在地球表面下的深处运行一个设施需要不断控制两个基本元素：空气和水。地下隧道和井道的工人们依赖可靠的通风来生存和安全工作。同时，渗入地下的地下水和雨水必须被收集并抽送回地面。在大型矿业操作中，专业团队管理通风和水系统，这个挑战非常熟悉。这也是南达科他州的圣福德地下研究设施（SURF）运营的关键部分，这是一个庞大的地下科学实验室。尽管那里不再进行矿业开采，但矿业工程师仍然负责安全维护广泛的隧道和井道网络。大雨引发意外的气流变化 自2019年加入SURF以来，矿业工程师杰森·康诺特一直监督该设施的通风系统。在强降雨期间，他和他的同事们开始注意到一些不寻常的现象。地下气流模式有时会减弱甚至反向。“我们注意到我们的风扇在5号井道出现故障。在大雨事件期间，某些区域的气流会减少甚至反转，”康诺特说。在正常情况下，新鲜空气通过两个主要井道进入设施，并通过两个不同的井道排出。其中一个排气路线是5号井道。然而，在大雨期间，多余的水被引导进入5号井道，流入深地下的池塘，以便稍后抽出。“起初，我们不知道在大雨事件中气流发生了什么，”康诺特说。“我们都看到地下发生了这些气流变化，我们在想，这到底是为什么？”传感器揭示线索 找到答案需要数据。突破性的进展出现在2000层安装了Maestro气流传感器之后，作为自动化通风控制系统的一部分。这些测量给工程师们提供了更清晰的空气在设施内流动的情况。早期的证据已经暗示了一个连接。在对井道排水系统的测试期间，4850层的气流传感器记录到了空气运动的意外增加。这些传感器由斯蒂夫·加布里埃尔（Steve Gabriel）和他的学生们设计和安装，加布里埃尔后来以全职通风技术员的身份加入了SURF。“在那次测试期间，我们感觉到了4850层气流的增加。这使我们建立了关联，触发了一切，”康诺特说。降水的意外影响 在严重风暴期间，进入的水量可能超过地下泵送系统的容量。为了处理额外的体积，工程师将多余的水从5号井道引入深池，类似于溢流溢洪道可以帮助减轻满水库的压力。团队怀疑落下的水本身可能会影响气流。他们的理论是，下降的水柱在某种程度上像注射器一样，随着它的下降推动空气通过井道。这一观点很有趣，但需要科学确认。康诺特查阅了科学文献，发现描述了类似现象的大型市政污水系统的报告。这些研究包括流体动力学方程，解释了流动的水如何影响封闭空间内的空气运动。康诺特与南达科他矿业学院的同事合作，调整这些方程以适应SURF的条件。结果与工程师们在地下观察到的情况密切匹配。“当我们将我们的数据和参数添加到模型中时，一切都正好匹配，”康诺特说。“你可能不会认为水滴的重量能移动这么多空气。”对矿井通风和安全的影响 这些发现超出了强降雨的影响，可能对全球的地下作业产生影响。“如果发生火灾，矿业工程师有时会在上方打开一个阀门，将水直接倒入井道。知道这可能会改变气流是对每个人来说至关重要的信息。我们对此进行了测试，已看到这一现象的发生，”康诺特说。由于SURF作为研究设施运作，工程师们有机会详细调查这一现象。“这不是你在运营矿井时总有时间进行的研究，”康诺特指出。SURF地下运营主任布莱斯·皮耶齐克（Bryce Pietzyk）表示，这项努力反映了康诺特对理解该设施复杂系统的承诺。“我非常喜欢与杰森共事的一点是，他真的想深入了解需要理解这种复杂操作系统的细节。以前没有人花时间来掌握这个问题——但这绝对是至关重要的，这就是为什么整个团队支持这项研究，”皮耶齐克说。“多亏了这项工作，我们能够提前应对气流问题，预测将会发生的情况，并以正确的方式配置通风控制。”研究发表于《矿业期刊》中 康诺特的论文……