Μηχανικοί ανακάλυψαν ότι το νερό της βροχής που πέφτει μπορεί απροσδόκητα να αντιστρέψει τη ροή του αέρα βαθιά κάτω από το έδαφος, λύνοντας ένα μυστήριο με σημαντικές προεκτάσεις για την ασφάλεια στα ορυχεία.
Η λειτουργία μιας εγκατάστασης σε μεγάλο βάθος κάτω από τη γη σημαίνει συνεχή διαχείριση δύο βασικών προκλήσεων: του αέρα και του νερού.
Ο φρέσκος αέρας πρέπει να κυκλοφορεί μέσα από σήραγγες και φρεάτια για να παραμένουν οι άνθρωποι ασφαλείς, ενώ ταυτόχρονα πρέπει να μαζεύεται το νερό της βροχής ή των υπόγειων πηγών και να στέλνεται με αντλίες στην επιφάνεια. Σε μεγάλες υπόγειες εγκαταστάσεις, συμπεριλαμβανομένων των ορυχείων και των ερευνητικών κέντρων, ολόκληρες ομάδες μηχανικών είναι αποκλειστικά αφοσιωμένες στη συντήρηση και των δύο αυτών συστημάτων.
Μία τέτοια εγκατάσταση είναι το Υπόγειο Ερευνητικό Εργαστήριο Σάνφορντ (SURF). Αν και δεν πραγματοποιούνται πλέον μεταλλευτικές δραστηριότητες εκεί, οι μηχανικοί μεταλλείων είναι απαραίτητοι εκεί για να κρατούν ασφαλές το τεράστιο δίκτυο από τούνελ και πηγάδια.
Η καταρρακτώδης βροχή πυροδότησε ένα παράξενο μυστήριο με τη ροή του αέρα
Ο Τζέισον Κόντοτ, ένας μηχανικός μεταλλείων που εργάζεται στο SURF από το 2019, επιβλέπει το σύστημα εξαερισμού της εγκατάστασης. Λίγο καιρό μετά την ένταξή του στην ομάδα, ο ίδιος και οι συνάδελφοί του άρχισαν να παρατηρούν ένα ασυνήθιστο μοτίβο κατά τη διάρκεια μεγάλων καταιγίδων.
«Παρατηρήσαμε ότι ο ανεμιστήρας μας τρελαινόταν στο Φρεάτιο 5. Ορισμένες περιοχές παρουσίαζαν μειωμένη ή ακόμα και αντίστροφη ροή αέρα κατά τη διάρκεια έντονων βροχοπτώσεων», δήλωσε ο Κόντοτ.
Υπό κανονικές συνθήκες, ο καθαρός αέρας εισέρχεται στο SURF μέσω δύο κύριων φρεατίων, προτού εξέλθει από δύο ξεχωριστά φρεάτια απαγωγής (εξαερισμού). Ένα από αυτά, γνωστό ως Φρεάτιο 5, συνήθως απομακρύνει τον αέρα έξω από την υπόγεια εγκατάσταση. Ωστόσο, κατά τη διάρκεια περιόδων έντονης βροχόπτωσης, το φρεάτιο εξυπηρετεί και έναν άλλον σκοπό: το πλεονάζον νερό διοχετεύεται μέσα στο Φρεάτιο 5, καταλήγοντας σε μια βαθιά υπόγεια δεξαμενή, προτού αντληθεί αργότερα πίσω στην επιφάνεια.
«Στην αρχή, δεν ξέραμε τι συνέβαινε με τη ροή του αέρα κατά τη διάρκεια μεγάλων βροχοπτώσεων», είπε ο Κόντοτ. «Βλέπαμε όλοι αυτές τις αλλαγές στη ροή του αέρα να συμβαίνουν σε όλο το υπόγειο δίκτυο και αναρωτιόμασταν: γιατί μπορεί να συμβαίνει αυτό;»
Οι νέοι αισθητήρες βοήθησαν στην αποκάλυψη της αιτίας
Η εύρεση της απάντησης απαιτούσε καλύτερες μετρήσεις. Οι μηχανικοί βασίζονται στα δεδομένα, όμως η ομάδα δεν είχε στη διάθεσή της αρκετές πληροφορίες μέχρι τη στιγμή που εγκαταστάθηκαν αισθητήρες ροής αέρα Maestro στο Επίπεδο 2000, για τη λειτουργία ενός αυτοματοποιημένου ρυθμιστή εξαερισμού.
Οι πρώτες ενδείξεις είχαν ήδη αρχίσει να έρχονται στο φως χάρη στον Στιβ Γκέιμπριελ, έναν καθηγητή φυσικών επιστημών στο Λύκειο του Σπίαρφις, και τους μαθητές του. Σχεδίασαν και εγκατέστησαν μια σειρά από όργανα ελέγχου της ροής του αέρα στο SURF, τα οποία κατέγραψαν ένα ασυνήθιστο συμβάν κατά τη διάρκεια μιας δοκιμής του συστήματος καταιονισμού (κατακλυσμού νερού) του φρεατίου στο Επίπεδο 4850.
«Νιώσαμε αυτή την αύξηση της ροής του αέρα στο Επίπεδο 4850 κατά τη διάρκεια εκείνης της δοκιμής. Αυτό ήταν που δημιούργησε τον συσχετισμό και πυροδότησε τα πάντα», δήλωσε ο Κόντοτ.
