論中國(guó)鈾礦通風(fēng)降氡技術(shù)研究

李先杰，張 哲，胡鵬華

(1.核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149；2.核工業(yè)湖南礦冶局，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

中國(guó)自1958年開(kāi)始建設(shè)鈾礦山至今已有60多年，鈾礦通風(fēng)降氡技術(shù)研究也持續(xù)了約60年。中國(guó)通風(fēng)降氡技術(shù)經(jīng)歷了從學(xué)習(xí)前蘇聯(lián)的壓入式通風(fēng)降氡方式到抽出式通風(fēng)降氡方式的自主研發(fā)和應(yīng)用，從全巷動(dòng)態(tài)法礦井氡析出測(cè)量到氡滲流-擴(kuò)散析出理論的提出，從單一中段開(kāi)采的簡(jiǎn)單通風(fēng)降氡網(wǎng)絡(luò)到多中段同時(shí)開(kāi)采的復(fù)雜通風(fēng)降氡網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，從充填法與留礦法開(kāi)采到無(wú)軌開(kāi)采與原地爆破浸出開(kāi)采的氡析出控制等研究階段。中國(guó)鈾礦通風(fēng)降氡技術(shù)研究可以說(shuō)是從零開(kāi)始，支撐了鈾礦山的建設(shè)與發(fā)展。

在鈾礦井通風(fēng)降氡技術(shù)和管理能力不斷提高、井下采掘作業(yè)面氡濃度持續(xù)下降、作業(yè)輻射環(huán)境得到明顯改善[1]的情況下，重提鈾礦通風(fēng)降氡技術(shù)研究，是為了提高中國(guó)鈾礦通風(fēng)降氡技術(shù)研究的系統(tǒng)性和有效性。

1 中國(guó)鈾礦通風(fēng)降氡技術(shù)研究現(xiàn)狀

中國(guó)鈾礦通風(fēng)降氡走過(guò)了60多年的發(fā)展歷程，做了許多開(kāi)創(chuàng)性的工作，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，鈾礦通風(fēng)防護(hù)取得了明顯的進(jìn)步，同時(shí)也為今后鈾礦通風(fēng)降氡理論取得突破性進(jìn)展做了具體準(zhǔn)備。

1.1 通風(fēng)降氡技術(shù)研究成果

中國(guó)鈾礦通風(fēng)降氡技術(shù)研究始于20世紀(jì)60年代初，前蘇聯(lián)專(zhuān)家撤走之后，鈾礦通風(fēng)降氡面臨“壓入式通風(fēng)漏風(fēng)嚴(yán)重和礦井氡析出測(cè)量值變化巨大”2個(gè)重大問(wèn)題。1966年，為了解決壓入式通風(fēng)漏風(fēng)嚴(yán)重的問(wèn)題，核工業(yè)第三研究設(shè)計(jì)院開(kāi)展了抽出式通風(fēng)方式研究[2]。20世紀(jì)60年代開(kāi)始，中國(guó)鈾礦通風(fēng)設(shè)計(jì)大規(guī)模采用抽出式通風(fēng)方式，雖然解決了漏風(fēng)問(wèn)題；但鈾礦通風(fēng)降氡并未得到明顯的改善，特別是隨著礦井向深部延伸，生產(chǎn)中段增多，抽出式通風(fēng)帶來(lái)入風(fēng)氡污染嚴(yán)重等諸多問(wèn)題。

為了解釋礦井氡析出測(cè)量值變化巨大的問(wèn)題，20世紀(jì)60—80年代，第六研究所對(duì)鈾礦井氡析出率測(cè)量和氡析出機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)研究[3-5]，提出了氡滲流-擴(kuò)散析出原理。

