Zoned Analytical Model for Airflow Temperature Rise in Spray- Insulated Three-Centered Arch Roadways with an Exposed Floor

في أعماق ما تحت سطح الأرض، حيث تنحت مناجم المعادن أنفاقاً في قشرة الكوكب، تُخاض معركة صامتة ضد الحرارة باستمرار. فكلما حفر عمال المناجم في أعماق أكبر، ترتفع درجة الحرارة الطبيعية للصخور المحيطة، مما يخلق بيئة يمكن أن تصبح حارة ورطبة بشكل خطير. هذه الحرارة الجوفية، مضافاً إليها الحرارة الناتجة عن الآلات الثقيلة والعمال أنفسهم، تحول هذه الممرات تحت الأرض إلى أفران. وللحفاظ على قابلية الهواء للتنفس وسلامة العمال، يجب على المهندسين تبريد الهواء المتدفق عبر هذه الأنفاق باستمرار. وتتضمن إحدى الاستراتيجيات الشائعة رش طبقة من مادة عازلة على جدران النفق، لتعمل كبطانية حرارية لمنع تسرب حرارة الصخور إلى الهواء. ومع ذلك، في عالم التعدين الواقعي، هناك قيد عملي: يجب أن تظل أرضية النفق عارية لدعم وزن المركبات والمعدات، مما يعني أن البطانية العازلة تغطي السقف والجوانب ولكنها تترك الأرض مكشوفة.

لسنوات، اعتمد المهندسون على نماذج رياضية للتنبؤ بمدى فعالية أنظمة التبريد هذه، لكن العديد من هذه النماذج افترضت أن النفق بأكمله، بما في ذلك الأرضية، معزول تماماً. وقد خلق هذا الافتراض فجوة بين النظرية والواقع، مما أدى غالباً إلى توقعات متفائلة للغاية بشأن مدى برودة الهواء الذي سيبقى. وقد سعى فريق من الباحثين من الصين لسد هذه الفجوة من خلال تطوير طريقة جديدة لحساب درجة حرارة تدفق الهواء تعترف بالأرضية المكشوفة. فقد ركزوا على شكل نفق محدد شائع في المناجم العميقة، يُعرف باسم "القوس ثلاثي المراكز"، وابتكروا نموذجاً يعامل السقف والجدران المعزولة بشكل مختلف عن الأرضية غير المعزولة. ويكشف عملهم أن الأرض المكشوفة ليست مجرد تفصيل ثانوي؛ بل هي مسار رئيسي للحرارة، مما يغير جذرياً كيفية تصميم المهندسين لأنظمة التبريد في المستقبل.

بدأ الباحثون ببناء تمثيل رياضي لنفق نموذج في منجم عميق، بطول مائة متر، وعرض أربعة أمتار ونصف، وارتفاع أربعة أمتار. وبدلاً من محاولة نمذجة كل منحنى للصخرة الفعلية، قاموا بتبسيط الشكل إلى صورة تحافظ على المساحات الأساسية التي يتدفق فيها الهواء وتنتقل عبرها الحرارة. ثم قسموا حدود النفق إلى منطقتين متميزتين: السقف والجدران المرشوشة، والأرضية العارية. في المنطقة المرشوشة، يجب أن تمر الحرارة عبر الصخر، ثم عبر الطبقة العازلة، وأخيراً إلى الهواء. أما في منطقة الأرضية، فتتخطى الحرارة خطوة العزل تماماً، وتنتقل مباشرة من الصخر إلى الهواء. ومن خلال معالجة هذين المسارين بشكل منفصل، استطاع الفريق حساب مقدار الحرارة التي يساهم بها كل قسم في ارتفاع درجة حرارة الهواء. كما أخذوا في الاعتبار الحرارة الناتجة عن المعدات وتأثير التبريد الناتج عن تبخر الماء من الجدران الرطبة، ودمجوا كل هذه العوامل في معادلة واحدة واضحة تتنبأ بدرجة حرارة الهواء أثناء انتقاله من مدخل النفق إلى المخرج.

