某典型火山巖型鈾礦井通風(fēng)降氡及降溫綜合措施分析

陳剛，胡鵬華，李先杰，康劍翹

(核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149)

中國鈾礦開采歷史起步于20世紀(jì)50年代，以常規(guī)開采為主。經(jīng)過60多年的開采，礦山淺部資源接近枯竭，生產(chǎn)作業(yè)逐漸向深部轉(zhuǎn)移。受采礦方法和日常管理等因素的影響，出現(xiàn)了礦井通風(fēng)系統(tǒng)無法適應(yīng)生產(chǎn)需要的問題[1-3]。同時，典型火山巖型鈾礦井隨開采深度的增加，出現(xiàn)了礦井熱害問題。

目前，國內(nèi)外礦井熱害的治理技術(shù)很多，有制冷水降溫、風(fēng)冷降溫和壓氣節(jié)流降溫等，但上述降溫技術(shù)前期投資和后期運行成本均較高。鈾礦井與其他金屬礦井相比，其開采規(guī)模小且井下會持續(xù)不斷的析出有害放射性氣體——氡氣，通常情況下氡氣的析出量不會隨時間的推移而減少?？紤]到運行經(jīng)濟性和鈾礦井自身的特殊性，其降溫控制技術(shù)不能完全照搬國內(nèi)外已有大型礦井的熱害治理方法[4-8]。為此，詳細分析了某鈾礦井下熱害的影響因素，結(jié)合礦井排氡技術(shù)，提出了該鈾礦井排氡與降溫兩者兼顧的綜合措施，為解決礦井生產(chǎn)的排氡與熱害問題提供了合理可行的方法，具有重要的指導(dǎo)意義。

1 某鈾礦井降氡降溫存在的問題

中國鈾礦井通風(fēng)系統(tǒng)的重要任務(wù)是降氡、除塵和排煙，改善井下輻射環(huán)境。自鈾礦冶建立到目前為止，該項研究工作持續(xù)開展近60年，在通風(fēng)技術(shù)、管理以及輻射防護等方面積累了豐富的經(jīng)驗，取得了顯著成效。但是，在60余年的生產(chǎn)中，鈾礦冶各礦井開采深度均在500 m以上。

某鈾礦井，屬典型火山巖型鈾礦井，于20世紀(jì)60年代建礦。當(dāng)前礦山開采進度已接近2期工程的末期，開采深度540 m，共有4個生產(chǎn)作業(yè)中段，年運行12～15個生產(chǎn)采場。礦山3期工程設(shè)計開拓標(biāo)高-450 m，采深接近800 m，采用無軌開采法，盲斜坡道延伸開拓。目前，隨著該鈾礦井開采深度逐步增大，礦井通風(fēng)系統(tǒng)無法適應(yīng)下一步生產(chǎn)情況。同時，由于該礦井屬典型的火山巖型鈾礦井，熱害問題愈加凸顯，需要在原降氡的基礎(chǔ)上考慮降溫問題。

1.1 井下排氡問題分析

隨著礦井生產(chǎn)中段的下移，鈾礦井通風(fēng)系統(tǒng)逐步由小型、簡單化向復(fù)雜化轉(zhuǎn)變，使得通風(fēng)系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)、動力、構(gòu)筑物和日常管理等方面出現(xiàn)一些問題。這些問題進而導(dǎo)致礦井生產(chǎn)中段入風(fēng)污染、采場供風(fēng)量不足、污風(fēng)串聯(lián)等一系列排氡問題。目前，某鈾礦井通風(fēng)系統(tǒng)普遍存在的問題及原因分析如表1所示。

1.2 井下熱害分析

井下溫度在開采過程中受到不同因素的影響，包括自然因素和人為作業(yè)因素。自然因素包括巖溫、地下涌水、地質(zhì)構(gòu)造和地表自然環(huán)境等；人為因素包括采礦機械散熱、機電散熱和爆破釋熱等。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，自然因素在鈾礦井作業(yè)環(huán)境升溫中占據(jù)主導(dǎo)作用，但人為因素也不容忽視。

