Eine seltsame Beobachtung hat die Ingenieure der unterirdischen Sanford-Mine in South Dakota lange verwirrt: Bei starkem Regen kehrte sich der Luftstrom in einigen Schächten um. Dieses unerwartete Verhalten hat nun eine Erklärung gefunden, mit bemerkenswerten Auswirkungen auf die Sicherheit von Bergwerken.
Diese Anlage, das Sanford Underground Research Facility (SURF), wird nicht mehr für den Bergbau genutzt, benötigt aber eine konstante Belüftung für die Sicherheit. Jason Connot, Bergbauingenieur, überwacht dieses System. Kurz nach seiner Ankunft im Jahr 2019 bemerkten er und sein Team ein seltsames Verhalten bei Gewittern: Der Ventilator von Schacht 5 wurde unkontrollierbar, und in einigen Bereichen verlangsamte sich die Luft oder kehrte sich sogar um.
Jason Connot, Bergbauingenieur am Sanford Underground Research Facility, in der früheren Schmiede 335 Meter unter der Erde.
Quelle: Stephen Kenny / SURF Um dieses Phänomen zu verstehen, waren genauere Messungen erforderlich. Luftdurchflusssensoren wurden installiert, und Steve Gabriel, ein Professor für Naturwissenschaften, entwarf mit seinen Studenten Monitore, die ein Schlüsselereignis während eines Tests des Bewässerungssystems auf Ebene 4850 erfassten. "Wir spürten eine Zunahme des Luftdurchflusses, das hat alles ausgelöst", erklärt Jason Connot.
Die Ursache war überraschend: Regenwasser, das in Schacht 5 geleitet wird, um Überschwemmungen zu vermeiden, wirkt wie eine riesige Spritze. Beim Herunterfallen drückt es die Luft vor sich her und erzwingt eine anormale Zirkulation im Belüftungsnetz. Jason Connot fand in der Literatur Gleichungen, die dieses Phänomen in Abwasserkanälen erklären, und passte sie mit Hilfe von Kollegen der South Dakota School of Mines an den Standort an. Die Berechnungen stimmten perfekt mit den Beobachtungen überein.
Diese Entdeckung geht weit über eine bloße Kuriosität hinaus. Im Falle eines unterirdischen Brandes leiten Ingenieure oft Wasser in einen Schacht. "Zu wissen, dass dies den Luftstrom verändern kann, ist eine wesentliche Information", sagt Jason Connot. Dank dieser Arbeit kann das Team nun diese Schwankungen vorhersehen und die Belüftung entsprechend konfigurieren, wodurch die Sicherheit verbessert wird.
Diese Forschungen von Jason Connot, veröffentlicht in der Zeitschrift
Mining, Metallurgy & Exploration, wurden von seinen Kollegen gelobt. Andrea Brickey, seine Betreuerin, lobt seine Neugierde: "Er hat ein Phänomen identifiziert, das Belüftungssysteme beeinflusst, und versucht, es vorherzusagen. Das ist ihm gelungen."
Das Prinzip der hydraulischen Spritze
Der Mechanismus beruht auf dem Prinzip einer hydraulischen Spritze. Wenn man den Kolben drückt, tritt die Luft durch die Nadel aus. In einer Mine spielt das in einen Schacht fallende Wasser die Rolle des Kolbens. Die fallende Wassersäule komprimiert die darunter befindliche Luft und erzeugt einen Druckunterschied, der die Luft zwingt, sich durch die Stollen zu bewegen.
Dieser Mechanismus ist in städtischen Abwassernetzen gut bekannt, wo große Wasserfälle die Luft durch die Rohre treiben können. Die Anwendung auf eine Mine erfordert jedoch präzise Berechnungen, die die Form der Schächte, die Wassermenge und die Eigenschaften des Belüftungssystems berücksichtigen.
Die Entdeckung der Ingenieure von SURF zeigt, dass selbst kleine Wassermengen wie Regen eine signifikante Wirkung haben können. Dies ebnet den Weg für Vorhersagemodelle, um diese Änderungen des Luftstroms vorherzusehen, was für die Sicherheit unerlässlich ist.
Im Fall von Schacht 5 in SURF wird das überschüssige Wasser in einen tiefen Hohlraum geleitet. Beim Fall über mehrere hundert Meter erreicht es eine ausreichende Geschwindigkeit, um eine große Luftmasse zu bewegen. Die Ingenieure haben gemessen, dass der Luftdurchfluss bei einem Gewitter um das Doppelte oder mehr ansteigen kann.
Quelle: Mining, Metallurgy & Exploration