Gestire un impianto nelle profondità della Terra richiede il controllo costante di due elementi essenziali: aria e acqua.
I lavoratori che operano in gallerie e pozzi sotterranei dipendono da un sistema di ventilazione affidabile per sopravvivere e lavorare in sicurezza. Allo stesso tempo, l’acqua di falda e l’acqua piovana che si infiltrano nel sottosuolo devono essere raccolte e pompate nuovamente in superficie.
Questa sfida è ben nota nelle grandi miniere, dove squadre specializzate gestiscono i sistemi di ventilazione e idrici. È anche un aspetto cruciale per il funzionamento del Sanford Underground Research Facility (SURF), un enorme laboratorio scientifico sotterraneo nel Sud Dakota. Sebbene l’attività mineraria non vi si svolga più, gli ingegneri minerari rimangono responsabili della manutenzione in sicurezza dell’estesa rete di tunnel e pozzi.
Le forti piogge hanno provocato cambiamenti inaspettati nel flusso d’aria.
Da quando è entrato a far parte di SURF nel 2019, l’ingegnere minerario Jason Connot si è occupato del sistema di ventilazione dell’impianto. Durante i periodi di piogge intense, lui e i suoi colleghi hanno iniziato a notare qualcosa di insolito. I flussi d’aria nel sottosuolo a volte si indebolivano o addirittura invertivano la direzione.
“Abbiamo notato che il nostro ventilatore al pozzo numero 5 impazziva. In alcune aree si verificava una riduzione o addirittura un’inversione del flusso d’aria durante forti piogge“, ha affermato Connot.
In condizioni normali, l’aria fresca entra nell’impianto attraverso due pozzi principali ed esce attraverso altri due pozzi separati. Uno di questi condotti di scarico è il Pozzo 5. Durante le forti piogge, tuttavia, l’acqua in eccesso viene convogliata lungo il Pozzo 5 in una profonda vasca sotterranea da cui può essere successivamente pompata fuori.
“Inizialmente, non capivamo cosa stesse succedendo con il flusso d’aria durante i forti temporali”, ha detto Connot. “Potevamo tutti osservare questi cambiamenti nel flusso d’aria che si verificavano nel sottosuolo e ci chiedevamo: perché sta succedendo?”
I sensori rivelano un indizio
Per trovare la risposta erano necessari i dati.
La svolta è arrivata dopo l’installazione dei sensori di flusso d’aria Maestro al livello 2000, nell’ambito di un sistema automatizzato di controllo della ventilazione. Queste misurazioni hanno fornito agli ingegneri un quadro molto più chiaro del movimento dell’aria all’interno della struttura.
Precedenti evidenze avevano già suggerito una possibile connessione. Durante un test del sistema di diluvio del pozzo, i sensori di flusso d’aria al livello 4850 avevano registrato un aumento inatteso del movimento dell’aria.
Quei sensori erano stati costruiti e installati da Steve Gabriel, insegnante di scienze alla Spearfish High School, e dai suoi studenti. Gabriel in seguito entrò a far parte di SURF come tecnico di ventilazione a tempo pieno.
“Abbiamo percepito un aumento del flusso d’aria al livello 4850 durante quel test. È questo che ha creato la correlazione e ha innescato tutto”, ha detto Connot.
L’effetto sorprendente della caduta dell’acqua
Durante le forti tempeste, l’acqua in arrivo può superare la capacità del sistema di pompaggio sotterraneo. Per gestire il volume extra, gli ingegneri convogliano l’acqua in eccesso attraverso il pozzo 5 nella profonda vasca sottostante, in modo simile a come uno sfioratore di sfioro aiuta ad alleviare la pressione in un bacino idrico pieno.
Il team sospettava che la caduta d’acqua stessa potesse influenzare il flusso d’aria.
La loro teoria era che la colonna d’acqua discendente agisse in qualche modo come una siringa, spingendo l’aria attraverso il pozzo durante la caduta.
L’idea era intrigante, ma necessitava di una conferma scientifica.
Connot ha esaminato la letteratura scientifica e ha trovato studi che descrivevano un fenomeno simile in grandi sistemi fognari municipali. Tali studi includevano equazioni di fluidodinamica che spiegavano come l’acqua in movimento potesse influenzare il movimento dell’aria in spazi confinati.
Lavorando con i colleghi della South Dakota Mines, Connot ha adattato quelle equazioni per riprodurre le condizioni del sito SURF. I risultati corrispondevano fedelmente a quanto osservato dagli ingegneri nel sottosuolo.
“Quando abbiamo inserito i nostri dati e parametri nel modello, tutto è risultato perfettamente corretto”, ha affermato Connot. “Non si direbbe che il peso delle gocce d’acqua possa spostare una tale quantità d’aria.”
Implicazioni per la ventilazione e la sicurezza nelle miniere
I risultati vanno oltre le forti tempeste e potrebbero avere implicazioni per le operazioni sotterranee in tutto il mondo.