相對其他鈾礦井，某典型火山巖型鈾礦井在熱害方面表現(xiàn)更為突出，該礦井的熱害影響因素主要有熱水、水電設(shè)備、圍巖和自然環(huán)境。

1.2.1熱水

井下熱水對礦井溫升的影響主要是圍巖間接散熱和涌水直接放熱，其散熱量與涌水量、水溫、排水方式等因素有關(guān)?；鹕綆r型鈾礦井因其地質(zhì)條件的原因，礦井涌水常有熱水且溫度較高。該鈾礦井下-150 m中段南部巷道在開拓時出現(xiàn)熱水，其水溫有時達35 ℃，涌水量1 700 m3/d。

1.2.2機電設(shè)備

隨著鈾礦山機械化程度不斷提高，井下機電設(shè)備散熱也是不容忽視的問題。井下散熱的設(shè)備主要有采掘設(shè)備、柴油鏟運機、水泵和空壓機等。這些設(shè)備在井下運行過程中的熱量全部釋放到作業(yè)空間，并經(jīng)作業(yè)面風(fēng)流帶走。當(dāng)風(fēng)流較小時，會顯著增加作業(yè)面環(huán)境溫度。

1.2.3圍巖

鈾礦井開采深度與其他金屬礦山相比，還未到達深部開采范圍；但火山巖型礦井圍巖溫度隨開采深度變化較快，該礦井在采深至-150 m時圍巖溫度即已接近35 ℃。

1.2.4自然環(huán)境

通常情況地表自然環(huán)境對井下溫度升高影響不大；但該鈾礦井下溫度在其他散熱因素的影響下已接近國家標(biāo)準(zhǔn)限值28 ℃，可供礦井環(huán)境溫度波動的余量很小，在夏季很容易導(dǎo)致井下作業(yè)溫度超標(biāo)。

1.3 礦井熱害對排氡的影響

鈾礦井下熱害因素占據(jù)主導(dǎo)作用的是熱水和機電設(shè)備。它們不僅惡化了井下作業(yè)環(huán)境，同時也給礦井排氡帶來了不利影響，具體表現(xiàn)：1)井下涌水中均含有一定濃度的氡，涌水中的氡會隨著流動釋放到巷道空氣中，而溫度較高的熱水，在蒸發(fā)作用下加劇了這一過程；2)井下作業(yè)面的高溫高濕空氣增加了通風(fēng)阻力，使得作業(yè)面新鮮入風(fēng)量不足，導(dǎo)致氡濃度偏高；3)深部原巖溫度的升高，會進一步促進圍巖中氡的析出[9]。

2 降氡降溫綜合方案

鈾礦井降氡措施主要有通風(fēng)排氡、密閉廢棄空間、調(diào)整氡滲流方向和局部噴涂防氡涂料等。對于礦井熱害防治，根據(jù)熱害產(chǎn)生的原因采取相應(yīng)的措施，主要的降溫技術(shù)有通風(fēng)降溫、新鮮風(fēng)流預(yù)冷、熱源隔離控制、人工制冷和個體防護等。針對某典型火山巖型鈾礦井，在系統(tǒng)分析排氡與降溫方法和充分考慮經(jīng)濟性的基礎(chǔ)上，總結(jié)了通風(fēng)降氡與降溫的綜合措施。

2.1 改變系統(tǒng)通風(fēng)方式

鈾礦井通風(fēng)系統(tǒng)普遍采用的通風(fēng)方式是抽出式通風(fēng)。該鈾礦井隨著生產(chǎn)中段向下推移，通風(fēng)路線增長，通風(fēng)阻力增大。若單純更換大功率主扇風(fēng)機來克服通風(fēng)阻力，因大負壓而導(dǎo)致的上部采空區(qū)漏風(fēng)問題將愈加突出。因此，可以考慮采用接力通風(fēng)或者多級機站的通風(fēng)方式，來克服回風(fēng)阻力，降低主扇風(fēng)壓，減小上部采空區(qū)漏風(fēng)[10-12]。

