Analiza reakcji sejsmicznej wieży szybu kopalnianego z uwzględnieniem efektu PSSI w różnych warunkach gruntowych

Dlaczego podziemne wieże i trzęsienia ziemi mają znaczenie

Głębokie kopalnie węgla polegają na wysokich betonowych wieżach szybowych na powierzchni do transportu ludzi i urobku z dużych głębokości. Wieże te spoczywają na fundamentach sięgających w warstwowy grunt i skały. Gdy wystąpi trzęsienie ziemi, drgania nie poruszają jedynie wieżą; poruszają także pale i otaczający grunt, a wszystkie trzy elementy wzajemnie na siebie oddziałują. Badanie stawia praktyczne pytanie o wielkim znaczeniu dla bezpieczeństwa i kosztów: na ile ta ukryta interakcja między gruntem, palami i wieżą zmienia zachowanie szybu podczas trzęsienia ziemi i czy obecne zasady projektowe są w niektórych lokalizacjach zbyt ryzykowne, a w innych nadmiernie konserwatywne?

Jak wieża, pale i grunt poruszają się razem

Autorzy skupiają się na nowoczesnej, dużej wieży szybowej o wysokości około 90 metrów, wspieranej na fundamencie płytowo-palowym sztywno połączonym z pionowym szybem betonowym. Zamiast zakładać, że podstawa jest idealnie sztywna, traktują wieżę, pale, płytę fundamentową, szyb i warstwowy grunt jako jeden sprzężony układ. Używając dobrze znanych modeli fizycznych, upraszczają tę złożoną strukturę do zestawu sprężyn, mas i tłumików, które potrafią naśladować odkształcenia, kołysanie i poślizgi poszczególnych elementów podczas drgań. Następnie wyprowadzają równania ruchu łączące przemieszczenia kondygnacji wieży z ruchem zakopanej części fundamentu i otaczającego gruntu, i rozwiązują je numerycznie za pomocą autorskiego kodu w MATLAB.

Testowanie realistycznych trzęsień ziemi i typów gruntów

Aby zobaczyć, jak to sprzężone zachowanie przejawia się w praktyce, zespół wykorzystuje rzeczywistą kopalnię w Anhui w Chinach jako studium przypadku. Wybierają 21 zapisów trzęsień ziemi — zarówno silnych naturalnych wstrząsów, jak i starannie symulowanych — i przykładane je poziomo u podstawy. Analizują trzy typowe warunki gruntowe stosowane w chińskich normach sejsmicznych: stosunkowo sztywny teren „Typ II”, pośredni „Typ III” oraz miękki „Typ IV”, każdy reprezentowany przez wielowarstwowy profil o różnej sztywności i gęstości. Dla porównania każdą z ruchów gruntu uruchamiają dwukrotnie: raz z pełną interakcją grunt–pal–wieża i raz używając powszechnego uproszczenia, które traktuje fundament jako idealnie sztywny.

Co dzieje się z przemieszczeniami międzykondygnacyjnymi

Kluczową wielkością, którą śledzą, jest przemieszczenie międzykondygnacyjne — względny ruch boczny między sąsiednimi kondygnacjami — które jest ściśle powiązane z momentami zginającymi w ścianach, belkach i słupach. Autorzy definiują „współczynnik wzmocnienia” jako stosunek tej dylatacji międzykondygnacyjnej w realistycznym, sprzężonym układzie do tej samej wielkości w idealizacji z sztywną podstawą. Wartości powyżej jedności oznaczają, że interakcja zwiększa siły; wartości poniżej jedności — że je zmniejsza. We wszystkich trzech typach podłoża największe wzmocnienie pojawia się konsekwentnie na samej górze wieży, gdzie efekt „smagania” koncentruje ruch, podczas gdy kondygnacje środkowe poruszają się mniej dramatycznie.

Różne grunty — różne marginesy bezpieczeństwa

Wyniki pokazują, że ignorowanie interakcji grunt–pal–konstrukcja może być w niektórych warunkach niebezpieczne, a w innych prowadzić do nadmiernych kosztów. Na sztywnym podłożu Typu II średnie współczynniki wzmocnienia dla przemieszczeń międzykondygnacyjnych mieszczą się w przedziale około 1,31–1,61, co oznacza, że rzeczywista wieża może doświadczać od 30 do 60 procent większych dylatacji, a więc większych sił wewnętrznych, niż przewiduje projekt z sztywną podstawą. Dla gruntu Typu III wartości średnie są bliższe jedności, w przybliżeniu 0,89–1,25, z amplifikacją głównie w górnych kondygnacjach. Na miękkim podłożu Typu IV średnie spadają do około 0,74–0,97, więc interakcja zazwyczaj zmniejsza dylatacje w porównaniu z założeniem o sztywnej podstawie. Fizycznie rzecz biorąc, sprzężony układ grunt–pal–wieża ma dłuższy okres drgań niż sama sztywna wieża, co może przesunąć go poza najbardziej szkodliwy pas częstotliwości ruchu gruntu i zmniejszyć zapotrzebowanie sejsmiczne.

Co to oznacza dla bezpieczeństwa kopalni i projektowania

Dla praktykujących inżynierów przekaz jest dwojaki. W regionach o sztywnym gruncie i w strefach silnego zagrożenia sejsmicznego projektowanie wieży szybowej tak, jakby stała na nieodkształcalnej podstawie, może zaniżać rzeczywiste obciążenia sejsmiczne, szczególnie w pobliżu górnych kondygnacji, pozostawiając istniejące konstrukcje z ukrytym ryzykiem bezpieczeństwa. Na gruntach miękkich to samo uproszczenie może zawyżać siły i prowadzić do niepotrzebnie ciężkich i kosztownych projektów. Badanie dostarcza praktycznego schematu uwzględniania interakcji grunt–pal–konstrukcja w analizie wież szybów oraz wskazuje, które kombinacje typu gruntu, wysokości wieży i okresu drgań najsilniej wpływają na reakcję sejsmiczną. Chociaż konkretne liczby będą się różnić między wieżami, ogólny wzorzec — że górne kondygnacje są najbardziej podatne i że miększe podłoża czasem mogą pomagać zamiast szkodzić — daje jaśniejsze, bardziej wyważone podstawy do projektowania i modernizacji wież szybowych w rejonach zagrożonych trzęsieniami ziemi.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: wieża szybu kopalnianego, interakcja grunt–konstrukcja, fundament płytowo-palowy, inżynieria sejsmiczna, przemieszczenie międzykondygnacyjne