لقد تعلم العلماء التنبؤ بمستويات الغبار في مناجم البوتاس

تخيل منجمًا ضخمًا للبوتاس يغوص عميقًا تحت الأرض. تعمل الحصادات والنقل القوية هناك على مدار الساعة، مما يؤدي إلى سحق الكتلة الصخرية ونقل أطنان من الخام. عن طريق طحن الصخور، يقومون برفع مليارات جزيئات الملح الصغيرة في الهواء – الغبار الملحي. وفي المساحة الضيقة للمنجم، تصبح مشكلة خطيرة لأنها لا تتم إزالتها بشكل طبيعي، ولكنها تتراكم. وهذا يؤدي إلى حقيقة أن أصغر جزيئات الملح، التي تدخل الجهاز التنفسي، تستقر في الرئتين، ومع التعرض لفترة طويلة، تؤدي إلى تدهور صحة العمال. ووفقا لإحصائيات منظمة الصحة العالمية، فإن أكثر من 30% من جميع الأمراض المهنية ترتبط بالتعرض للغبار الصناعي. في الوقت نفسه، يعمل الغبار على تسريع تآكل المعدات: فهو يدخل في الآليات المتحركة، مما يتسبب في تآكل الأجزاء وتكسرها بشكل أسرع. وهذا يؤدي إلى خسائر مباشرة: تكاليف قطع الغيار والإصلاحات غير المجدولة ووقت التوقف عن العمل، مما يقلل من حجم الإنتاج. أما اليوم، فتستخدم أنظمة التهوية ورش الماء لتسوية الجزيئات لمكافحتها. ومع ذلك، فإن هذه الأساليب لا تأخذ في الاعتبار الطبيعة الديناميكية للغبار نفسه. السمة الرئيسية تكمن في استرطابيته – القدرة على امتصاص الرطوبة من الهواء. يعتمد الأمر على ما إذا كان الغبار سوف ينتفخ ويستقر بسرعة أو يظل معلقًا ويدخل إلى رئتي العمال ويسد آليات المعدات. ونتيجة لذلك، يتم توزيع الغبار بشكل غير متساو – في بعض الأماكن يوجد الكثير منه، وفي أماكن أخرى لا يوجد أي شيء تقريبًا، ويتغير تركيزه باستمرار مع الرطوبة. تعمل التهوية في وضع ثابت: يتحرك الهواء في اتجاهات معينة، بغض النظر عن مكان تراكم الغبار في الوقت الحالي. ونتيجة لذلك، فإن أنظمة تنقية الهواء الحالية لا تأخذ في الاعتبار الصورة الحقيقية لتوزيع الغبار ولا يمكنها الاستجابة للتغيرات في الوقت المناسب. في الوقت الحاضر، يتم استخدام معدات خاصة لتحليل مستويات الغبار، والتي تحسب عدد وحجم الجزيئات الموجودة في الهواء. ومع ذلك، فإن مثل هذه القياسات تلتقط الصورة فقط في لحظة محددة. لفهم كيف سيتغير الوضع بمرور الوقت عند رطوبة مختلفة أو في موقع إنتاج مختلف، لا تكفي بيانات قياس واحدة. النماذج التي من شأنها أن تسمح بالتنبؤ بهذا في ظروف المناجم لم تكن موجودة بعد. ولأول مرة في روسيا، أنشأ علماء من جامعة بيرم بوليتكنيك نموذجًا رياضيًا يتنبأ بسلوك غبار الملح في مناجم البوتاس. وهذا سيجعل من الممكن التنبؤ بدقة أكبر بمستويات الغبار وتصميم أنظمة فعالة لتنقية الهواء، فضلاً عن توفير ملايين الروبلات في صيانة المعدات. تم نشر المقال في مجلة علوم وتكنولوجيا التعدين . حول العلماء انتباههم إلى مصدر غير متوقع للبيانات: دراسات الهباء الجوي البحري. هذه هي جزيئات الملح التي تتشكل فوق المحيطات عندما يتبخر رذاذ الماء. لقد درس علماء المحيطات وعلماء المناخ منذ فترة طويلة كيفية امتصاصها للرطوبة ونمو حجمها واستقرارها. من المهم أن يكون التركيب الكيميائي لملح البحر والملح في المنجم متشابهًا جدًا – في الغالب كلوريد الصوديوم والبوتاسيوم. ومع ذلك، من المستحيل تطبيق هذه الدراسات ببساطة