通風管道長度變化對鈾礦井下氡濃度影響的模擬研究

蘇曉書，冀 東，劉 穎，李元崗

(中核第四研究設(shè)計工程有限公司，河北 石家莊 050021)

鈾礦開采屬于天然放射性物質(zhì)開采的開放型作業(yè)，放射性物質(zhì)向環(huán)境釋放，會對環(huán)境、公眾產(chǎn)生影響。因此，必須在鈾礦開采過程中采取有效的防護措施，對井下主要危害因素：長壽命氣溶膠、γ射線、氡及其子體進行防治[1]。其中，氡及氡子體的內(nèi)照射對井下工作人員輻射危害最大。據(jù)統(tǒng)計，礦工職業(yè)照射劑量中由氡及氡子體引起的照射劑量占89.8%，氡及其子體的內(nèi)照射是防治重點[2-5]。因此，掌握氡在鈾礦山井下介質(zhì)中傳輸規(guī)律以及影響氡濃度遷移分布的因素是提高防護水平，控制井下氡濃度不超過國家標準限值的重要前提[6]。

目前，國內(nèi)外未見針對井下通風管道長度變化對氡濃度影響的研究，但英國、荷蘭、印度等國對土壤、混凝土、大理石等材料的氡析出率有較深入研究，且利用流體動力學計算模塊(CFD)模擬了地下室氡遷移全過程以及室內(nèi)222Rn、220Rn及其子體的濃度與三維分布。另外，我國研究者也研究了溫濕度、孔隙度、含水量、風壓等氡析出率影響因素，井下防氡措施的種類及效果，井下通風方式、通風量對氡濃度的影響，這對本研究一些定性分析有指導(dǎo)意義[7-12]。

本研究在完成軟件模擬井下風場現(xiàn)狀，篩選空氣流動性較差位置等前期工作的基礎(chǔ)上，有針對性的改變相應(yīng)位置處通風管道的長度，分析管道長度變化對氡濃度的影響，判斷此措施能否起到降低井下氡濃度，為后續(xù)工程實施提供理論參考。

1 軟件簡介

ANSYS是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，內(nèi)嵌上述各模塊所需的數(shù)學模型。本研究使用的流體模塊，自帶質(zhì)量、動量、能量守恒方程，以及標準k-ε模型、RNGk-ε模型等湍流數(shù)學模型。該軟件由ANSYS公司開發(fā)，能與多數(shù)計算機輔助設(shè)計(CAD)軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中最為廣泛使用的計算機輔助工程(CAE)工具之一，ANSYS Workbench15.0是ANSYS公司出品的新一代仿真平臺，可滿足多種工程的仿真需要[13]。

本研究利用ANSYS Workbench15.0中流體動力學計算模塊(CFD)對礦井進行建模，然后經(jīng)網(wǎng)格劃分、參數(shù)設(shè)置、模型運算后，觀察改變井下通風管長度后對氡運移的影響。

2 鈾礦井下模型建立

2.1 模型建立

本研究以江西某礦井的一個中段為模型進行模擬分析，以開采圖紙為基準，按照1∶1的比例在坐標系中創(chuàng)建模型，繪圖時保證所有巷道均連通。該中段有1個中段車場，1條主巷道，9條主穿，2個采場，詳細參數(shù)列于表1，平面布置及關(guān)注點位情況示于圖1。

理論及前期國內(nèi)外研究成果表明[7-12]，風速、風壓、溫度、濕度均會對井下氡析出率產(chǎn)生影響，預(yù)計本研究中通風管道的變化會對井下整個風場產(chǎn)生影響，進而影響氡濃度。因此，在工程實施前利用ANSYS Workbench15.0軟件驗證管道變化對氡濃度影響的效果。該中段共有9根通風管，本研究建立的模型調(diào)整了其中5根通風管的長度，詳細調(diào)整方式列于表2。

表1 某礦井中段車場、巷道、主穿參數(shù)Table 1 Middle section of a mine yard, roadway, the main wear parameters

圖1 鈾礦井某中段平面布置及模擬點位圖Fig.1 A mid-section uranium mine layout and simulation of bitmap

名稱長度變化前/mm長度變化后/mm通風管直徑/mm主穿1通風管53 13085 000300主穿2通風管46 37084 000300主穿3通風管62 22096 000300主穿5通風管161 000155 000300主穿7通風管47 78044 000300

2.2 網(wǎng)格劃分

由于該中段尺寸較大，故在模型建立過程中，對巷道內(nèi)流體流動影響較小的巷道壁面的凸起、凹陷、折邊等進行光滑化處理。

進行巷道內(nèi)氡濃度擴散模擬計算時，湍流模型采用k-ε模型。對于本模型，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的計算結(jié)果與采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的計算結(jié)果相差不大，在可接受范圍內(nèi)，考慮到計算量及計算資源，采用較為簡單的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行計算。由于通風管道與巷道尺寸有一定差距，因此對通風管壁面區(qū)域進行加密。通風管道長度變化后的模型中一共有3 738 933個節(jié)點，17 541 147個網(wǎng)格元素，模型網(wǎng)格質(zhì)量最小為0.162 7，最大為1，平均值為0.832 62，滿足網(wǎng)格質(zhì)量最小不低于0.1，網(wǎng)格質(zhì)量平均值高于0.80的要求，可進行數(shù)值模擬計算，通風管道長度變化后模型網(wǎng)格劃分情況示于圖2。