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著國(guó)內(nèi)鈾礦開(kāi)采業(yè)的復(fù)興和對(duì)鈾礦山通風(fēng)降氡和輻射防護(hù)的重視，國(guó)內(nèi)學(xué)者又開(kāi)始了對(duì)鈾礦山通風(fēng)降氡和輻射防護(hù)的研究。周星火等提出了鈾礦山氡滲流預(yù)測(cè)和控制的方法[6]。李先杰探討了原地爆破浸出采場(chǎng)氡析出總量的規(guī)律和其特殊性[7]。鄧文輝提出了無(wú)軌開(kāi)采氡串聯(lián)污染控制方法[8]。李先杰等提出了鈾礦井通風(fēng)方式的判別方法[9]。盡管針對(duì)遇到的問(wèn)題開(kāi)展了相關(guān)研究，鈾礦工平均個(gè)人劑量也從2004年的12.26 mSv/a降至2015年的6.83 mSv/a；但2015年中國(guó)鈾礦井下空氣中的平均氡活度濃度及氡子體α潛能濃度為3.7 kBq/m3和6.9 μJ/m3，依然處于較高水平，與發(fā)達(dá)國(guó)家鈾礦山平均氡活度濃度小于400 Bq/m3存在較大差距。

1.2 通風(fēng)降氡理論突破具備的基礎(chǔ)

1.2.1 思想準(zhǔn)備

對(duì)巖石氡析出的“滲流-擴(kuò)散”解釋已經(jīng)為礦井通風(fēng)降氡技術(shù)人員基本接受。在解決礦井通風(fēng)降氡問(wèn)題的過(guò)程中，不僅注重風(fēng)量稀釋排出作用，也注重風(fēng)壓對(duì)巖石氡析出的抑制-促進(jìn)作用。

1.2.2 組織準(zhǔn)備

設(shè)置了專(zhuān)業(yè)的通風(fēng)降氡研究機(jī)構(gòu)——中國(guó)鈾業(yè)有限公司鈾礦井通風(fēng)防護(hù)技術(shù)支持中心，南華大學(xué)等高等院校也成為研究的主力，人力資源相當(dāng)雄厚，特別是核物理、水文地質(zhì)、放射性物理勘探等專(zhuān)業(yè)的加入，改變了采礦專(zhuān)業(yè)單打獨(dú)斗的局面。

1.2.3 技術(shù)準(zhǔn)備

先進(jìn)的快速氡活度濃度和氡子體α潛能測(cè)量設(shè)備，以及氡析出研究實(shí)驗(yàn)室、氡析出模型的建立為鈾礦通風(fēng)降氡技術(shù)研究做了技術(shù)準(zhǔn)備。一些鈾礦通風(fēng)降氡技術(shù)專(zhuān)著可為后續(xù)發(fā)展提供指導(dǎo)。

2 鈾礦通風(fēng)降氡技術(shù)研究面臨的問(wèn)題

目前中國(guó)鈾礦通風(fēng)降氡設(shè)計(jì)還沒(méi)有建立完整的技術(shù)和理論系統(tǒng)。中國(guó)鈾礦噸金屬通風(fēng)量與世界鈾礦山相比基本相當(dāng)，平均為0.46～1.13 m3/(s·t)；但井下氡活度濃度及氡子體α潛能濃度比澳大利亞和俄羅斯高3～5倍[10]。這就是說(shuō)，中國(guó)鈾礦通風(fēng)降氡的投入產(chǎn)出比只有國(guó)外鈾礦的20%～30%。

中國(guó)鈾礦通風(fēng)降氡技術(shù)研究基本是“頭疼醫(yī)頭腳疼醫(yī)腳”，面臨的問(wèn)題主要有：1)對(duì)井下氡的釋放規(guī)律和氡濃度分布變化規(guī)律認(rèn)識(shí)不足，導(dǎo)致氡的源項(xiàng)分析不準(zhǔn)確；2)已有的鈾礦通風(fēng)降氡技術(shù)研究“碎片化”，未形成以氡滲流-擴(kuò)散理論為基礎(chǔ)的系統(tǒng)性思維；3)理論與實(shí)際結(jié)合不緊密，未根據(jù)鈾礦生產(chǎn)的實(shí)際變化對(duì)理論進(jìn)行補(bǔ)充和深化。

