O lançamento de uma instalação bem abaixo da superfície da Terra requer o controle constante de dois elementos principais: ar e água.
Os trabalhadores em túneis subterrâneos e minas 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 de volta à superfície.
Este problema é comum em grandes empresas mineiras, onde equipas especializadas gerem sistemas de ventilação e abastecimento de água. É também uma parte importante da operação do Sanford Underground Research Facility (SURF), um enorme laboratório científico subterrâneo em Dakota do Sul. Embora a mineração já não seja realizada ali, os engenheiros de minas ainda são responsáveis pela manutenção segura da extensa rede de túneis e poços.
Chuvas fortes causaram mudanças inesperadas no fluxo de ar
Desde que ingressou na SURF em 2019, o engenheiro de minas Jason Connaught supervisionou o sistema de ventilação da instalação. Durante períodos de chuva intensa, ele e seus colegas começaram a notar algo incomum. Os padrões de fluxo de ar no subsolo às vezes enfraquecem ou até mudam de direção.
“Percebemos que nosso ventilador não estava funcionando no eixo 5. Em algumas áreas, durante chuvas fortes, o fluxo de ar será reduzido ou até vice-versa”, disse Connaught.
Em condições normais, o ar fresco entra na sala através de dois poços primários e sai através de dois poços separados. Um desses caminhos de exaustão é o eixo 5. No entanto, durante chuvas fortes, o excesso de água é direcionado pelo Poço 5 para uma piscina subterrânea profunda, onde pode ser bombeado posteriormente.
“No início não sabíamos o que acontecia com o fluxo de ar durante chuvas fortes”, disse Connaught. “Todos nós vimos essas mudanças no fluxo de ar acontecendo em todo o metrô e nos perguntamos por que isso está acontecendo?”
Os sensores mostram uma dica
Encontrar a resposta requer dados.
A inovação ocorreu após a instalação de sensores de fluxo de ar Maestro no Level 2000 como parte do sistema automatizado de controle de ventilação. Essas medições deram aos engenheiros uma imagem muito mais precisa de como o ar se move pelas instalações.
Evidências anteriores já sugeriam uma conexão. Durante os testes do sistema de poço de drenagem, os sensores de fluxo de ar no nível 4850 registraram um aumento inesperado no movimento do ar.
Esses sensores foram criados e instalados por Steve Gabriel, professor de ciências da Spearfish Middle School, e seus alunos. Mais tarde, Gabriel ingressou na SURF como técnico de HVAC em tempo integral.
“Sentimos o aumento do fluxo de ar em 4.850 durante o teste. Foi isso que fez a correlação e causou tudo”, disse Connaught.
Efeito incrível de queda de água
Durante fortes tempestades, a água que entra pode exceder a capacidade do sistema de bombeamento subterrâneo. Para lidar com o volume extra, os engenheiros enviam o excesso de água em 5 poços para uma piscina profunda abaixo, da mesma forma que um vertedouro ajuda a aliviar a pressão quando um tanque está cheio.
A equipe suspeitou que a própria queda da água poderia afetar o fluxo de ar.
A teoria deles era que a coluna descendente de água agia como uma seringa, forçando o ar através do poço à medida que caía.
A ideia era interessante, mas exigia confirmação científica.
Connaught revisou a literatura científica e encontrou relatórios descrevendo um fenômeno semelhante em grandes sistemas de esgoto urbano. Esses estudos incluíram equações de dinâmica de fluidos que explicaram como o movimento da água pode afetar o movimento do ar em um espaço confinado.
Trabalhando com colegas nas minas de Dakota do Sul, Connaught adaptou essas equações para se adequarem às condições SURF. Os resultados foram muito semelhantes aos que os engenheiros observaram no subsolo.
“Quando adicionamos nossos números e parâmetros ao modelo, tudo se encaixou”, disse Connaught. “Você não pensaria que o peso das gotas de 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.
“Quando há um incêndio, os engenheiros de minas às vezes abrem uma válvula no topo e simplesmente despejam água na mina. Saber que isso pode alterar o fluxo de ar é uma informação importante para todos. Nós testamos e vimos isso acontecer”, disse Connaught.
Como o SURF funciona como um centro de pesquisa, os engenheiros tiveram a oportunidade de estudar o fenômeno detalhadamente.
“Não é o tipo de pesquisa que você sempre fará em uma mina ativa”, observou Connaught.
Bryce Pitsyk, diretor de operações subterrâneas da SURF, disse que o esforço reflete o compromisso da Connot em compreender os sistemas complexos da instalação.
“Uma coisa que realmente gosto em trabalhar com Jason é que ele realmente quer entrar nos detalhes necessários para entender sistemas operacionais complexos como este. Ninguém se deu ao trabalho de analisar esse problema antes, mas é muito importante, e é por isso que toda a equipe apoiou esta pesquisa”, disse Pietsyk. “Com este trabalho podemos antecipar problemas de fluxo de ar, prever o que vai acontecer e ajustar os controles de ventilação da maneira certa”.
A pesquisa é publicada no Mining Journal
Papel Kona, Efeito da afluência de água no sistema de ventilação de mina: um estudo de casofoi publicado em Mineração, metalurgia e exploração.
A Dra. Andrea Brickey, conselheira de Connaught e professora do Departamento de Engenharia e Gestão de Minas da Dakota do Sul, elogiou a pesquisa e a persistência por trás dela.
“Como conselheiro, você não poderia pedir um aluno de pós-graduação melhor do que Jason”, disse Brickey. “Ele identificou um fenômeno que afetava os sistemas de ventilação e sua curiosidade o levou a querer determinar como prever esse comportamento. Ele conseguiu e seu trabalho ajuda a SURF e toda a indústria.”
Petsyk também enfatizou o esforço necessário para concluir a pesquisa, equilibrando responsabilidades profissionais e pessoais.
“Jason é um engenheiro que vai além”, disse Pietsik. “O trabalho que ele fez para concluir este estudo mostra que ele realmente se preocupa com esta instalação. Ele manteve tudo sob controle enquanto fazia seu trabalho de engenharia em tempo integral, viajando de Rapid City, concluindo seu mestrado e criando uma família. Ele merece crédito por isso, é um trabalho realmente incrível.”
