Ventilační systémy zajišťují přívod kyslíku a odstraňují škodlivé plyny či prach, zatímco čerpací soustavy odvádějí podzemní vodu i dešťovou vodu, která proniká do hlubších částí dolů. Oba systémy jsou navrženy tak, aby na sobě fungovaly nezávisle. Nicméně vědci zjistili, že intenzivní déšť dokáže jeden z nich výrazně ovlivnit.

Nová studie to jasně ukázala, popsala, jak padající voda může změnit proudění vzduchu v podzemních šachtách natolik, že se místy dokonce obrátí jeho směr. Tento jev byl dlouhá léta velká záhada, kterou se nyní podařilo objasnit. Výsledky mají přitom význam nejen pro jedno konkrétní zařízení, ale mohou ovlivnit způsob, jakým budou navrhovány a provozovány podzemní stavby globálně.

Záhadné chování ventilace během silných dešťů

Neobvyklého jevu si všimli odborníci v Sanford Underground Research Facility (SURF), rozsáhlém podzemním výzkumném komplexu v americkém státě Jižní Dakota. Přestože se tam již nic netěží, bývalé důlní prostory dnes slouží vědeckému výzkumu a stále vyžadují sofistikovaný systém ventilace i odvodnění.

Jason Connot, důlní inženýr, který zde působí od roku 2019, má ventilační systém na starosti. Krátce po svém nástupu začal společně s kolegy pozorovat podivný jev. Kdykoliv oblast zasáhly vydatné deště, začalo se proudění vzduchu v některých částech podzemí chovat zcela jinak, než předpokládaly výpočty.

Za běžných podmínek proudí čerstvý vzduch do podzemí dvěma hlavními šachtami a následně odchází dvěma výdušnými šachtami zpět na povrch. Jedna z nich je takzvaná 5 Shaft, která běžně odvádí použitý vzduch ven.

Během silných dešťů se však její funkce částečně mění. Kromě odvádění vzduchu totiž slouží také jako cesta pro přebytečnou vodu, která je sváděna do hlubokého podzemního rezervoáru a později odčerpána zpět na povrch.

Inženýři opakovaně zaznamenali, že přímo v těchto situacích ventilace začínala vykazovat nečekané změny. V některých místech proudění výrazně zesláblo, jinde se dokonce obrátilo.

Chyběla data, která by záhadu vysvětlila

Přestože byl jev zřetelně pozorovatelný, dlouhou dobu nebylo možné určit jeho příčinu. Ventilační systémy v podzemí jsou velmi složité a bez dostatečného množství měření bylo obtížné přesně určit, co se během silných dešťů děje.

Situace se změnila až po instalaci nových senzorů pro měření proudění vzduchu, které poskytly mnohem podrobnější data.

První důležitou stopu přitom přinesl už dříve zajímavý projekt místní střední školy. Učitel přírodních věd Steve Gabriel společně se svými studenty navrhl a nainstaloval několik monitorů proudění vzduchu přímo v podzemních prostorách. Během testování systému nouzového vypouštění vody zaznamenaly přístroje výrazné zvýšení proudění vzduchu v jiné části dolu, načež tato shoda okolností přivedla výzkumníky na myšlenku, že oba jevy spolu mohou souviset.

Později se Steve Gabriel stal přímo členem týmu SURF jako ventilační technik a pokračoval ve spolupráci na výzkumu.

Zdroj: Shutterstock

Zjistilo se, že padající voda fungovala jako obří píst

Když při mimořádně silných deštích začne do podzemí přitékat více vody, než dokáže čerpací systém okamžitě odvést, přebytečná voda je svedena právě do 5. šachty. Odtud padá stovky metrů hluboko do podzemního jezírka, odkud je později odčerpána.

Výzkumníci začali uvažovat, zda tento mohutný sloupec padající vody nemůže mechanicky vytlačovat vzduch podobně, jako funguje píst ve válci nebo stříkačka.

Na první pohled šlo o poměrně odvážnou hypotézu. Bylo těžké uvěřit, že samotný pohyb vody dokáže ovlivnit obrovské objemy vzduchu v rozsáhlé síti podzemních chodeb.

Při hledání odpovědi Jason Connot narazil na odborné studie zabývající se prouděním vody ve velkých městských kanalizačních systémech. Tam byl podobný fyzikální efekt již dříve popsán pomocí rovnic dynamiky tekutin.

Společně s kolegy z South Dakota Mines následně tyto matematické modely upravili tak, aby odpovídaly uspořádání podzemního komplexu SURF.

Výsledek byl překvapivě přesný. Simulace téměř dokonale odpovídaly skutečným měřením. Výpočty ukázaly, že padající voda skutečně vytváří tlak, který je schopen přesouvat značné množství vzduchu a měnit jeho proudění v celém ventilačním systému.

Význam objevu sahá daleko za hranice jednoho zařízení

Na první pohled by se mohlo zdát, že jde pouze o zajímavost týkající se jednoho konkrétního podzemního komplexu. Ve skutečnosti ale mohou mít výsledky studie mnohem širší dopad.

Podobné situace totiž mohou nastávat i v aktivních dolech nebo jiných hlubinných stavbách po celém světě.

Obzvlášť důležité jsou poznatky při řešení mimořádných událostí, například požárů. V takových případech bývá jedním z používaných postupů rychlé vypouštění velkého množství vody do šachty, aby se zabránilo šíření ohně.

Pokud ale tento proud vody současně změní proudění vzduchu, může zásadně ovlivnit pohyb kouře, toxických plynů i podmínky pro evakuaci pracovníků.

Díky novému výzkumu budou moci inženýři podobné změny předvídat a přizpůsobit jim řízení ventilace ještě předtím, než nastanou.

Výzkum, na který v běžném dole často není čas

Podle samotných autorů by podobná studie pravděpodobně v běžném těžebním provozu nikdy nevznikla. Aktivní doly jsou zaměřeny především na nepřerušenou těžbu a řešení každodenních provozních úkolů. Na detailní analýzu neobvyklých fyzikálních jevů často nezbývá čas ani kapacita.

Výzkumné prostředí SURF ale umožnilo inženýrům věnovat problému potřebnou pozornost. Kombinace dlouhodobých měření, moderních senzorů, matematického modelování a spolupráce s univerzitními odborníky umožnila odhalit mechanismus, který dosud nikdo detailně nepopsal.

Ředitel podzemních operací Bryce Pietzyk ocenil především Connotovu schopnost proniknout do detailů složitých technických systémů. Podle něj takováto důkladná analýza umožnila lépe předvídat změny proudění vzduchu a správně nastavit řízení celé ventilace.

Práce dostala i ocenění

Výzkum byl zveřejněn v odborném časopise Mining, Metallurgy & Exploration pod názvem Effects of Water Inflows on a Mine Ventilation System: A Case Study.

Velmi pozitivně jej hodnotila také profesorka Andrea Brickey z katedry důlního inženýrství na SDM, která byla vedoucí Connotova magisterského studia. Podle ní byl rozhodující především jeho zájem pochopit jev, který ostatní dlouho pouze pozorovali, aniž by znali jeho skutečnou příčinu.

Ocenění si vysloužil i za to, že celý výzkum zvládl dokončit při plném pracovním vytížení, každodenním dojíždění, studiu i péči o rodinu.