中國(guó)鈾礦通風(fēng)降氡技術(shù)研究已經(jīng)發(fā)展到了應(yīng)該有1個(gè)全面發(fā)展計(jì)劃的階段。全面分析中國(guó)鈾礦通風(fēng)降氡的發(fā)展過(guò)程，其重要意義是明確當(dāng)前存在的和預(yù)計(jì)將要出現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，以便建立全面的鈾礦通風(fēng)降氡技術(shù)發(fā)展計(jì)劃，合理分配資源，提高研究效率，迅速增強(qiáng)中國(guó)鈾礦通風(fēng)降氡的主動(dòng)性[11]。

3 通風(fēng)降氡技術(shù)研究方向

3.1 系統(tǒng)認(rèn)識(shí)井下大氣氡濃度變化規(guī)律

中國(guó)早期鈾礦通風(fēng)降氡設(shè)計(jì)理念源于前蘇聯(lián)，并針對(duì)一些具體問(wèn)題對(duì)前蘇聯(lián)的設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。研究表明鈾礦通風(fēng)可以采用抽出式通風(fēng)方式，并通過(guò)實(shí)測(cè)確定了單位當(dāng)量氡析出率等。

中國(guó)鈾礦開(kāi)發(fā)技術(shù)進(jìn)步較快，但鈾礦通風(fēng)降氡相對(duì)落后，這主要是由于對(duì)礦井中氡運(yùn)移規(guī)律缺乏足夠的認(rèn)識(shí)。在“711礦東礦帶壓入改抽出的試驗(yàn)總結(jié)”中，出現(xiàn)了在氡析出量分析中缺乏對(duì)地下水氡析出量分析的漏項(xiàng)。中國(guó)鈾礦通風(fēng)堅(jiān)持使用抽出式通風(fēng)方式，但對(duì)抽出式通風(fēng)方式使用條件的研究不足，沒(méi)有研究礦井發(fā)展過(guò)程中通風(fēng)條件的變化規(guī)律和通風(fēng)方式的變化情況。這就使得鈾礦通風(fēng)降氡技術(shù)規(guī)范的內(nèi)涵缺乏厚度，給鈾礦通風(fēng)降氡管理帶來(lái)一些困難。

云錫公司老廠七區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)改造運(yùn)用氡析出的滲流-擴(kuò)散理論分析了抽出式通風(fēng)造成礦井氡濃度不降反升的現(xiàn)象，將通風(fēng)系統(tǒng)改造為壓抽聯(lián)合式通風(fēng)方式，取得了降低氡濃度和降低通風(fēng)成本的研究成果[12]。壓抽聯(lián)合式通風(fēng)方式在云際礦井也取得較好效果。

3.2 開(kāi)展系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)的研究

中國(guó)鈾礦通風(fēng)降氡技術(shù)研究一直與改善礦井通風(fēng)狀況相結(jié)合，研究報(bào)告和發(fā)表的論文多是對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的描述。1982年以后，國(guó)內(nèi)才開(kāi)始運(yùn)用氡析出的“滲流-擴(kuò)散”理論解釋鈾礦通風(fēng)降氡中的某些現(xiàn)象。由于理論研究較薄弱和分散，以及理論研究和實(shí)踐的結(jié)合不緊密；理論研究成果不能得到實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，更沒(méi)有機(jī)會(huì)指導(dǎo)實(shí)踐，以至于對(duì)實(shí)驗(yàn)成果的認(rèn)識(shí)不深刻，甚至出現(xiàn)片面性。直到現(xiàn)在，鈾礦通風(fēng)降氡的合理通風(fēng)方式仍是熱門(mén)的討論話題。

