某地下矿山爆破振动对地表房屋安全影响的分析

厉建华，叶元寿，郑冰

(1.浙江省爆破行业协会， 浙江 杭州 310007；2.浙江恒荣建设工程有限公司， 浙江 宁波市 315801)

1 概述

浙江某铜矿于 1960年投产。该铜矿属于中小型地下开采矿山，根据矿山提供的开采资料，+50 m以上中段于1983年开采完毕，并已封闭。0 m中段于 1989年完成回采与矿柱回收工作。该铜矿矿体开采方法为：一步回采上向水平分层胶结充填采矿方法，二步回采低分段空场嗣后一次充填采矿法。自1988年开采Ⅰ+Ⅱ多金属矿体以来，采矿形成的空区均已进行充填。

从 2015年以来，主要开采范围为Ⅱ号矿体。Ⅱ号矿体是一个以铜为主，伴生有金、银、锌、硫等多金属高品位倾斜厚大矿体，赋存在地表以下120 m左右。矿体形态复杂，呈极不规则的凸镜状，分枝复合现象常见。矿体略呈北倾状，倾伏角12°。走向与地层基本一致，为北东10°～20°，倾角45°～50°，平均走向长158 m，平均厚17.73 m，矿石为致密块状高硫矿石。矿体顶板为大理岩和白云化大理岩，岩层质地坚韧，节理不发育，f=7～8，整体稳固性好；矿体底板为石英砂岩，岩层结构致密，质地坚硬、性脆，节理较为发育，f=12～14，整体稳固性好。

矿山开采爆破施工内容包括平巷掘进爆破，地下中深孔爆破，地下浅孔爆破等，平巷断面为 3 m×3 m，切割横巷断面为2 m×2 m或3 m×3 m。

地下浅孔爆破炮孔深度为1.8 m～2.2 m，采用非电导爆管雷管起爆网路，孔底起爆，排间延时起爆。爆破安全评估报告要求：最大单段药量为 4.4 kg，一次爆破总药量为40 kg。

采场回采爆破采用上向垂直扇形中深孔。扇形中深孔孔径55 mm，孔深一般为10 m～15 m。爆破安全评估报告要求：最大单段药量不大于 36 kg，一次爆破总药量为270 kg。

爆区在地表以下165 m～260 m，距地面村庄的水平距离约为50 m～370 m。2016年根据当地部分村民反映，在矿区爆破开采时有强烈的震感，窗户有轻微晃动等，村庄有 2幢房屋出现墙体开裂等现象。

2 房屋情况调查

出现墙体开裂现象的2幢房屋均为3层混合结构的住宅，东西朝向，平面呈矩形。主要平面轴线尺寸约10.4 m×11.0 m，建于2015年。据住户介绍：房屋采用钻孔灌注桩，桩长约12 m，柱下独立承台基础，设地梁。房屋上部结构采用纵横墙及钢筋混凝土梁柱承重，纵横墙为 240 mm厚实砌粘土砖墙；钢筋混凝土现浇板楼；钢筋混凝土现浇板坡屋面；钢筋混凝土檐沟集排水。

房屋 1，东北侧室外地坪存在一条东南至西北走向的裂缝，东侧室外台阶平台栏杆与主体结构交接处脱开明显（见图1），花坛局部开裂（见图2），北侧围墙竖向贯通开裂（见图3），最大缝宽约为5 mm。墙体裂缝属于原有老旧裂缝，缝内积灰，同时呈现有增宽、延伸、扩展迹象。

图1 栏杆脱开

图2 花坛开裂

图3 围墙开裂

房屋2，南外纵墙地梁与墙体交接处脱开(见图4)，裂缝自中部桩承台起，自西向东变宽，最大缝宽约5.5 mm。一层北侧卫生间窗洞角墙体西高东低斜向贯通开裂(见图5)，最大缝宽约4 mm。一层内横墙(卫生间门洞角)西高东低斜向贯通开裂(见图6)，最大缝宽约3 mm。

