لغز تحت الأرض كان المهندسين في حيرة من أمرهم حتى اتبعوا المطر

اكتشف المهندسون أن مياه الأمطار المتساقطة يمكن أن تعكس تدفق الهواء بشكل غير متوقع في أعماق الأرض، مما يحل لغزًا له آثار مهمة على سلامة المناجم.

إن تشغيل منشأة في أعماق الأرض يعني إدارة تحديين أساسيين بشكل مستمر: الهواء والماء.

ويجب أن يدور الهواء النقي عبر الأنفاق والأعمدة للحفاظ على سلامة الناس، في حين يجب جمع المياه الجوفية من الأمطار وطبقات المياه الجوفية وضخها مرة أخرى إلى السطح. في المواقع الكبيرة تحت الأرض، بما في ذلك المناجم ومرافق الأبحاث، تكرس فرق هندسية كاملة جهودها لصيانة كلا النظامين.

أحد هذه المرافق هو مرفق سانفورد للأبحاث تحت الأرض (SURF). على الرغم من أن عمليات التعدين لم تعد تجري هناك، إلا أن مهندسي التعدين يظلون مهمين لتشغيل الشبكة الواسعة من الأنفاق والأعمدة تحت الأرض بأمان.

أثارت الأمطار الغزيرة لغزًا غريبًا في تدفق الهواء

جيسون كونوت، مهندس التعدين الذي عمل في SURF منذ عام 2019، يشرف على نظام التهوية في المنشأة. وبعد وقت قصير من انضمامه إلى الفريق، بدأ هو وزملاؤه في ملاحظة نمط غير عادي خلال العواصف الممطرة الكبرى.

“لقد لاحظنا أن مروحتنا ستتعطل عند 5 عمود. ستظهر بعض المناطق انخفاضًا أو حتى عكس تدفق الهواء أثناء أحداث الأمطار الغزيرة،” قال كونوت.

في الظروف العادية، يدخل الهواء النقي إلى سيرف من خلال عمودين رئيسيين قبل الخروج من خلال عمودين منفصلين للعادم. أحد هذه الأنظمة، والمعروف باسم 5 Shaft، ينقل الهواء عادةً إلى خارج المنشأة الموجودة تحت الأرض. ومع ذلك، خلال فترات هطول الأمطار الغزيرة، يخدم العمود أيضًا غرضًا آخر. يتم تحويل المياه الزائدة إلى أسفل 5 أعمدة إلى بركة عميقة تحت الأرض قبل ضخها مرة أخرى إلى السطح لاحقًا.

وقال كونوت: “في البداية، لم نكن نعرف ما الذي يحدث مع تدفق الهواء أثناء هطول الأمطار الغزيرة”. “لقد تمكنا جميعًا من رؤية هذه التغييرات في تدفق الهواء تحدث في جميع أنحاء تحت الأرض، وتساءلنا، لماذا يحدث هذا؟”

ساعدت أجهزة الاستشعار الجديدة في الكشف عن السبب

يتطلب العثور على الإجابة قياسات أفضل.

يعتمد المهندسون على البيانات، لكن الفريق كان يفتقر إلى المعلومات الكافية حتى تم تركيب أجهزة استشعار تدفق الهواء من طراز مايسترو على مستوى عام 2000 لتشغيل منظم التهوية الآلي.

بدأت القرائن السابقة في الظهور بالفعل بفضل ستيف غابرييل، مدرس العلوم في مدرسة سبيرفيش الثانوية، وطلابه. لقد قاموا بتصميم وتركيب سلسلة من أجهزة مراقبة تدفق الهواء في SURF والتي التقطت حدثًا غير عادي أثناء اختبار نظام طوفان العمود على المستوى 4850.

وقال كونوت: “لقد شعرنا بتزايد تدفق الهواء عند المستوى 4850 خلال هذا الاختبار. وهذا ما أدى إلى الارتباط وحفز كل شيء”.

انضم غابرييل لاحقًا إلى SURF كفني تهوية بدوام كامل.

كان الماء المتساقط يدفع الهواء

أثناء هطول الأمطار الغزيرة بشكل خاص، يمكن أن تتجاوز المياه التي تدخل المنشأة قدرة نظام الضخ تحت الأرض. ولمنع الفيضانات، يرسل المهندسون المياه الإضافية إلى أسفل 5 أعمدة في حوض السباحة العميق، تمامًا مثلما يحمي مجرى الفائض السد من السد المملوء.

اشتبه الفريق في أن عمود الماء المتدفق هذا يتصرف مثل حقنة عملاقة، حيث يدفع الهواء عبر شبكة التهوية تحت الأرض.

