تحليل الاستجابة الزلزالية لهياكل أبراج أعمدة مناجم الفحم مع الأخذ بتأثير تفاعُل التربة–الركائز تحت مواقع مختلفة

لماذا تهم أبراج سطحية والزلازل

تعتمد مناجم الفحم العميقة على أبراج خرسانية طويلة عند السطح لرفع الأشخاص والفحم من أعماق كبيرة. تستند هذه الأبراج على أساسات تمتد داخل تربة وصخور طبقية. عند وقوع زلزال، لا يهتز البرج وحده؛ بل تتحرك أيضاً الأكوام والأرض المحيطة، وتؤثر كل هذه العناصر فيما بينها. تطرح هذه الدراسة سؤالاً عملياً له آثار كبيرة على السلامة والتكلفة: إلى أي مدى يغيّر هذا التفاعل الخفي بين التربة والأكوام والبرج طريقة استجابة برج البئر للزلازل، وهل يجعل قواعد التصميم الحالية شديدة الخطورة في بعض المواقع ومبالغاً فيها في مواقع أخرى؟

كيف تتحرك البرج والأكوام والتربة معاً

يركّز المؤلفون على برج بئر حديث وكبير لمنجم فحم بطول نحو 90 متراً، مدعوم بأساس روّاء مدعوم بأكوام ومتصّل بشكل صلب ببئر خرساني عمودي. بدلاً من افتراض أن القاعدة ثابتة تماماً، يعاملون البرج والأكوام والروّاء والبئر الخرساني والتربة الطبقية كنظام مترابط واحد. باستخدام نماذج فيزيائية راسخة، يبسطون هذا التجميع المعقّد إلى مجموعة من النوابض والكتل والمخففات التي تحاكي كيفية انحناء كل جزء وتمايله وانزلاقه عند الاهتزاز. ثم يستخرجون معادلات الحركة التي تربط حركة طوابق البرج بحركة الأساس المدفون والتربة المحيطة، ويحلّون هذه المعادلات عددياً بواسطة كود مخصّص في MATLAB.

اختبار زلازل وأنواع تربة واقعية

لمعرفة كيف يتجسّد هذا السلوك المترابط عملياً، استخدم الفريق منجماً حقيقياً في أنهاوي، الصين، كدراسة حالة. اختاروا 21 سجلاً زلزالياً—بما في ذلك زلازل طبيعية شديدة ومحاكاة دقيقة—وطبّقوها أفقياً عند القاعدة. يفحصون ثلاثة أحوال أرضية نموذجية مستخدمة في الأكواد الزلزالية الصينية: موقع «النوع II» الصلب نسبياً، وموقع «النوع III» الوسيط، وموقع «النوع IV» الأطرى، مع تمثيل كل منها بطبقات تربة متعددة ذات صلابة وكثافة مختلفة. للمقارنة، شغّلوا كل حركة أرض مرتين: مرة مع التفاعل الكامل بين التربة–الأكوام–البرج ومرة باستخدام الاختصار الشائع الذي يعامل الأساس كقائم صلب تماماً.

ماذا يحدث لانحراف كل طابق

الكمية الأساسية التي يتعقبونها هي الانزياح بين الطوابق—الحركة الجانبية النسبية بين الطوابق المجاورة—وهي مرتبطة ارتباطاً وثيقاً بقوى الانحناء في الجدران والعوارض والأعمدة. يعرف المؤلفون "معامل التضخيم" كنسبة هذا الانزياح بين الطوابق في النظام المتداخل الواقعي إلى نظيره في افتراض القاعدة الصلبة. القيم الأكبر من واحد تعني أن التفاعل يزيد القوى؛ والقيم الأقل من واحد تعني أنه يخففها بالفعل. عبر أنواع المواقع الثلاثة، يظهر أكبر تضخيم باستمرار عند قمة البرج، حيث يركّز تأثير السوط الحركة، بينما تتحرك الطوابق الوسطى بشكل أقل دراماتيكية.

تربة مختلفة، هوامش أمان مختلفة

تظهر النتائج أن تجاهل تفاعل التربة–الأكوام–المنشأة قد يكون خطيراً في بعض البيئات ومبذّراً في أخرى. على أرض من النوع II الصلبة، تقع معدلات معاملات التضخيم المتوسطة للانزياح بين الطوابق بين نحو 1.31 و1.61، ما يعني أن البرج الحقيقي قد يواجه انحرافات أكبر بنحو 30–60 بالمئة، وبالتالي قوى داخلية أعلى، مما تتنبأ به تصميمات القاعدة الصلبة. بالنسبة لأرض النوع III، تكون المتوسطات أقرب إلى الواحد، تقريباً بين 0.89 و1.25، مع تضخيم يتركز أساساً في الطوابق العلوية. على الأرض الأطرى من النوع IV، تنخفض المتوسطات إلى نحو 0.74 إلى 0.97، لذا يقلّل التفاعل عادةً الانزياحات مقارنةً بفرضية القاعدة الصلبة. من الناحية الفيزيائية، يمتلك النظام المترابط لتربة–أكوام–برج زمن اهتزاز أطول من البرج الصلب وحده، مما قد يبعده عن شريط الترددات الأكثر تدميراً في حركة الأرض ويقلل الطلب الزلزالي.

ماذا يعني هذا لسلامة المناجم والتصميم

بالنسبة للمهندسين الممارسين، الرسالة ذات شقين. في مناطق التربة الصلبة والمناطق الزلزالية القوية، يمكن أن يؤدي تصميم برج البئر كما لو كان على قاعدة غير قابلة للانحناء إلى التقليل من تقدير القوى الزلزالية الحقيقية، خاصة قرب الطوابق العلوية، مما يترك هياكل قائمة بمخاطر سلامة خفية. في الترب الأطرى، يمكن لنفس التبسيط أن يبالغ في تقدير القوى ويؤدي إلى تصاميم ثقيـلة ومكلفة بلا داعٍ. توفر الدراسة إطاراً عملياً لإدراج تفاعل التربة–الأكوام–المنشأة في تحليل أبراج آبار المناجم وتبرز أي تراكيب من نوع التربة وارتفاع البرج وفترة الاهتزاز تؤثر بقوة على الاستجابة الزلزالية. بينما ستختلف الأرقام الدقيقة من برج إلى آخر، يوفّر النمط العام—أن الطوابق العليا هي الأكثر عرضة وأن المواقع الأطرى قد تساعد أحياناً بدلاً من أن تضر—أساساً أوضح وأكثر تمييزاً لتصميم وترميم أبراج آبار مناجم الفحم في المناطق المعرضة للزلازل.

الاستشهاد: Han, L., Zhao, S., Zhang, Y. et al. Seismic response analysis of coal mine shaft tower structure considering PSSI effect under different sites. Sci Rep 16, 6656 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37617-5

الكلمات المفتاحية: برج بئر منجم الفحم, تفاعل التربة–المنشأة, أساس روّاء مدعوم بأكوام, هندسة الزلازل, انزياح بين الطوابق