xiàn)微細(xì)裂縫。從村民反映的情況并結(jié)合上述計(jì)算結(jié)果分析，礦山已實(shí)施的地下爆破對(duì)爆區(qū)地表房屋的振動(dòng)影響相當(dāng)于地震烈度V級(jí)以下，距離越遠(yuǎn)振動(dòng)影響越小。

爆破振動(dòng)與天然地震無(wú)論是在頻率上還是作用的持續(xù)時(shí)間上都是有本質(zhì)區(qū)別的。因此，爆破振動(dòng)速度在2 cm/s～4 cm/s時(shí)，并不會(huì)造成房屋的結(jié)構(gòu)性損害。但考慮到現(xiàn)有房屋結(jié)構(gòu)特征、建造年代、破損程度等因素，可能會(huì)使原有裂縫延伸或擴(kuò)張和部分表面裝飾產(chǎn)生新裂縫。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)地表房屋的實(shí)地踏勘，確定爆破振動(dòng)測(cè)試儀器布置點(diǎn)，對(duì)房屋進(jìn)行爆破振動(dòng)測(cè)試，依據(jù)《爆破安全規(guī)程》（GB 6722-2014）對(duì)地表房屋進(jìn)行安全影響判定，得出以下結(jié)論和建議：

（1）地下礦山開(kāi)采爆破振動(dòng)不會(huì)對(duì)附近地表房屋的主體結(jié)構(gòu)安全造成危害；

（2）礦山附近的房屋位于巖溶區(qū)，會(huì)因地質(zhì)、建筑結(jié)構(gòu)和樁基施工質(zhì)量等原因引起房屋地基的不均勻沉降；

（3）在長(zhǎng)期的地下礦山開(kāi)采爆破過(guò)程中，因爆破振動(dòng)的累積效應(yīng)會(huì)造成房屋抹灰層產(chǎn)生微細(xì)裂縫、加速或促進(jìn)房屋原有裂縫擴(kuò)展、延伸。在其他因素的綜合作用下爆破振動(dòng)的累積效應(yīng)可能會(huì)造成地基的沉降或沉降加速等。