لقد كانت فكرة مقنعة، لكنهم كانوا بحاجة إلى أدلة.

بحث كونوت في الأدبيات العلمية ووجد تقارير تصف نفس التأثير في أنظمة الصرف الصحي البلدية الكبيرة. وتضمنت تلك الدراسات معادلات ديناميكيات الموائع التي فسرت الظاهرة.

ومن خلال العمل مع زملائه من شركة South Dakota Mines، قام الفريق بتعديل هذه المعادلات لتتناسب مع تخطيط SURF تحت الأرض. تطابقت الحسابات بشكل وثيق مع تغيرات تدفق الهواء التي لاحظوها.

وقال كونوت: “عندما أضفنا أرقامنا ومعلماتنا إلى النموذج، أصبح كل شيء على ما يرام”. “لن تظن أن وزن قطرات الماء يمكنه تحريك الكثير من الهواء.”

الاكتشاف يمكن أن يحسن السلامة تحت الأرض

وتمتد النتائج إلى ما هو أبعد من العواصف المطيرة الغزيرة ويمكن أن تفيد المنشآت تحت الأرض في جميع أنحاء العالم.

قال كونوت: “في حالة نشوب حريق، يقوم مهندسو التعدين أحيانًا بتشغيل صمام في الأعلى ثم تفريغ الماء أسفل العمود. إن معرفة أن هذا يمكن أن يغير تدفق الهواء هي معلومات مهمة للجميع. لقد اختبرنا هذا، وقد رأينا ذلك يحدث”.

ونظرًا لأن SURF بمثابة منشأة أبحاث علمية وهندسية، فقد كان لدى الفريق الهندسي الوقت والموارد للتحقيق في مشكلة ربما لم يتم استكشافها في منجم نشط.

وأشار كونوت إلى أن “هذا ليس نوع الدراسة التي يتوفر لديك دائمًا الوقت لإجرائها في منجم عامل”.

وقال برايس بيتزيك، مدير العمليات السرية في SURF، إن مستوى التحقيق أحدث فرقًا كبيرًا.

“أحد الأشياء التي أحبها حقًا في العمل مع جيسون هو أنه يريد حقًا التعمق في نوع التفاصيل اللازمة لفهم أنظمة العمليات المعقدة مثل هذه. قال بيتزيك: “لم يأخذ أحد الوقت الكافي لفهم هذه المشكلة من قبل – لكنها بالغة الأهمية، ولهذا السبب دعم الفريق بأكمله هذه الدراسة”. “بفضل هذا العمل، أصبحنا قادرين على التغلب على مشكلات تدفق الهواء، والتنبؤ بما سيحدث، وتكوين عناصر التحكم في التهوية بالطريقة الصحيحة.”

نُشرت ورقة كونوت البحثية بعنوان “تأثيرات تدفقات المياه على نظام تهوية المناجم: دراسة حالة” في مجلة التعدين والمعادن والاستكشاف.

البحث يحظى بالثناء من الزملاء

وأشاد الدكتور أندريا بريكي، مستشار كونوت والأستاذ في قسم هندسة وإدارة التعدين في مناجم ساوث داكوتا، بالعمل والفضول الذي يقف وراءه.

قال بريكي: “كمستشار، لا يمكن للمرء أن يطلب طالب دراسات عليا أفضل من جيسون”. “لقد حدد ظاهرة تؤثر على أنظمة التهوية، ودفعه فضوله إلى الرغبة في تحديد كيفية التنبؤ بهذا السلوك. لقد نجح، وعمله يساعد SURF والصناعة بأكملها.”

كما سلط بيتزيك الضوء على الجهد المطلوب لإكمال البحث مع الموازنة بين مسؤوليات العمل والأسرة.

وقال بيتزيك: “جيسون مهندس يذهب إلى أبعد الحدود”. “يُظهر العمل الذي قام به لإكمال هذا البحث أنه يهتم حقًا بهذه المنشأة. لقد احتفظ بكل ذلك معًا أثناء قيامه بوظيفته الهندسية بدوام كامل، والتنقل من مدينة رابيد، وإكمال درجة الماجستير، وتربية الأسرة. إنه يستحق الثناء على هذا، إنه حقًا جهد رائع.”

المرجع: “آثار تدفقات المياه على نظام تهوية المناجم: دراسة حالة” بقلم جيسون كونوت وأندريا بريكي وبوروشوثام توكاراجا وسريفاتسان جايارامان سريداران، 29 مايو 2026، التعدين والمعادن والاستكشاف.
دوى: 10.1007/s42461-026-01586-0

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.