“In caso di incendio, a volte gli ingegneri minerari aprono una valvola in alto e scaricano acqua nel pozzo. Sapere che questo può modificare il flusso d’aria è un’informazione fondamentale per tutti. Abbiamo fatto delle prove e abbiamo visto che succede”, ha affermato Connot.
Poiché SURF funziona come centro di ricerca, gli ingegneri hanno avuto l’opportunità di studiare il fenomeno in dettaglio.
“Questo non è il tipo di studio che si ha sempre il tempo di condurre in una miniera operativa”, ha osservato Connot.
Bryce Pietzyk, direttore delle operazioni sotterranee presso SURF, ha affermato che l’iniziativa riflette l’impegno di Connot nel comprendere i complessi sistemi dell’impianto.
“Una cosa che apprezzo molto del lavorare con Jason è la sua volontà di approfondire i dettagli necessari per comprendere sistemi operativi complessi come questo. Nessuno si era mai preso la briga di analizzare a fondo questo problema, ma è assolutamente fondamentale, ed è per questo che l’intero team ha sostenuto questo studio”, ha affermato Pietzyk. “Grazie a questo lavoro, siamo in grado di anticipare i problemi di flusso d’aria, prevedere cosa accadrà e configurare i controlli di ventilazione nel modo corretto.”
.Ricerca pubblicata su una rivista di settore minerario
L’articolo di Connot, intitolato ” Effetti degli afflussi d’acqua su un sistema di ventilazione mineraria: un caso di studio” , è stato pubblicato sulla rivista Mining, Metallurgy & Exploration .
La dottoressa Andrea Brickey, relatrice di Connot e professoressa presso il Dipartimento di Ingegneria Mineraria e Gestione della South Dakota Mines, ha elogiato sia la ricerca che la perseveranza dimostrata nel portarla avanti.
“Come relatore, non si poteva chiedere uno studente di dottorato migliore di Jason”, ha affermato Brickey. “Ha individuato un fenomeno che influenza i sistemi di ventilazione e la sua curiosità lo ha spinto a voler capire come prevederne il comportamento. Ci è riuscito e il suo lavoro sta aiutando SURF e un intero settore.”
Pietzyk ha inoltre sottolineato l’impegno richiesto per completare la ricerca, conciliando al contempo responsabilità professionali e personali.
“Jason è un ingegnere che si impegna al massimo”, ha affermato Pietzyk. “Il lavoro che ha svolto per completare questa ricerca dimostra quanto tenga a questa struttura. È riuscito a gestire tutto, lavorando a tempo pieno come ingegnere, facendo il pendolare da Rapid City, conseguendo la laurea magistrale e crescendo una famiglia. Si merita un plauso per questo, è davvero uno sforzo straordinario.”
Abstract
I sistemi di ventilazione delle miniere sotterranee sono fondamentali per mantenere ambienti di lavoro sicuri ed efficienti, ma sono altamente suscettibili a cambiamenti imprevisti delle condizioni del sottosuolo, come le infiltrazioni d’acqua. Quando un sistema di ventilazione viene inondato d’acqua, la situazione che ne deriva può essere complessa, con un impatto spesso sottovalutato in grado di alterare i modelli di flusso d’aria, generare fluttuazioni di pressione e compromettere la stabilità del sistema. Questo studio esamina gli effetti delle infiltrazioni d’acqua sulla rete di ventilazione del Sanford Underground Research Facility (SURF), precedentemente noto come miniera Homestake a Lead, nel South Dakota. La ricerca si concentra su come l’acqua che cade a cascata all’interno di un pozzo di scarico influenzi il comportamento del flusso d’aria e le prestazioni complessive del sistema su più livelli sotterranei. I dati di monitoraggio in tempo reale provenienti dai sensori di flusso d’aria Maestro Digital Mine sono stati analizzati insieme alle misurazioni della portata d’acqua raccolte durante tre importanti eventi di infiltrazione nel 2023. Utilizzando un’equazione di pressione fissa adattata e la modellazione Ventsim, il differenziale di pressione indotto è stato stimato in circa 870 Pascal (3,5 pollici di colonna d’acqua). Le simulazioni del modello hanno riprodotto fedelmente le osservazioni sul campo, replicando le stesse condizioni riscontrate nel sottosuolo. Questi risultati dimostrano che gli afflussi d’acqua possono compromettere significativamente la ventilazione sotterranea, sottolineando la necessità di integrare i meccanismi di interazione aria-acqua nella progettazione, nel monitoraggio e nella gestione delle emergenze delle miniere.
Materiale fornito dalla South Dakota Science and Technology Authority . Nota: il contenuto potrebbe essere modificato per motivi di stile e lunghezza.
Jason Connot, Andrea Brickey, Purushotham Tukkaraja, Srivatsan Jayaraman Sridharan. Effects of Water Inflows on a Mine Ventilation System: A Case Study. Mining, Metallurgy, 2026; DOI: 10.1007/s42461-026-01586-0
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