على منجم، نظرًا لوجود بيئة مختلفة: مساحة مغلقة وديناميكيات هوائية مختلفة. بالإضافة إلى ذلك، يحتوي غبار المنجم على شوائب (الطين والمعادن الأخرى)، مما يعني أن تركيز المكونات فيه سيختلف. ثم قام العلماء بدراسة التركيب الدقيق للغبار في إحدى الرواسب، وحددوا نسب كلوريد الصوديوم والبوتاسيوم وحسبوا ما يسمى بمعلمة الاسترطابية لهذا الخليط – وهو رقم يشير إلى مدى نشاط الغبار في امتصاص الماء. هذه المعلمة معروفة للمواد النقية، ولكن بالنسبة للخليط تم حسابها لأول مرة. ثم استخدموا المبادئ الرياضية الموجودة من علم المحيطات، لكنهم أخذوا في الاعتبار ظروف منجم البوتاس: التكوين الفعلي للغبار والمساحة الضيقة. ونتيجة لذلك، قاموا بإنشاء نموذج يسمح، لأي قيمة رطوبة، بحساب كيفية تغير حجم جزيئات الغبار وكيفية توزيعها في الهواء. الآن لا يحتاج المهندس إلى إجراء بحث معقد؛ يكفي معرفة شيئين: تركيبة الغبار الموجود في المنجم ورطوبة الهواء الحالية – وهذه مؤشرات قياسية يتم قياسها بانتظام. اعتمادًا على الرطوبة، يحسب النموذج مقدار الجزيئات التي ستنتفخ وتصبح أثقل وتبدأ في الاستقرار. عند الخروج، يتلقى المتخصص بيانات دقيقة: مقدار الغبار المعلق في الهواء الآن، وما هو حجم الجزيئات السائدة، ومدى سرعة سقوطها وعلى أي مسافة سينظف الهواء نفسه. بمعرفة ذلك، يفهم المهندس أين يجب توجيه التهوية بالضبط، وأين يمكن إيقاف تشغيلها، لأن الغبار سوف يستقر دون مساعدة المعدات. — للتأكد من أن النموذج يعمل بشكل صحيح، أجرينا تجربة في غرفة خاصة، كانت جدرانها مبطنة بالصخور الملحية من المنجم. ثم بدأوا في تغيير رطوبة الهواء، وسجل عداد الليزر بشكل مستمر كيفية تغير عدد وحجم الجزيئات. هذه هي الطريقة التي حصلنا بها على الرسوم البيانية القياسية: عند رطوبة 50٪ يوجد توزيع واحد للجسيمات، عند 60٪ يوجد توزيع آخر، عند 70٪ يوجد توزيع ثالث. “هذه قراءات حقيقية من الجهاز – صورة موضوعية لكيفية تصرف الغبار الملح في ظل ظروف خاضعة للرقابة، “أشار كونستانتين تشيرني، دكتور في العلوم التقنية، رئيس قسم سلامة الحياة في PNIPU. بعد ذلك، باستخدام النموذج، قمنا بحساب كيف يجب أن يتفاعل الغبار مع نفس قيم الرطوبة. وعندما تم تركيب الرسوم البيانية الجديدة على الرسوم المرجعية التي تم الحصول عليها في الكاميرا، تزامنت تمامًا. وهذا يثبت أن النموذج يصف بشكل صحيح فيزياء العملية – كيف يمتص الملح الرطوبة ويتضخم ويستقر. وهذا يعني أنه يمكن استخدامها في أي منجم للبوتاس، وتسمح لنا الأداة المقترحة بحل عدد من المشاكل العملية: تصميم أنظمة التهوية التي توفر الهواء بشكل غير أعمى، ولكن بطريقة مستهدفة – فقط عندما تكون هناك حاجة إليه بالفعل. وهذا سيساعد على التنبؤ بشكل أكثر دقة بمستويات الغبار في مناطق العمل، وتقييم المخاطر الصحية الحقيقية للعمال، وتصميم أنظمة فعالة لإخماد الغبار. إن ما يميز الدراسة هو أنه لأول مرة في روسيا، ابتكر العلماء أداة رياضية تربط سلوك الغبار الملحي بالظروف المتغيرة فعليًا في المنجم يعني ظروف عمل أكثر أمانًا للعمال، وتقليل مخاطر الأمراض المهنية، وتقليل تآكل المعدات، وتوفير عشرات الملايين من الروبلات في الإصلاحات والكهرباء.