Analyse de la réponse sismique de la structure de tour de puits de mine de charbon en tenant compte de l’effet PSSI selon différents sites

Pourquoi les tours de surface des puits et les séismes comptent

Les mines de charbon profondes s’appuient sur de hautes tours en béton en surface pour remonter personnes et charbon depuis de grandes profondeurs. Ces tours reposent sur des fondations qui s’enfoncent dans des couches de sols et de roches. Lors d’un séisme, le mouvement ne déplace pas seulement la tour : il anime aussi les pieux et le sol environnant, et ces trois éléments s’influencent mutuellement. Cette étude pose une question pratique aux lourdes implications de sécurité et de coût : dans quelle mesure cette interaction cachée entre sol, pieux et tour modifie la réponse sismique d’une tour de puits, et rend-elle les règles de conception actuelles trop risquées dans certains sites et trop conservatrices dans d’autres ?

Comment la tour, les pieux et le sol bougent ensemble

Les auteurs se concentrent sur une tour de puits moderne et imposante d’environ 90 mètres de haut, soutenue par une fondation combinant pieux et radeau, reliée rigidement à un puits vertical en béton. Plutôt que de considérer la base comme parfaitement fixe, ils traitent la tour, les pieux, le radeau, le puits et le sol stratifié comme un système couplé. En s’appuyant sur des modèles physiques établis, ils simplifient cet assemblage complexe en un réseau de ressorts, masses et amortisseurs capables de reproduire la flexion, le basculement et le glissement de chaque composant sous agitation. Ils établissent ensuite des équations du mouvement liant les déplacements des étages de la tour à ceux de la fondation enterrée et du sol environnant, et résolvent numériquement ces équations avec un code MATLAB développé pour l’étude.

Tester des séismes et des sols réalistes

Pour observer concrètement ce comportement couplé, l’équipe prend comme étude de cas une mine réelle de la province d’Anhui, en Chine. Ils sélectionnent 21 enregistrements sismiques — à la fois de forts séismes réels et des accélogrammes simulés — et les appliquent horizontalement à la base. Ils examinent trois conditions de sol typiques reprises dans les codes sismiques chinois : un site relativement rigide de « Type II », un site intermédiaire « Type III » et un site plus mou « Type IV », chacun représenté par plusieurs couches de sol de raideur et de densité différentes. Par comparaison, chaque mouvement du sol est simulé deux fois : une fois avec l’interaction complète sol–pieux–tour et une fois avec le raccourci courant qui suppose une fondation parfaitement rigide.

Que devient la flexion étage par étage

La grandeur clé suivie est le déplacement inter-étages — le mouvement relatif latéral entre étages adjacents — qui est directement lié aux efforts de flexion dans murs, poutres et poteaux. Les auteurs définissent un « coefficient d’amplification » comme le rapport entre ce déplacement inter-étages dans le système réaliste et celui obtenu avec l’idéalisation à base rigide. Une valeur supérieure à un signifie que l’interaction augmente les efforts ; une valeur inférieure à un indique qu’elle les réduit. Pour les trois types de sites, l’amplification maximale apparaît systématiquement au sommet de la tour, où un effet de fouet concentre le mouvement, tandis que les étages intermédiaires bougent moins fortement.

Des sols différents, des marges de sécurité différentes

Les résultats montrent qu’ignorer l’interaction sol–pieux–structure peut être dangereux dans certains contextes et gaspilleur dans d’autres. Sur un sol rigide de Type II, les coefficients moyens d’amplification des déplacements inter-étages se situent entre environ 1,31 et 1,61, ce qui signifie que la tour réelle peut subir des dérives 30–60 % plus importantes, et donc des efforts internes supérieurs, que ceux prédits par une conception à base rigide. Sur le Type III, les moyennes sont plus proches de l’unité, autour de 0,89 à 1,25, avec une amplification principalement aux étages supérieurs. Sur le sol plus souple de Type IV, les moyennes diminuent à environ 0,74 à 0,97, de sorte que l’interaction réduit généralement les dérives par rapport à l’hypothèse d’une base rigide. Physiquement, le système couplé sol–pieux–tour présente une période de vibration plus longue que la tour rigide seule, ce qui peut le déplacer hors de la bande de fréquences la plus dommageable du mouvement du sol et diminuer la demande sismique.

Ce que cela signifie pour la sécurité des mines et la conception

Pour les ingénieurs praticiens, le message est double. Dans les régions à sol rigide et zones sismiques fortes, concevoir une tour de puits comme si elle reposait sur une base inamovible peut sous-estimer les efforts sismiques réels, en particulier près des étages supérieurs, laissant des structures existantes avec des risques de sécurité cachés. Sur des sols plus mous, la même simplification peut surestimer les efforts et conduire à des conceptions inutilement lourdes et coûteuses. L’étude propose un cadre pratique pour inclure l’interaction sol–pieux–structure dans l’analyse des tours de puits et met en évidence quelles combinaisons de type de sol, hauteur de tour et période de vibration influencent le plus la réponse sismique. Si les chiffres exacts varieront d’une tour à l’autre, le schéma général — que les étages supérieurs sont les plus vulnérables et que les sites plus souples peuvent parfois atténuer plutôt qu’aggraver les effets — fournit une base plus claire et nuancée pour concevoir et renforcer les tours de puits de mines de charbon en zones sismiques.

Citation: 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

Mots-clés: tour de puits de mine de charbon, interaction sol–structure, fondation sur pieux et radeau, génie parasismique, déplacement inter-étages