A operação de uma instalação muito abaixo da superfície da Terra requer controle constante de dois elementos essenciais: ar e água.
Os trabalhadores em túneis e poços subterrâneos dependem de ventilação confiável para sobreviver e trabalhar com segurança. Ao mesmo tempo, as águas subterrâneas e pluviais que escoam para o subsolo devem ser coletadas e bombeadas.
Este desafio é conhecido em grandes operações mineiras, onde equipas especializadas gerem sistemas de ventilação e água. É uma parte importante da operação do Sanford Underground Research Facility (SURF), um grande laboratório científico subterrâneo em Dakota do Sul. Embora a mineração não seja mais realizada ali, os engenheiros de minas são responsáveis pela manutenção segura da extensa rede de túneis e poços.
Chuvas fortes causaram mudanças inesperadas no fluxo do vento
Desde que ingressou na SURF em 2019, o engenheiro de minas Jason Connaught supervisionou o sistema de ventilação da instalação. Durante a forte chuva, ele e seus colegas começaram a notar algo incomum. Os padrões de fluxo de ar subterrâneo às vezes são fracos ou até opostos.
“Percebemos que nosso ventilador ficava preso no eixo 5. Algumas áreas veriam o fluxo de ar reduzido ou até revertido durante chuvas fortes”, disse Connaught.
Em condições normais, o ar fresco entra na instalação através de dois poços primários e sai através de dois poços separados. Uma dessas rotas de extração é o eixo 5. Durante as chuvas fortes, no entanto, o excesso de água é direcionado para uma piscina subterrânea profunda sob cinco poços, onde pode ser posteriormente bombeado.
“No início, não sabíamos o que estava acontecendo com o fluxo de ar em grandes chuvas”, disse Connaught. “Estávamos todos vendo essas mudanças no fluxo de ar no subsolo e pensamos: por que isso está acontecendo?”
O sensor revela uma fórmula
Informações necessárias para encontrar respostas.
Essa inovação ocorreu depois que os sensores de fluxo de ar Maestro foram instalados no nível 2000 como parte de um sistema automático de controle de ventilação. Essas medições deram aos engenheiros uma imagem mais clara de como o ar se movia pelas instalações.
Evidências anteriores já haviam indicado uma conexão. Durante um teste do sistema de dilúvio do eixo, os sensores de fluxo de ar no nível 4850 registraram um aumento inesperado no fluxo de ar.
O professor de ciências da Spearfish High School, Steve Gabriel, e seus alunos construíram e instalaram os sensores. Mais tarde, Gabriel ingressou na Surf como técnico de ventilação em tempo integral.
“Sentimos o aumento do fluxo de ar no nível 4850 durante o teste. Foi isso que criou a correlação e desencadeou tudo”, disse Connaught.
Efeito incrível de queda de água
Durante grandes tempestades, a entrada de água pode exceder a capacidade dos sistemas de bombeamento subterrâneos. Para lidar com o volume extra, os engenheiros enviam o excesso de água para uma piscina profunda por 5 poços, da mesma forma que um vertedouro ajuda a reduzir a pressão em um reservatório cheio.
A equipe suspeitou que a própria queda da água poderia afetar o fluxo de ar.
A teoria deles era que a coluna subaquática agia como uma seringa, empurrando o ar através do poço à medida que caía.
A ideia era interessante, mas precisava de confirmação científica.
Connaught pesquisou a literatura científica e encontrou relatórios descrevendo um fenômeno semelhante em grandes sistemas municipais de esgoto. O estudo incluiu equações de dinâmica de fluidos que explicam como o movimento da água pode afetar o movimento do ar em espaços confinados.
Trabalhando com colegas nas minas de Dakota do Sul, Connaught combinou essas equações com as condições SURF. Os resultados corresponderam muito ao que os engenheiros observaram no subsolo.
“Quando adicionamos nossos números e parâmetros ao modelo, tudo se encaixou”, disse Connot. “Você não pensaria que o peso de uma gota d’água pudesse mover tanto ar.”
Implicações para ventilação e segurança de minas
As descobertas vão além das fortes chuvas e podem ter implicações para as operações subterrâneas em todo o mundo.
“Se houver um incêndio, os engenheiros da mina às vezes abrem uma válvula no topo e despejam água no poço. Essa é uma informação importante para que todos saibam que isso pode alterar o fluxo de ar. Nós testamos e vimos isso acontecer”, disse Connot.
Como o SURF funciona como um centro de pesquisa, os engenheiros tiveram a oportunidade de investigar o fenômeno detalhadamente.
“Não é o tipo de estudo que você sempre tem tempo para fazer em uma mina operacional”, observou Connaught.
Bryce Pietzyk, diretor de operações subterrâneas da SURF, disse que o esforço reflete o compromisso de Connaught em compreender os sistemas complexos da instalação.
“Uma coisa que realmente gosto em trabalhar com Jason é que ele realmente quer mergulhar nos detalhes necessários para entender sistemas operacionais tão complexos. Ninguém se deu ao trabalho de perceber esse problema antes – mas é absolutamente crítico, e é por isso que toda a equipe apoiou esta pesquisa”, disse Pitzik. “Graças a este trabalho, podemos ficar à frente dos problemas de fluxo de ar, prever o que vai acontecer e configurar os controles de ventilação da maneira correta”.
A pesquisa é publicada no Journal of Mining
Documentos de Connaught, Efeitos do fluxo de água no sistema de ventilação de uma mina: um estudo de casofoi publicado Mineração, Metalurgia e Exploração.
A Dra. Andrea Brickey, conselheira de Connaught e professora do Departamento de Engenharia e Gestão de Minas da South Dakota Mines, elogiou a pesquisa e a persistência por trás dela.
“Como conselheiro, ninguém poderia pedir um melhor aluno de pós-graduação do que Jason”, disse Brickey. “Ele identificou um fenômeno que afeta o sistema de ventilação e sua curiosidade o levou a determinar como prever esse comportamento. Ele teve sucesso e seu trabalho está ajudando a SURF e toda uma indústria.”
Pietzyk também destaca o esforço necessário para concluir a pesquisa, equilibrando responsabilidades profissionais e pessoais.
“Jason é um engenheiro que vai além”, disse Pitzic. “O trabalho que ele realizou para concluir este estudo mostra que ele realmente se preocupa com esta instalação. Ele juntou tudo enquanto trabalhava em seu trabalho de engenharia em tempo integral, viajando de Rapid City, concluindo seu mestrado e criando uma família. Ele merece crédito por isso, é realmente um esforço incrível.”