2.2 優(yōu)化礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)

礦井通風(fēng)路線長、回風(fēng)井?dāng)嗝嫘『筒糠稚a(chǎn)中段風(fēng)流溫度較高等均會導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)阻力增大。因此，礦山應(yīng)減少生產(chǎn)作業(yè)中段，簡化通風(fēng)系統(tǒng)；創(chuàng)造多支路回風(fēng)的條件，進一步降低系統(tǒng)阻力。通過生產(chǎn)中段集中布置和多支路回風(fēng)措施，提高作業(yè)面有效入風(fēng)量，加快換氣頻率，實現(xiàn)排氡與降溫的目的。

2.3 調(diào)整主扇風(fēng)機功率

目前礦井主扇風(fēng)機主要存在的問題：南北兩翼風(fēng)機已超出設(shè)計使用年限，超期服役；風(fēng)機在設(shè)計初期未考慮井下降溫，排風(fēng)量無法滿足生產(chǎn)需求。針對上述問題，礦山應(yīng)結(jié)合通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整，重新校核風(fēng)機功率，計算需風(fēng)量時需充分考慮作業(yè)面的降溫風(fēng)量。

2.4 隔離控制主要熱源

1)熱水。超前疏放水；或采用隔熱管道收集熱水并排放；或采用加裝隔熱蓋板的水溝將熱水引流至水倉。

2)機電設(shè)備。對機電硐室進行獨立供風(fēng)；將空壓機硐室轉(zhuǎn)移至回風(fēng)端或參照六大系統(tǒng)布置于地表；同時避免使用效率低下的機械設(shè)備。

2.5 合理應(yīng)用新技術(shù)通風(fēng)構(gòu)筑物

目前該礦井下使用較為普遍的通風(fēng)構(gòu)筑物是鐵皮風(fēng)門，該類風(fēng)門在人和電機車通過時需手動開關(guān)，密閉性差，給日常通風(fēng)管理帶來諸多不便。因此，礦山可以在行車較為頻繁的巷道安裝無壓撞桿式風(fēng)門或在無軌設(shè)備通行處設(shè)置自動風(fēng)簾。上述2種類型的風(fēng)門密閉性好，能夠?qū)崿F(xiàn)自動開閉，既能夠調(diào)整風(fēng)流又不影響正常行車行人。

3 降氡降溫方案實施效果

3.1 降氡降溫措施實施

根據(jù)當(dāng)前對礦井通風(fēng)系統(tǒng)檢測得到的資料和問題，兼顧礦山3期生產(chǎn)，綜合分析礦井通風(fēng)排氡和降溫方法，主要從通風(fēng)方式、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)和通風(fēng)設(shè)備等方面，提出了以下調(diào)整措施。

3.1.1通風(fēng)方式

采用多級機站通風(fēng)方式，將有效解決漏風(fēng)問題。隨著3期工程啟動，可以在0 m中段南、北回風(fēng)端各加裝1臺抽出式輔扇，與上部主扇聯(lián)動控制，在確保礦井總需風(fēng)量的情況下，解決大負壓造成的漏風(fēng)問題。

3.1.2通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)

減少礦井同時作業(yè)中段數(shù)量，使作業(yè)中段維持在3個左右，簡化通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，增大作業(yè)中段入風(fēng)量；同時，在各中段南、北兩翼回風(fēng)端各增加1條回風(fēng)井，形成多支路回風(fēng)，進一步降低通風(fēng)系統(tǒng)阻力，確保作業(yè)面有足夠風(fēng)量排氡和降溫。