图4 地梁与墙脱开

图5 墙体斜向贯通开裂

图6 墙体斜向贯通开裂

综上，本次调查的房屋1层～3层纵横墙体多处出现斜向、水平开裂，其中一层内横墙及北山墙西高东低斜向贯通开裂，缝宽3 mm～4 mm；二层北山墙及内横墙西高东低斜向贯通开裂，缝宽 2 mm～3 mm；一层东外纵墙南高北低斜向开裂，缝宽3 mm；二层内纵墙南高北低斜向及横向贯通开裂；三层内横墙、东外纵墙水平开裂，最大缝宽 6 mm。

房屋出现裂缝主要与地质条件、地下开采、房屋地基基础、建筑物结构本身或外力影响等因素有关，这2幢房屋均位于岩溶区，采用人工挖孔桩基础，桩径1 m，桩长13 m～15 m，桩基施工时间为2015年4月，出现裂缝的时间段集中在2017年1月—4月，存在因地质条件和桩基施工质量等因素引起不均匀沉降的可能。

从现场踏勘情况来看，未发现房屋受到纯粹因爆破振动影响的破坏特征。房屋受损与爆区距离、房屋结构特征、建造年代、原有破损程度等因素有关, 距离越远，爆破影响程度越低。

3 矿山爆破振动对地表房屋的影响

3.1 爆破振动监测

为了解该地下矿山开采爆破产生的振动对矿区附近地表房屋的影响情况，在矿山爆破时，对这2幢房屋及附近的房屋进行了振动监测，在房屋底层地面上共布设了7个测点，共监测2次。

监测点距爆区的水平距离约为180 m，地表房屋距爆区的高差约为200 m，地下浅孔爆破，最大单段药量为18 kg。

本次测试爆破振动起始触发值为0.01 cm/s。

第一次测得质点振动速度X方向最大为 0.01 cm/s；Y方向最大为0.01 cm/s；Z方向最大为0.04 cm/s。

第二次测得质点振动速度X方向最大为 0.01 cm/s；Y方向最大为0.01 cm/s；Z方向最大为0.02 cm/s。

在爆破振动测试过程中，有火车从该村庄附近的铁路经过时，测得质点振动速度X方向最大为0.03 cm/s；Y方向最大为0.05 cm/s；Z方向最大为0.06 cm/s。有火车从岭后村附近的铁路经过时，测得质点振动速度X方向最大为0.01 cm/s；Y方向最大为0.02 cm/s；Z方向最大为0.03 cm/s。

从以上振动测试结果可见，2次爆破振动测试测得最大质点振动速度均远小于《爆破安全规程》（GB 6722-2014）限定的安全允许限值，且爆破引起的房屋质点振动速度略小于村庄附近有火车经过时产生的质点振动速度。

在长期地下矿山开采的爆破过程中，因爆破振动的累积效应可能会造成地基的沉降或沉降加速，其损坏的程度和爆破振动的关联度需要从爆破情况、地质地形情况、地下开采区域与房屋的相对位置关系等方面作相应分析。

3.2 爆破振动影响计算分析

调查的2幢房屋均为砖混结构，根据《爆破安全规程》(GB 6722-2014)允许的安全质点振动速度如下：

地下深孔爆破，振动频率一般为 30 Hz～100 Hz，V=2.0～2.5 cm/s；

地下浅孔爆破，振动频率一般为 60 Hz～300 Hz，V=2.5～3.0 cm/s。

按《爆破安全规程》（GB 6722-2014）中爆破振动计算公式：

经转换：

式中，R为爆区距保护对象的距离，m；Q为最大单段药量，kg；V为保护对象所在地质点振动速度，cm/s；K、α分别为与爆破点至计算保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数，可按表1取值。

表1 不同岩层条件的K、α值

按中硬岩性最不利的条件组合确定K与α的取值，即将地形、地质条件系数K取大值，将振动波衰减指数α取小值，这种取值会使计算的质点振动速度偏大。本工程取：K=250，α=1.5。

依据现有的相关资料，按照房屋可能受到爆破振动影响最大的数据来确定爆区距保护对象的距离R和最大单段药量Q。据该矿山爆破安全评估报告和矿山储量年报，爆破区域距这2幢房屋最近的水平距离为50 m。开采标高为0 m、-50 m、-100 m，房屋的基础标高为+120 m，则爆区距房屋基础的最近直线距离为R0=130 m、R-50=177 m、R-100=225 m。该矿采用深孔爆破开采方式，一次爆破总药量为270 kg，单段最大起爆药量为36 kg。地下浅孔爆破,一次爆破总药量为35.28 kg，最大单段药量Q=18.7 kg，从有利于保护房屋的角度出发，按最不利的因素考虑，取一次爆破总药量作为最大单响药量用于计算。