Ο Γκέιμπριελ εντάχθηκε αργότερα στο δυναμικό του SURF ως τεχνικός εξαερισμού πλήρους απασχόλησης.
Το νερό που έπεφτε έσπρωχνε τον αέρα
Κατά τη διάρκεια ιδιαίτερα έντονων βροχοπτώσεων, το νερό που εισέρχεται στην εγκατάσταση μπορεί να υπερβεί τη χωρητικότητα του υπόγειου συστήματος άντλησης. Για να αποφευχθεί η πλημμύρα, οι μηχανικοί διοχετεύουν το επιπλέον νερό προς τα κάτω στο Φρεάτιο 5, μέσα στη βαθιά δεξαμενή, με τρόπο παρόμοιο με έναν υπερχειλιστή που προστατεύει ένα υπερπληρωμένο φράγμα.
Η ομάδα υποψιάστηκε ότι αυτή η ορμητική στήλη νερού συμπεριφερόταν σαν μια γιγαντιαία σύριγγα, αναγκάζοντας τον αέρα να περάσει μέσα από το υπόγειο δίκτυο εξαερισμού. Ήταν μια συναρπαστική ιδέα, αλλά χρειάζονταν αποδείξεις.
Ο Κόντοτ έψαξε στην επιστημονική βιβλιογραφία και βρήκε αναφορές που περιέγραφαν το ίδιο φαινόμενο σε μεγάλα δημοτικά αποχετευτικά δίκτυα. Εκείνες οι μελέτες περιλάμβαναν εξισώσεις ρευστοδυναμικής που εξηγούσαν το φαινόμενο.
Σε συνεργασία με συναδέλφους από το πανεπιστήμιο South Dakota Mines, η ομάδα προσάρμοσε αυτές τις εξισώσεις ώστε να ανταποκρίνονται στην υπόγεια διάταξη του SURF. Οι υπολογισμοί ταυτίζονταν απόλυτα με τις αλλαγές στη ροή του αέρα που είχαν παρατηρήσει.
«Όταν προσθέσαμε τα νούμερα και τις παραμέτρους μας στο μοντέλο, όλα βγήκαν ακριβώς», δήλωσε ο Κόντοτ. «Δεν θα πίστευε κανείς ότι το βάρος των σταγόνων του νερού θα μπορούσε να μετακινήσει τόσο πολύ αέρα».
Η ανακάλυψη θα μπορούσε να βελτιώσει την υπόγεια ασφάλεια
Αυτή η ανακάλυψη δεν αφορά μόνο τις βροχές, αλλά μπορεί να προστατεύσει υπόγεια έργα και ορυχεία σε όλο τον κόσμο.
«Αν ποτέ ξεσπάσει φωτιά, οι μηχανικοί μεταλλείων μερικές φορές ανοίγουν μια βαλβίδα στην επιφάνεια και απλώς ρίχνουν νερό μέσα στο φρεάτιο. Το να γνωρίζουμε ότι αυτό μπορεί να αλλάξει τη ροή του αέρα αποτελεί κρίσιμη πληροφορία για όλους. Το δοκιμάσαμε, το έχουμε δει να συμβαίνει», δήλωσε ο Κόντοτ.
Καθώς το SURF λειτουργεί ως ερευνητική εγκατάσταση επιστήμης και μηχανικής, η μηχανική ομάδα είχε τον χρόνο και τους πόρους να διερευνήσει ένα πρόβλημα που μπορεί να είχε μείνει ανεξερεύνητο σε ένα ενεργό ορυχείο.
«Αυτού του είδους η μελέτη δεν είναι κάτι που έχεις πάντα τον χρόνο να κάνεις σε ένα ορυχείο που βρίσκεται σε λειτουργία», σημείωσε ο Κόντοτ.
Ο Μπράις Πίτζικ, διευθυντής υπόγειων επιχειρήσεων του SURF, δήλωσε ότι αυτό το επίπεδο έρευνας έκανε όλη τη διαφορά.
«Ένα πράγμα που μου αρέσει πολύ στη συνεργασία με τον Τζέισον είναι ότι θέλει πραγματικά να εμβαθύνει στις λεπτομέρειες που απαιτούνται για την κατανόηση περίπλοκων λειτουργικών συστημάτων όπως αυτό. Κανείς δεν είχε αφιερώσει χρόνο στο παρελθόν για να κατανοήσει αυτό το ζήτημα, αλλά είναι απολύτως κρίσιμο, και γι’ αυτό ολόκληρη η ομάδα υποστήριξε αυτή τη μελέτη», δήλωσε ο Πίτζικ. «Χάρη σε αυτή την εργασία, είμαστε σε θέση να προλαμβάνουμε τα προβλήματα στη ροή του αέρα, να προβλέπουμε τι θα συμβεί και να διαμορφώνουμε τα χειριστήρια εξαερισμού με τον σωστό τρόπο».
Η εργασία του Κόντοτ, με τίτλο «Επιπτώσεις των Εισροών Νερού σε ένα Σύστημα Εξαερισμού Ορυχείου: Μια Μελέτη Περίπτωσης» (Effects of Water Inflows on a Mine Ventilation System: A Case Study), δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό Mining, Metallurgy & Exploration.