圖2 通風管道長度變化后模型網(wǎng)格劃分圖Fig.2 Model grid division diagram after ventilation duct length change

2.3 邊界條件

根據(jù)現(xiàn)場情況及相關(guān)實測數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)學模型和Fluent數(shù)值模擬方法，對區(qū)域網(wǎng)格進行自適應(yīng)等調(diào)試，數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)定如下：湍流模型采用k-ε模型，系統(tǒng)壓力為105 400 Pa；入口邊界為velocity inlet類型(速度入口)，入口速度為1.8 m/s，代表風流以一定速度吹進巷道內(nèi)；水力直徑(等效直徑)為2 m，湍流強度為3.32%；出口邊界為pressure outlet類型(壓力出口)，代表排風井出口為壓力排出，表壓為0 Pa；采場和巷道為mass flow inlet類型，代表氡以一定的析出速率進入計算模型(氡初始濃度為0)。由于采場壁面和巷道壁面的析出率有較大差異，因此依據(jù)圖1中31個點位處分別設(shè)置，不同溫濕度下，礦樣及巖樣氡析出率實測數(shù)據(jù)：采場1處，氡析出率取值0.58 Bq·m-2·s-1(溫度21.5 ℃)，采場2處，氡析出率取值0.55 Bq·m-2·s-1(溫度16.8 ℃)，對于圍巖處(以10點位為例)氡析出率取值0.005 Bq·m-2·s-1(溫度18 ℃)。另外，由于井下壁面較粗糙，采用面積展平法對壁面進行光滑處理，避免氡析出量數(shù)值偏小，但該尺度下壁面是否光滑對整體風場影響較小。

混合物材料設(shè)置為氡氣在空氣中擴散，物質(zhì)輸送的問題在物質(zhì)模型(species model)面板設(shè)置，選擇組分傳輸模型。在軟件的材料庫中，自定義氡氣的輸入?yún)?shù)(1 Bq氡相當于1.77×10-16g)。在材料面板選取自定義的氡氣作為計算材料。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 模擬結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研資料和監(jiān)測數(shù)據(jù)，經(jīng)過多次調(diào)試，最終將通風管入口的邊界條件設(shè)置為風扇入口，壓力為200 Pa，出口為自然流出邊界，通風管中的空氣經(jīng)通風管出口后進入巷道內(nèi)。

參數(shù)設(shè)置完全后，通過ANSYS Workbench15.0軟件CFD模塊計算，通風管長度變化后氡濃度變化情況列于表3。巷道內(nèi)31個點位氡濃度在通風管道長度變化后也發(fā)生了變化。其中，氡濃度降低幅度較大的典型點位，如10點位、20點位的計算結(jié)果示于圖3。

表3 通風管長度變化后氡濃度變化Table 3 The changes in radon concentration after ventilation

3.2 結(jié)果分析

本次研究設(shè)置31個預(yù)測點位，基本均勻分布于主巷內(nèi)，有采場的支巷加密預(yù)測點位，詳見圖1。由表4中統(tǒng)計結(jié)果可知，當通風管道長度發(fā)生變化時，有29個點位氡濃度降低，僅有2個點位氡濃度升高，整體降氡效果較好。

a——10點位通風管長度變化前氡質(zhì)量分數(shù)；b——10點位通風管長度變化后氡質(zhì)量分數(shù)；c——20點位通風管長度變化前氡質(zhì)量分數(shù);d——20點位通風管長度變化后氡質(zhì)量分數(shù)圖3 典型模擬點位氡濃度變化情況a——10 point ventilation pipe length before the change in radon mass fraction; b——10 point ventilation pipe length change;c——20 point ventilation pipe length before the change in radon mass fraction; d——20 point ventilation pipe length changeFig.3 Typical simulated point radon concentration changes

降低幅度<00%～10%10%～20%20%～30%30%～40%40%～50%>50%點位個數(shù)2688421

結(jié)果表明，更改通風管長度可有效降低井下氡濃度。其理論基礎(chǔ)是井下通風措施優(yōu)化導(dǎo)致風場發(fā)生變化，進而優(yōu)化了井下通風效果，降低了氡濃度。本研究提供的方法僅是降氡措施的一種，其他如改變井下通風量，局部涂抹防氡涂料等都會對降氡有一定效果，具體降低數(shù)值需要建模計算，可在工程優(yōu)化措施實施之前對其進行模擬論證，確保工程優(yōu)化措施有效性。

4 結(jié)論

首次利用ANSYS Workbench15.0軟件對某鈾礦山一個中段通風管道長度變化前后的氡濃度情況進行了模擬分析，通過中段整體建模、通風管道模型、網(wǎng)格劃分、參數(shù)設(shè)置、運行計算等，得到了通風管道變化前后的氡濃度模擬結(jié)果。經(jīng)分析，在其他條件不變的情況下，排風管長度變化可有效降低井下氡濃度，該方法可在工程優(yōu)化措施實施前論證其有效性，可為后期實施提供有效依據(jù)。

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