Seismisk responsanalys av kolgruvschaktstornets konstruktion med hänsyn till PSSI-effekt på olika platser

Varför underjordiska torn och jordbävningar spelar roll

Djupa kolgruvor förlitar sig på höga betongschaktstorn på ytan för att lyfta människor och kol från stora djup. Dessa torn vilar på fundament som sträcker sig ner i lager av jord och berg. När en jordbävning inträffar rör sig inte bara tornet; pålarna och den omgivande marken förskjuts också, och alla tre påverkar varandra. Denna studie ställer en praktisk fråga med stora följder för säkerhet och kostnader: hur mycket förändrar denna dolda interaktion mellan mark, pålar och torn sättet ett schaktstorn svarar vid jordbävningar, och gör den att dagens konstruktionsregler är för riskfyllda på vissa platser och för konservativa på andra?

Hur tornet, pålarna och marken rör sig tillsammans

Författarna fokuserar på ett modernt, stort kolgruvschaktstorn på cirka 90 meter höjd, som stöds av en pålad rambas styvt förbundet med en vertikal betongschakt. Istället för att anta att basen är perfekt fixerad behandlar de tornet, pålarna, rambasen, schaktet och den lager-på-lager uppbyggda marken som ett kopplat system. Med väletablerade fysiska modeller förenklar de denna komplexa sammansättning till ett system av fjädrar, massor och dempare som kan efterlikna hur varje del böjer sig, gungar och glider vid skakning. Därefter härleder de rörelseekvationer som kopplar våningsrörelserna i tornet till rörelserna i det begravda fundamentet och den omgivande marken, och löser dessa ekvationer numeriskt med egen MATLAB-kod.

Testning med realistiska jordbävningar och marktyper

För att se hur detta kopplade beteende ter sig i praktiken använder teamet en verklig gruva i Anhui, Kina, som fallstudie. De väljer 21 jordbävningsregistre—både starka naturliga skalv och noggrant simulerade—och applicerar dem horisontellt i basen. De undersöker tre typiska markförhållanden som används i kinesiska seismiska normer: en relativt styv "Typ II"-plats, en intermediär "Typ III"-plats och en mjukare "Typ IV"-plats, vardera representerad av flera jordlager med skiftande styvhet och densitet. För jämförelse kör de varje markrörelse två gånger: en gång med full mark–påle–torn-interaktion och en gång med den vanliga förenklingen som behandlar fundamentet som perfekt styvt.

Vad som händer med våningsvisa svängningar

Den centrala kvantiteten de följer är våningsvis förskjutning—den relativa sidoförflyttningen mellan intilliggande våningsplan—som nära hänger samman med böjningskrafter i väggar, balkar och pelare. Författarna definierar en "förstärkningskoefficient" som förhållandet mellan denna våningsförskjutning i det realistiska interagerande systemet och i den styva-bas-idealiserade modellen. Värden över ett betyder att interaktionen ökar krafterna; värden under ett betyder att den faktiskt lindrar dem. För samtliga tre marktyper uppträder den största förstärkningen konsekvent vid tornets översta del, där en piskeffekt koncentrerar rörelsen, medan mellantaken rör sig mindre dramatiskt.

Olika jordar, olika säkerhetsmarginaler

Resultaten visar att det kan vara farligt att ignorera mark–påle–struktur-interaktionen på vissa platser och slösaktigt på andra. På den styva Typ II-marken ligger de genomsnittliga förstärkningskoefficienterna för våningsförskjutning ungefär mellan 1,31 och 1,61, vilket innebär att det verkliga tornet kan uppleva 30–60 procent större förskjutningar och därmed högre inre krafter än vad en styv-bas-design förutspår. För Typ III-mark är medelvärdena närmare ett, ungefär 0,89 till 1,25, med förstärkning främst i de övre våningsplanen. På den mjuka Typ IV-marken sjunker medelvärdena till cirka 0,74 till 0,97, så interaktionen vanligtvis minskar förskjutningarna jämfört med antagandet om en stel bas. Fysiskt har det kopplade mark–påle–torn-systemet en längre vibrationsperiod än det stela tornet ensam, vilket kan flytta det bort från markrörelsens mest skadliga frekvensband och därigenom minska det seismiska kravet.

Vad detta betyder för gruvsäkerhet och konstruktion

För praktiserande ingenjörer är budskapet tvådelat. I regioner med styv mark och stark seismisk aktivitet kan en konstruktion av ett schaktstorn som om det stod på en oföränderlig bas underskatta de verkliga jordbävningskrafterna, särskilt nära toppvåningarna, och lämna befintliga konstruktioner med dolda säkerhetsrisker. I mjukare jordar kan samma förenkling överskatta krafterna och leda till onödigt tunga och kostsamma konstruktioner. Studien erbjuder ett praktiskt ramverk för att inkludera mark–påle–struktur-interaktion i analys av schaktstorn och belyser vilka kombinationer av jordtyp, tornhöjd och vibrationsperiod som mest påverkar seismisk respons. Även om exakta siffror varierar mellan torn, ger det generella mönstret—att de översta våningsplanen är mest utsatta och att mjukare platser ibland kan hjälpa snarare än skada—en klarare och mer nyanserad grund för att dimensionera och uppgradera kolgruvschaktstorn i jordbävningsbenägna områden.

Citering: 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

Nyckelord: kolgruvschaktstorn, mark–struktur-interaktion, pålad rambas, seismisk teknik, våningsvis förskjutning