El funcionamiento de una instalación muy por debajo de la superficie de la Tierra requiere un control constante de dos elementos esenciales: el aire y el agua.
Los trabajadores de túneles y pozos subterráneos dependen de una ventilación confiable para sobrevivir y trabajar de manera segura. Al mismo tiempo, es necesario recoger y bombear el agua subterránea y el agua de lluvia que se filtra bajo tierra.
Este desafío es conocido en las grandes operaciones mineras, donde equipos especializados manejan los sistemas de ventilación y agua. Es una parte importante del funcionamiento del Sanford Underground Research Facility (SURF), un gran laboratorio científico subterráneo en Dakota del Sur. Aunque allí ya no se realiza minería, los ingenieros de minas son responsables de mantener de forma segura la extensa red de túneles y pozos.
Las fuertes lluvias provocaron cambios inesperados en el flujo del viento
Desde que se unió a SURF en 2019, el ingeniero de minas Jason Connaught ha supervisado el sistema de ventilación de las instalaciones. Durante los períodos de lluvias intensas, él y sus colegas comenzaron a notar algo inusual. Los patrones de flujo de aire subterráneo a veces son débiles o incluso opuestos.
“Nos dimos cuenta de que nuestro ventilador se enroscaba en el eje 5. Algunas áreas veían un flujo de aire reducido o incluso invertido durante fuertes lluvias”, dijo Connaught.
En condiciones normales, el aire fresco ingresa a la instalación a través de dos conductos primarios y sale por dos conductos separados. Una de esas rutas de extracción es el eje 5. Sin embargo, durante las fuertes lluvias, el exceso de agua se dirige a una piscina subterránea profunda debajo de cinco pozos, desde donde luego se puede bombear.
“Al principio, no sabíamos qué sucedía con el flujo de aire en grandes lluvias”, dijo Connaught. “Todos estábamos viendo estos cambios en el flujo de aire bajo tierra y nos preguntamos, ¿por qué está sucediendo esto?”
El sensor revela una fórmula
Información necesaria para encontrar respuestas.
Este avance se produjo después de que se instalaran sensores de flujo de aire Maestro en el nivel 2000 como parte de un sistema de control automático de ventilación. Estas mediciones dieron a los ingenieros una idea más clara de cómo se movía el aire a través de las instalaciones.
Pruebas anteriores ya habían indicado una conexión. Durante una prueba del sistema de diluvio del eje, los sensores de flujo de aire en el nivel 4850 registraron un aumento inesperado en el flujo de aire.
El profesor de ciencias de Spearfish High School, Steve Gabriel, y sus alumnos construyeron e instalaron los sensores. Más tarde, Gabriel se unió a Surf como técnico de ventilación a tiempo completo.
“Sentimos que el flujo de aire aumentaba en el nivel 4850 durante esa prueba. Eso es lo que creó la correlación y desencadenó todo”, dijo Connaught.
Increíble efecto de la caída del agua.
Durante tormentas importantes, el agua entrante puede exceder la capacidad de los sistemas de bombeo subterráneos. Para manejar el volumen adicional, los ingenieros envían el exceso de agua a una piscina profunda a través de 5 pozos, de manera muy similar a como un aliviadero de desbordamiento ayuda a reducir la presión en un depósito lleno.
El equipo sospechaba que la propia caída de agua podría afectar el flujo de aire.
Su teoría era que la columna submarina actuaba como una jeringa, empujando aire a través del eje mientras caía.
La idea era interesante, pero necesitaba confirmación científica.
Connaught buscó en la literatura científica y encontró informes que describen un fenómeno similar en grandes sistemas de alcantarillado municipales. El estudio incluyó ecuaciones de dinámica de fluidos que explican cómo el agua en movimiento puede afectar el movimiento del aire en espacios confinados.
Trabajando con colegas de South Dakota Mines, Connaught comparó estas ecuaciones con las condiciones SURF. Los resultados coincidieron mucho con lo que los ingenieros observaron bajo tierra.
“Cuando agregamos nuestros números y parámetros al modelo, todo encajó”, dijo Connot. “No se podría pensar que el peso de una gota de agua pudiera mover tanto aire”.
Implicaciones para la ventilación y seguridad de las minas
Los hallazgos van más allá de las fuertes lluvias y pueden tener implicaciones para las operaciones subterráneas en todo el mundo.
“Si alguna vez hay un incendio, los ingenieros de minas a veces abren una válvula en la parte superior y vierten agua por el pozo. Esa es información importante para que todos sepan que puede cambiar el flujo de aire. Lo hemos probado, lo hemos visto suceder”, dijo Connot.
Dado que SURF sirve como centro de investigación, los ingenieros han tenido la oportunidad de investigar el fenómeno en detalle.
“No es el tipo de estudio para el que siempre tienes tiempo de hacer en una mina operativa”, señaló Connaught.
Bryce Pietzyk, director de operaciones subterráneas de SURF, dijo que el esfuerzo refleja el compromiso de Connaught de comprender los complejos sistemas de la instalación.
“Una cosa que realmente me gusta de trabajar con Jason es que realmente quiere profundizar en los detalles necesarios para comprender sistemas operativos tan complejos. Nadie se ha tomado el tiempo para darse cuenta de este problema antes, pero es absolutamente crítico y es por eso que todo el equipo apoyó esta investigación”, dijo Pitzik. “Gracias a este trabajo, podemos adelantarnos a los problemas de flujo de aire, predecir lo que sucederá y configurar los controles de ventilación de la manera correcta”.
La investigación se publica en el Journal of Mining.
papeles de connaught, Efectos del flujo de agua en un sistema de ventilación de una mina: un estudio de casofue publicado Minería, Metalurgia y Exploración.
La Dra. Andrea Brickey, asesora de Connaught y profesora del Departamento de Ingeniería y Gestión Minera de South Dakota Mines, elogió tanto la investigación como la persistencia detrás de ella.
“Como asesor, nadie podría pedir un mejor estudiante de posgrado que Jason”, dijo Brickey. “Identificó un fenómeno que afectaba al sistema de ventilación y su curiosidad lo llevó a determinar cómo predecir ese comportamiento. Lo logró y su trabajo está ayudando a SURF y a toda una industria”.
Pietzyk también destaca el esfuerzo necesario para completar la investigación manteniendo el equilibrio entre las responsabilidades profesionales y personales.
“Jason es un ingeniero que va más allá”, dijo Pitzic. “El trabajo que realizó para completar este estudio demuestra que realmente se preocupa por esta instalación. Lo reunió todo mientras trabajaba en su trabajo de ingeniería a tiempo completo, viajaba desde Rapid City, completaba su maestría y formaba una familia. Merece crédito por esto, es realmente un esfuerzo increíble”.