وعندما أجرى الفريق حساباتهم، اكتشفوا واقعاً مذهلاً حول الأرضية المكشوفة. ففي سيناريو يتم فيه رش السقف والجدران فقط بمادة عازلة، كانت الأرضية مسؤولة عن ما يقرب من ثلثي إجمالي الحرارة المتدفقة من الصخور إلى الهواء. وهذا يعني أنه حتى مع وجود طبقة سميكة من العزل على الجوانب، تعمل الأرض العارية كاختصار حراري هائل، مما يسمح للحرارة بتجاوز الحاجز الواقي. وأظهر النموذج أنه إذا تم عزل الأرضية أيضاً، فإن فائدة التبريد ستزداد، لكن التحسن سيكون صغيراً نسبياً مقارنة بالجهد والتكلفة المطلوبة لحماية الأرضية من الآلات الثقيلة. وفي الواقع، وجد الباحثون أن عزل السقف والجدرب فقط يستحوذ على حوالي سبعين بالمائة من إجمالي فائدة التبريد التي يمكن تحقيقها بعزل محيط النفق بالكامل. ويشير هذا إلى أنه بينما تعد الأرضية مصدراً هاماً للحرارة، فإن الحل الهندسي الأكثر كفاءة يكمن غالباً في التركيز على الجدران والسقف، بدلاً من محاولة القيام بالمهمة الصعبة والمكلفة المتمثلة في عزل الأرضية.

ولضمان دقة نموذجهم الجديد، نقل الباحثون نظريتهم إلى منجم حقيقي. فقد اختاروا مقطعاً من نفق وقاسوا درجة حرارة الهواء عند نقاط مختلفة على طول طوله تحت ثلاثة ظروف مختلفة: أولاً بدون عزل على الإطلاق، وثانياً مع عزل السقف والجدران مع أرضية مكشوفة، وثالثاً مع عزل يغطي النفق بالكامل. واستخدموا أدوات دقيقة لتتبع درجة حرارة الهواء، وسرعة تدفق الهواء، والحرارة المنبعثة من الصخور. وطابقت النتائج توقعاتهم بدقة متناهة؛ فقد تنبأ النموذج بشكل صحيح بكيفية ارتفاع درجة حرارة الهواء أثناء تحركه أسفل النفق، مع أخطاء صغيرة جداً كانت ضمن هامش الخطأ لأدوات القياس نفسها. والأهم من ذلك، أكدت البيانات الميدانية أن الأرضية المكشوفة كانت بالفعل المصدر المهيمن للحرارة بعد عزل الجدران، مما أثبت الفكرة الجوهرية القائلة بأن الأرضية تعمل كعنق زجاجة لجهود التبريد.

كما استكشفت الدراسة كيف تؤثر عوامل أخرى على درجة حرارة النفق، وكشفت أن سرعة تدفق الهواء هي الأداة الأقوى للتبريد. فعندما رفع الباحثون سرعة حركة الهواء عبر النفق من نصف متر في الثانية (وهي سرعة بطيئة) إلى ثلاثة أمتار في الثانية (وهي سرعة نشطة)، انخفضت درجة الحرارة عند المخرج بأكثر من أربع درجات مئوية. وكان هذا التغيير أكثر أهمية بكثير من آثار تغيير سمك العزل أو نوع المادة المستخدمة. وبينما يساعد العزل الأفضل، إلا أن فوائده تتضاءل بسرعة بمجرد ترك الأرضية مكشوفة، لأن الحرارة القادمة من الأرض تطغى على التحسينات التي تُجرى على الجدران. وبالمثل، فإن جعل طبقة العزل أكثر سمكاً أو استخدام مادة تحجب الحرارة بشكل أفضل لم يقدم سوى مكاسب هامشية. وخلص الباحثون إلى أن النهج الأكثر فعالية للمناجم العميقة هو استراتيجية منسقة: استخدم العزل لتقليل الحمل الحراري من الصخور، ولكن اعتمد على تدفق هواء قوي لحمل تلك الحرارة المتبقية بعيداً.

يوفر هذا العمل دليلاً واضحاً وعملياً للمهندسين الذين يصممون أنظمة التبريد للمناجم العميقة. فهو يتجاوز الافتراضات المثالية للماضي ليقدم نموذجاً يعكس الواقع الفوضوي للبناء، حيث يجب أن تظل الأرضيات عارية. ومن خلال فهم أن الأرضية المكشوفة هي المصدر الرئيسي للحرارة المتبقية، يمكن لمشغلي المناجم اتخاذ قرارات أفضل بشأن أين ينفقون مواردهم. يمكنهم أن يروا أنه بينما قد يبدو عزل الأرضية هو الحل الأمثل، فإن التكلفة والصعوبة غالباً ما يفوقان فائدة التبريد الإضافية الصغيرة التي يوفرها. بدلاً من ذلك، يجب أن ينصب التركيز على تحسين تدفق الهواء وضمان عزل السقف والجدران جيداً، وهي استراتيجية يؤكد النموذج الجديد أنها تقدم الغالبية العظمى من فائدة التبريد الممكنة. وتقف هذه الدراسة كشهادة على قيمة النظر عن كثب في الظروف المحددة للعالم الحقيقي، وتظهر أن الحلول الأكثر فعالية تأتي أحياناً من فهم مصدر الحرارة بالضبط، بدلاً من محاولة حجبها في كل مكان في آن واحد.