掘進(jìn)工作面氡氣來(lái)源分析和關(guān)鍵治理技術(shù)研究

彥 鵬工程師 胡全宏

(1.國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司 雙馬煤礦，寧夏 靈武，750408；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 興城，125100)

0 引言

2011年4月20日，雙馬煤礦緩坡副斜井掘進(jìn)工作面在掘進(jìn)施工至1022m處迎頭底板出現(xiàn)氣體，迎頭停止施工。對(duì)迎頭底板巖層進(jìn)行打鉆取樣，經(jīng)取樣分析化驗(yàn)氣體成分為氡及氡子體，濃度超過(guò)國(guó)家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。氡及氡子體的突然增大，給掘進(jìn)工作面的安全帶來(lái)了極大的隱患。

氡氣無(wú)色無(wú)味，自然界中的氡是由鐳衰變產(chǎn)生，是人類所接觸到的唯一氣體放射性元素[1]。由于氡是放射性氣體，當(dāng)人吸入肺部后，氡衰變過(guò)程產(chǎn)生的α粒子可在人的呼吸系統(tǒng)造成輻射損傷，可誘發(fā)肺癌、白血病等惡性疾病，甚至死亡[2-6]。

因此，開展掘進(jìn)工作面特殊地層氡氣來(lái)源、運(yùn)移規(guī)律和關(guān)鍵治理技術(shù)等內(nèi)容研究，以理論指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)，從而有效治理特殊地層影響范圍內(nèi)氡氣所帶來(lái)的人員傷亡及礦井安全隱患等，對(duì)保護(hù)作業(yè)人員身心健康及保障礦井安全具有重要意義。

1 礦井及掘進(jìn)工作面概況

1.1 礦井概況

雙馬煤礦位于寧夏回族自治區(qū)靈武市東南約60km處。礦井范圍：北與鴛鴦湖礦區(qū)的麥垛山、紅柳井田相鄰；南與金鳳井田相鄰；西以李新莊斷層為界；東至馬柳斷層。

礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力400萬(wàn)噸/年，服務(wù)年限106.4年。井田東西寬4.0～4.9km，南北長(zhǎng)13.7km，面積約68.2km2，礦井總地質(zhì)資源量1459.21Mt，設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量595.72Mt。井田內(nèi)共有可采煤層11層，主要可采煤層7層，分別為4-1、4-2、4-3、6、10、12、17煤，目前正在開采的煤層為4-1、4-2煤層。

1.2 掘進(jìn)工作面概況

緩坡副斜井擔(dān)負(fù)全礦井人員、設(shè)備及材料等輔助提升任務(wù)，為礦井的主要進(jìn)風(fēng)井，同時(shí)兼作安全出口。設(shè)計(jì)長(zhǎng)度4408.5m，于2009年10月16日開工建設(shè)，預(yù)計(jì)2013年9月30日施工到位，如圖1。

圖1 副斜井井筒掘進(jìn)位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the driving position of the sub-inclined shaft

2 氡氣的性質(zhì)、危害

氡元素符號(hào)為Rn，原子序數(shù)是86，位于元素周期表中第六周期，零族。氡氣分子是氡原子的單原子分子，氡氣是氣體中最重的一個(gè)，也是唯一一個(gè)常規(guī)條件下全部由放射性同位素構(gòu)成的氣體。氡氣無(wú)色、無(wú)臭、無(wú)味。在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下，氡是一種單原子氣體，密度為9.73kg/m3。氡是密度最高的稀有氣體，也是室溫下密度最高的氣體之一。在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下無(wú)色，但在冷卻至冰點(diǎn)202K(-71℃)以下后會(huì)因放射性發(fā)光，隨溫度降低而從黃色漸變?yōu)殚偌t色。在凝結(jié)之后，氡同樣會(huì)因放射性發(fā)光。

氡是世界衛(wèi)生組織(WHO)公布的19種主要致癌物質(zhì)之一，是僅次于香煙引起人類肺癌的第二大元兇。國(guó)際癌癥研究署(IARC)認(rèn)為氡及其子體是人類的致癌因子，無(wú)閾值。氡的生物學(xué)效應(yīng)主要集中在呼吸道腫瘤、肺纖維化、肺氣腫和壽命減少方面。人體各器官受到氡子體輻射劑量的程度是不同的，其中肺部受到的劑量最大。

