地下隧道和井筒内的工人依赖可靠的通风来维持生存和安全作业。与此同时，渗入地下的地下水和雨水必须被收集并泵回地表。
这一挑战在大型采矿作业中很常见，那里有专门的团队管理通风和供水系统。这也是运营桑福德地下研究设施（SURF）的关键部分，该设施是南达科他州的一个大型地下科学实验室。虽然那里不再进行开采，但采矿工程师仍负责安全维护庞大的隧道和井筒网络。
暴雨引发意外的气流变化
自2019年加入SURF以来，采矿工程师Jason Connot一直负责监督该设施的通风系统。在强降雨期间，他和同事们开始注意到一些异常情况。地下的气流模式有时会减弱，甚至发生逆转。
“我们注意到5号井的风机会出现异常。在大暴雨期间，某些区域会出现气流减弱甚至反向的情况，”Connot说。
在正常条件下，新鲜空气通过两个主井进入设施，并通过另外两个独立的井筒排出。其中一条排风路线是5号井。然而在暴雨期间，多余的水会被引导流经5号井向下进入一个深层地下积水池，随后被泵出。
“起初，我们不知道在大暴雨期间气流发生了什么，”Connot说。“我们都能看到这些气流变化在整个地下设施中发生，我们都在想，为什么会发生这种情况？”
传感器揭示线索
寻找答案需要数据。
突破发生在Maestro气流传感器作为自动通风控制系统的一部分被安装在2000水平之后。这些测量结果让工程师对空气如何在设施中流动有了更JianCe的了解。
早期的证据已经暗示了某种关联。在对井筒雨淋系统进行测试期间，4850水平上的气流传感器记录到了意外的空气流动增加。
这些传感器是由Spearfish高中的科学教师Steve Gabriel及其学生建造和安装的。Gabriel后来作为全职通风技术员加入了SURF。
“在测试期间，我们在4850水平感受到了气流的增加。正是这一点建立了关联并引发了一切，”Connot说。
落水的惊人效应
在大风暴期间，涌入的水量可能超过地下排水系统的能力。为了处理多余的水量，工程师将多余的水通过5号井送入下方的深池，就像溢洪道帮助缓解满水水库的压力一样。
团队怀疑下落的水本身可能正在影响气流。
他们的理论是，下降的水柱有点像注射器，在下落过程中将空气推过井筒。
这个想法很吸引人，但需要科学证实。
Connot搜索了科学文献，发现了描述大型城市下水道系统中类似现象的报告。这些研究包含流体动力学方程，解释了流动的水如何影响受限空间中的空气运动。
Connot与南达科他矿业理工学院的同事合作，调整了这些方程以匹配SURF的条件。结果与工程师在地下观察到的现象高度吻合。
“当我们把我们的数值和参数加入模型时，结果完全吻合，”Connot说。“你不会想到水滴的重量能移动这么多空气。”
对矿井通风与安全的启示
这些发现不仅限于大暴雨，还可能对世界各地的地下作业产生影响。
“如果发生火灾，采矿工程师有时会打开顶部的阀门，直接将水倒入井筒。知道这会改变气流对每个人来说都是至关重要的信息。我们测试过，我们见过它发生，”Connot说。
由于SURF是一个研究设施，工程师有机会详细研究这一现象。
“在生产矿井中，你不一定总有时间做这类研究，”Connot指出。
SURF地下运营总监Bryce Pietzyk表示，这项工作反映了Connot对理解该设施复杂系统的执着。
“与Jason共事的一点是我真的很喜欢他真的想深入钻研理解此类复杂操作系统所需的细节。以前没有人花时间去掌握这个问题——但这绝对至关重要，这就是为什么整个团队都支持这项研究，”Pietzyk说。“多亏了这项工作，我们能够提前应对气流问题，预测会发生什么，并以正确的方式配置通风控制。”
研究发表在矿业期刊上
Connot的论文《水流入对矿井通风系统的影响：案例研究》（Effects of Water Inflows on a Mine Ventilation System: A Case Study）发表在《采矿、冶金与勘探》上。
Connot的导师、南达科他矿业理工学院采矿工程与管理系教授Andrea Brickey博士对这项研究及其背后的坚持给予了高度评价。
“作为一名导师，你再也找不到比Jason更好的研究生了，”Brickey说。“他发现了一种影响通风系统的现象，他的好奇心驱使他想要确定如何预测这种行为。他成功了，他的工作正在帮助SURF和整个行业。”
Pietzyk还强调了在平衡职业和个人责任的同时完成研究所需的努力。
“Jason是一位超越期望的工程师，”Pietzyk说。“他为完成这项研究所做的工作表明他真的很关心这个设施。他在从事全职工程工作、从拉皮德城通勤、完成硕士学位以及照顾家庭的同时，兼顾了这一切。他值得为此获得赞誉，这真的是一项了不起的努力。”