中國(guó)鈾礦通風(fēng)降氡的另一重要問(wèn)題是對(duì)礦井氡析出量的基本參數(shù)缺乏系統(tǒng)的實(shí)測(cè)資料。按照《鈾礦井排氡及通風(fēng)技術(shù)規(guī)范》(EJ/T 359—2016)，使用全巷動(dòng)態(tài)法測(cè)量同一座礦井的當(dāng)量氡析出率，測(cè)量結(jié)果的最大值與最小值相差達(dá)4～5倍。這樣的實(shí)測(cè)結(jié)果給使用單位造成極大困難。中國(guó)鈾礦通風(fēng)降氡設(shè)計(jì)只是為通風(fēng)防護(hù)提供了1個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，具體的防護(hù)效果很大程度上取決于礦山經(jīng)營(yíng)者的具體操作。

南華大學(xué)對(duì)巖石模型進(jìn)行的氡析出實(shí)驗(yàn)室研究[13-14]和對(duì)礦井氡析出量變化的實(shí)驗(yàn)觀察[15]是系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)工作。云錫老廠七區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)改造經(jīng)驗(yàn)表明，在礦井通風(fēng)降氡理論的指導(dǎo)下，鈾礦通風(fēng)降氡的可靠性和經(jīng)濟(jì)性會(huì)有大幅提升。

3.3 采用理論聯(lián)系實(shí)際的研究方式

礦井通風(fēng)降氡基本方程是礦井通風(fēng)降氡物理過(guò)程的反映，是分析通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)量變化和風(fēng)壓分布規(guī)律的基本依據(jù)，是設(shè)計(jì)通風(fēng)降氡措施的理論基礎(chǔ)。現(xiàn)有的礦井通風(fēng)降氡基本方程，是根據(jù)老廠七區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)改造經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合礦井氡析出規(guī)律和實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果建立的假設(shè)模型。礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)由入風(fēng)段、用風(fēng)段和回風(fēng)段順序連接組成。入風(fēng)段和回風(fēng)段巖體滲流方向由井下與地面之間巖層中的通風(fēng)壓力梯度控制，用風(fēng)段巖體內(nèi)的滲流方向由入風(fēng)道與回風(fēng)道之間的壓力梯度控制。入風(fēng)段和用風(fēng)段之間的空氣動(dòng)力聯(lián)系構(gòu)成了礦井通風(fēng)降氡基本方程。入風(fēng)段和用風(fēng)段的氡析出規(guī)律則隱藏在方程的背后。

現(xiàn)有的通風(fēng)降氡基本方程可以作為開(kāi)展“鈾礦通風(fēng)降氡理論和技術(shù)體系研究”的起手式。根據(jù)礦井的巖石條件、水文地質(zhì)條件、礦山發(fā)展過(guò)程，建立與礦井通風(fēng)降氡相匹配的試驗(yàn)方法和解釋方法，強(qiáng)化礦井通風(fēng)降氡的獨(dú)立學(xué)術(shù)地位，在強(qiáng)化通風(fēng)降氡可靠性的同時(shí)降低通風(fēng)成本，是提高礦山經(jīng)濟(jì)效益的方向之一。

鈾礦通風(fēng)降氡理論研究的合適場(chǎng)所是現(xiàn)場(chǎng)。在采場(chǎng)氡析出量計(jì)算中，對(duì)采礦作業(yè)平臺(tái)松散體的氡析出量計(jì)算過(guò)程包含的不確定因素最多。松散體的氡析出份額變化大，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較少。松散體的氡析出份額及滲流速度，灑水防塵對(duì)減少松散體氡析出量的效果，以及巖礦體濕度的變化及其對(duì)巖礦體滲透率和擴(kuò)散系數(shù)的影響等，都是具體規(guī)劃礦井通風(fēng)防護(hù)的必要參數(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量、模型模擬之間的差別也是鈾礦通風(fēng)研究的薄弱環(huán)節(jié)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整進(jìn)行通風(fēng)降氡的研究，是發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的途徑。

4 結(jié)語(yǔ)

中國(guó)鈾礦通風(fēng)降氡研究取得一定成果，已建立了礦井通風(fēng)降氡基本方程。采取理論聯(lián)系實(shí)際的方法，開(kāi)展系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)的研究，依靠現(xiàn)有的研究力量完全有能力豐富和完善中國(guó)鈾礦通風(fēng)降氡理論和技術(shù)體系。