氡對(duì)人類的健康影響表現(xiàn)為確定性效應(yīng)和隨機(jī)效應(yīng)。確定性效應(yīng)表現(xiàn)為：在高濃度氡的暴露下，機(jī)體出現(xiàn)血細(xì)胞的變化：如外周血液中紅細(xì)胞增加，中性白細(xì)胞減少，淋巴細(xì)胞增多，血管擴(kuò)張，血壓下降，并可見到血凝增加和高血糖。氡對(duì)人體脂肪有很高的親和力，特別是神經(jīng)系統(tǒng)與氡結(jié)合產(chǎn)生痛覺缺失。隨機(jī)效應(yīng)主要表現(xiàn)為腫瘤的發(fā)生，由于氡是放射性氣體，當(dāng)人們吸入后，氡衰變過(guò)程產(chǎn)生的α粒子可在人的呼吸系統(tǒng)造成輻射損傷，誘發(fā)肺癌。流行病學(xué)研究表明：氡及其衰變子體的吸入是礦工肺癌發(fā)病的重要原因。

3 氡氣來(lái)源

3.1 氡氣的確定

雙馬煤礦緩坡副斜井于2011年4月20日累計(jì)掘進(jìn)1022m時(shí)，巷道層位為侏羅系直羅組中粗砂巖層，當(dāng)天早班發(fā)現(xiàn)緩坡副斜井迎頭巷道底板積水中有氣泡冒出，迎頭停止施工，如圖2、3。4月20日、4月22日、23日雙馬煤礦通風(fēng)隊(duì)、寧夏核工業(yè)地質(zhì)勘查院在副斜井中收集氣體，經(jīng)檢測(cè)化驗(yàn)空氣氡濃度為632.7～69008.7Bq/m3，平均濃度為19138.2Bq/m3；水中氡濃度為7.4～14.8Bq/L，劑量限值為2700Bq/m3(空氣氡濃度)，最后確定為氡氣。同時(shí)對(duì)井下輻射性物質(zhì)檢測(cè)，初步判定氡氣是鈾礦層中的鈾物質(zhì)在衰變過(guò)程中產(chǎn)生鐳，鐳再裂變產(chǎn)生氡氣。

圖2 副斜井井筒斷面巖層圖Fig.2 Stratum diagram of wellbore section of the sub-inclined shaft

圖3 副斜井井筒探氣鉆孔布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of layout of borehole for gas exploration in the sub-inclined shaft

3.2 來(lái)源分析

經(jīng)過(guò)地面鉆探取芯檢測(cè)和施工過(guò)程中檢測(cè)分析，礦井有害氡氣主要來(lái)源于灰白色砂巖巖層，與下伏土黃色泥質(zhì)砂巖接觸部位灰色含礫砂巖為放射性γ偏高層，厚10～30cm，γ輻射量率為143～311nGy/h，放射性活度238U為401.8Bq/kg，232Th為71.7Bq/kg，表明鈾是放射性主要源，白色砂巖巖層孔隙度大，有利于氡氣流動(dòng)，本層位已基本穿過(guò)，底部與周壁已被混凝土澆灌，高氡濃度大部分已被屏蔽，還有少量可慢速逸出。巷道迎頭工作面上部為土黃、紫紅色泥質(zhì)砂巖層，γ輻射量率為82～153nGy/h，屬正常本底，氡析出率低，形不成氡源，形不成放射性危害；巷道迎頭工作面下部為土黃色砂巖層，γ輻射量率為102～149nGy/h，屬正常本底，氡析出率偏高，為現(xiàn)階段副礦井掘進(jìn)氡主要來(lái)源，放炮前氡濃度為230Bq/m3左右，放炮后氡濃度為500Bq/m3左右，在通風(fēng)不利的情況下氡濃度就會(huì)出現(xiàn)偏高，說(shuō)明氡氣危害隨時(shí)存在，防護(hù)工作不能放松，特別是通風(fēng)量絕對(duì)不能減少。

4 掘進(jìn)工作面氡氣關(guān)鍵治理技術(shù)

通過(guò)理論研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際考察，掘進(jìn)工作面過(guò)氡氣特殊地層期間主要采取“噴、涂、增、降、檢、撤、護(hù)”七字關(guān)鍵治理技術(shù)。具體如下：

(1)噴——對(duì)氡氣擴(kuò)散層巷道噴漿支護(hù)，封堵氡氣擴(kuò)散。掘進(jìn)工作面迎頭氡氣擴(kuò)散層采用29#“U”型鋼拱架+雙層鋼筋網(wǎng)+噴射砼300mm支護(hù)，地坪采用400mm厚的C30單層鋼筋混凝土。