3.1.3通風(fēng)設(shè)備

主扇風(fēng)機重新選型，選型計算時需充分考慮排熱需風(fēng)量，最終在排氡、除塵和排熱等計算風(fēng)量中選取最大值作為設(shè)計需風(fēng)量。

3.1.4其他措施

1)在-150 m中段最南端設(shè)置臨時熱水收集倉，將上中段與-150 m中段的熱水匯集于倉中，然后采用水泵+隔熱管道的方式，將熱水經(jīng)回風(fēng)井排至上部水倉，緩解熱水對作業(yè)環(huán)境的散熱。

2)將-150 m中段井底車場附近的空壓機調(diào)整至回風(fēng)端或結(jié)合六大系統(tǒng)將空壓機放置在地表，避免空壓機散熱對礦井入風(fēng)的加熱。

3)下一步3期工程開拓時，因通風(fēng)系統(tǒng)尚未形成，獨頭掘進面的通風(fēng)排熱困難，可以考慮引入小型局部降溫設(shè)備，有效改善作業(yè)面環(huán)境，但使用時需注意避免因污風(fēng)循環(huán)導(dǎo)致的氡濃度超標(biāo)問題。

3.2 應(yīng)用效果

依據(jù)提出的方案，結(jié)合生產(chǎn)情況對通風(fēng)系統(tǒng)開展了一系列的調(diào)整工作，目前完成了通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的部分調(diào)整和熱水的治理。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，調(diào)整工作取得了良好效果。

3.2.1通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)

礦井暫停了0 m中段以上的作業(yè)，同時作業(yè)的生產(chǎn)中段數(shù)量減少至3個，并在各生產(chǎn)中段的北翼回風(fēng)端增加1條回風(fēng)井。通過上述調(diào)整后，通風(fēng)系統(tǒng)有效風(fēng)量率在總回風(fēng)量不變的情況下得到明顯提高，如圖1所示，圖中虛線為調(diào)整后的“總回風(fēng)量”和“有效風(fēng)量率”的變化趨勢。

圖1調(diào)整前后“總回風(fēng)量”和“有效風(fēng)量率”變化趨勢

3.2.2熱水

礦山將-100 m南部熱水通過管道經(jīng)回風(fēng)天井自流至-150 m中段，與該中段涌水一并匯集于臨時熱水收集倉中，最終通過PVC管道(包裹隔熱材料)泵送至上部水倉；同時，充分利用地表空壓機制造壓縮空氣，縮短-150 m中段空壓機運行時間。-150 m中段南主巷末端為臨時熱水倉，無人作業(yè)。通過上述調(diào)整，有效降低作業(yè)面環(huán)境溫度。調(diào)整前后-150 m中段各區(qū)域的環(huán)境溫度變化如圖2所示。

圖2 熱水治理前后-150 m中段環(huán)境溫度變化趨勢

通過通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整和熱害的局部治理，礦井通風(fēng)系統(tǒng)阻力下降，生產(chǎn)中段入風(fēng)量增大，作業(yè)面氡濃度降低，作業(yè)環(huán)境溫度降至規(guī)范限值28 ℃以下，調(diào)整工作取得一定成效。

4 結(jié)論

針對某典型火山巖型鈾礦井通風(fēng)降氡出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜化、動力不足、風(fēng)量利用率降低以及出現(xiàn)的熱害問題，采用降氡與降溫并舉的手段，通過改變通風(fēng)方式、簡化通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)、調(diào)整通風(fēng)設(shè)備、優(yōu)選通風(fēng)構(gòu)筑物和控制熱源等一系列綜合調(diào)整措施，使得該鈾礦井下的氡濃度與作業(yè)環(huán)境溫度下降至國家要求限值以內(nèi)。該方法在鈾礦井實際應(yīng)用中取得了良好效果，可在其他類似鈾礦企業(yè)中推廣和應(yīng)用。

致謝：本項目研究過程中得到中核韶關(guān)錦原鈾業(yè)有限公司譚建華、劉再道的大力支持和幫助，在此表示感謝！