有关资料已经证明，当爆源处于低位时，在相同爆心距的情况下，爆破地震波的振动强度随着离地面垂直高差的增加而呈一定的增强趋势。这说明爆破振动存在明显的高程放大效应。在以下核算爆破质点振动速度时，考虑高程对爆破振动的放大作用，采用的高程影响放大系数为1.3。

根据以上确定的参数，分两种不同的爆破方式、开采爆破时间段进行安全验算。

（1）地下深孔爆破振动速度验算。最大单段药量Q=270 kg；爆区距房屋基础的直线距离为R-50=177 m。经计算：房屋爆破振动质点振动速度平均值为V=1.74 cm/s；考虑高程放大系数的影响后，V=1.74×1.3=2.26 cm/s。

（2）地下浅孔爆破进行验算。最大单段药量Q=35.28 kg；爆区距房屋基础的直线距离（斜距）为R-100=225 m。经计算：房屋爆破振动质点振动速度平均值为V=0.44 cm/s；考虑高程放大系数的影响后，V=0.44×1.3=0.57 cm/s。

根据以上安全验算结果可知，深孔爆破最大单段药量按一次爆破总药量进行爆破振动速度计算，并考虑高程放大影响，房屋基础产生的质点振动速度为2.26 cm/s ，其值介于《爆破安全规程》允许标准的（2.0～2.5）cm/s范围内。浅孔爆破按最大单段药量按一次爆破总药量进行爆破振动速度计算，并考虑高程放大影响，房屋基础产生的质点振动速度为0.57 cm/s，其值小于《爆破安全规程》允许的标准（2.5～3.0）cm/s内。

在上述计算中，选取的最大单响药量是一次爆破总药量，参数K和α按偏保守取值。因此，计算的结果是偏于保守的，是可靠的。计算结果表明，该矿爆破所产生的振动不会对房屋的结构造成损坏，但会造成房屋抹灰层出现微细裂缝或加速房屋原有裂缝扩展、延伸。

3.3 地震烈度校核分析

对照《中国地震烈度表》可知，以上计算值在距保护对象50 m～365 m范围内，其质点振动速度介于能定量描写的V级烈度（地面水平运动峰值速度为2 cm/s～4 cm/s）。依据地震烈度表的描述，Ⅰ级地震烈度发生时在地面上人无感觉，Ⅱ地震级烈度发生时室内个别静止中的人有感觉，Ⅲ～Ⅴ级地震烈度发生时多数人有感觉，小数人会梦中惊醒，门窗作响，墙面抹灰出现微细裂缝。从村民反映的情况并结合上述计算结果分析，矿山已实施的地下爆破对爆区地表房屋的振动影响相当于地震烈度V级以下，距离越远振动影响越小。

爆破振动与天然地震无论是在频率上还是作用的持续时间上都是有本质区别的。因此，爆破振动速度在2 cm/s～4 cm/s时，并不会造成房屋的结构性损害。但考虑到现有房屋结构特征、建造年代、破损程度等因素，可能会使原有裂缝延伸或扩张和部分表面装饰产生新裂缝。

4 结论

通过对地表房屋的实地踏勘，确定爆破振动测试仪器布置点，对房屋进行爆破振动测试，依据《爆破安全规程》（GB 6722-2014）对地表房屋进行安全影响判定，得出以下结论和建议：

（1）地下矿山开采爆破振动不会对附近地表房屋的主体结构安全造成危害；

（2）矿山附近的房屋位于岩溶区，会因地质、建筑结构和桩基施工质量等原因引起房屋地基的不均匀沉降；

（3）在长期的地下矿山开采爆破过程中，因爆破振动的累积效应会造成房屋抹灰层产生微细裂缝、加速或促进房屋原有裂缝扩展、延伸。在其他因素的综合作用下爆破振动的累积效应可能会造成地基的沉降或沉降加速等。