(2)涂——對(duì)氡氣擴(kuò)散層、生成層噴涂偏氯共聚乳液覆蓋層。掘進(jìn)工作面迎頭氡氣擴(kuò)散層圍巖噴涂防氡覆蓋層(采用偏氯共聚乳液)，噴涂厚度大于2mm，對(duì)裂隙發(fā)育地段噴涂2-3次，有效降低氡氣逸散。氡氣生產(chǎn)層噴涂防氡覆蓋層，首先對(duì)迎頭矸石堆以上的裸露巖壁噴涂防氡覆蓋層，出渣結(jié)束后再對(duì)矸石堆下部的巖壁噴涂防氡覆蓋層，噴涂厚度大于2mm。

(3)增——增加工作面風(fēng)量，稀釋氡氣。緩坡副斜井井筒內(nèi)增加一趟直徑1m風(fēng)筒，并配備兩臺(tái)2×30kW風(fēng)機(jī)向井下掘進(jìn)工作面供風(fēng)，形成兩趟風(fēng)筒(另一趟為直徑0.8m風(fēng)筒配合兩臺(tái)2×18.5kW風(fēng)機(jī)使用)向井下掘進(jìn)工作面供風(fēng)，供風(fēng)量不小于800m3/min。掘進(jìn)工作面增加風(fēng)量情況下各測(cè)點(diǎn)氡氣濃度含量(通風(fēng)效果)，見下表。

(4)降——降低循環(huán)進(jìn)度，降低作業(yè)人員作業(yè)時(shí)間。由原“三·八”制改為“四·六”制作業(yè)，每班作業(yè)時(shí)間6小時(shí)，每圓班完成一個(gè)循環(huán)，進(jìn)尺1.6m，日進(jìn)度1.6m，減少氡氣逸散量。

(5)檢——加強(qiáng)氡氣檢測(cè)。利用配置的FD216型、DHZM-2型測(cè)氡儀、FD-3013、JB4000A型智能化X-γ輻射儀、BS9511 X、γ輻射劑量檢測(cè)儀、FD-3017水及土壤測(cè)氡儀，按照檢測(cè)安排(打眼前、打眼中、打眼后、放炮后、噴涂防氡材料后、永久支護(hù)后)定時(shí)檢測(cè)掘進(jìn)工作面、井筒中部500m處、風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口、風(fēng)機(jī)出風(fēng)口附近風(fēng)流中的氡氣及子體濃度。

表 副斜井井筒內(nèi)各測(cè)點(diǎn)氡氣含量及γ輻射劑量率Tab. Radon gas content and γ radiation dose rate at measured points in the sub-inclined shaft

(6)撤——異常情況及時(shí)撤人。工作面迎頭及其它作業(yè)地點(diǎn)風(fēng)流中氡氣及子體濃度、γ照射量率符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(風(fēng)流中Rn-222濃度不大于2.7kBq/m3，Rn-222子體α潛能濃度不超過(guò)5.4μJ/m3)時(shí)，方可施工；當(dāng)氡氣及子體濃度超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，必須立即停止工作，及時(shí)撤出作業(yè)人員。

(7)護(hù)——加強(qiáng)個(gè)體防護(hù)。在掘進(jìn)工作面所有作業(yè)人員，必須佩戴完好的隔離式自救器、防輻射服，配戴防氡呼吸器或面具等防護(hù)設(shè)備。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)理論研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際考察，提出掘進(jìn)工作面過(guò)氡氣特殊地層期間“噴、涂、增、降、檢、撤、護(hù)”七字關(guān)鍵治理技術(shù)體系，通過(guò)噴漿堵漏、噴涂防氡覆蓋層、增大掘進(jìn)工作面通風(fēng)量、降低循環(huán)進(jìn)度、加強(qiáng)檢測(cè)預(yù)報(bào)等主動(dòng)防控措施，順利通過(guò)了氡氣特殊地層，應(yīng)用效果良好，確保了礦井安全生產(chǎn)。

(2)今后要采取壓入式或“長(zhǎng)壓短抽”通風(fēng)方式。氡氣濃度與礦井的通風(fēng)方式、通風(fēng)壓力、風(fēng)速等有直接關(guān)系。在圍巖破碎、裂隙發(fā)育的情況下，采用壓入式通風(fēng)可以減少或降低氡氣濃度。加強(qiáng)礦井水、水倉(cāng)和污水的管理和處理，并定期開展密閉、水倉(cāng)等地點(diǎn)氡氣濃度監(jiān)測(cè)。