CC BY
31
Науки о Земле
УДК 622.349.500.2.2:622.8
Воронов Евгений Тимофеевич Evgeny Voronov
Шурыгин Сергей Вячеславович Sergey Shurygin
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ПОДЗЕМНЫХ ГЕОТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ УРАНОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ С УЧЕТОМ РАДИАЦИОННОГО ФАКТОРА
PROSPECTS OF UNDERGROUND GEOTECHNOLOGIES DEVELOPMENT FOR
URANIUM DEPOSITS MINE TAKING INTO ACCOUNT RADIATION FACTOR
Дан анализ применяемых систем разработки урановых месторождений с точки зрения радиационной безопасности. Описан механизм фильтрационных процессов выделения радона в рудничную атмосферу. Дано обоснование эффективности компрессионного проветривания очистных блоков, значительно снижающих дебит радона и улучшающих радиационную обстановку на подземных горных работах
Ключевые слова: урановые месторождения, радон, системы разработки, радиационная безопасность, общешахтное проветривание, фильтрационные процессы
The analysis of systems used for uranium deposits mine in terms of radiation safety is given. A mechanism of filtration processes of radon release into the mine atmosphere is described. The substantiation of ventilation treatment units' compression efficiency, significantly reducing the production rate of radon is presented which improves radiation situation during underground mining operations
Key words: uranium, radon, authoring systems, radiation and health safety, mine ventilation, f iltration processes
ОАО «ППГХО» является крупнейшим в мире и единственным в России горнохимическим комплексом по добыче и переработке урановых руд. Представляя собой объект стабильной добычи урана, месторождения Стрельцовского рудного поля характеризуются разнообразием параметров залегания рудных тел, проявлением целого ряда неблагоприятных горно-гео-
логических факторов (тектоническая на-рушенность рудных тел и рудовмещающих пород, высокая радонообильность рудных залежей, возрастающая опасность проявления горных ударов при отработке нижних горизонтов месторождений и зачастую усложнением горно-геологических условий разработки в процессе эксплуатационных работ на длительно действующих урановых
рудниках, что создает предпосылки к снижению технико-экономических показателей [1].
Разрабатываемые подземным способом урановые месторождения Забайкалья на современном этапе представляют собой один из наиболее сложных объектов геотехнологии, для которого особенно важна опережающая постановка и решение научно-технических проблем, разработка комплексных и взаимосвязанных технологических решений по всем основным видам, элементам и процессам подземных горных работ.
Базовая технология, основанная на доминирующем использовании затратной слоевой нисходящей системы разработки с твердеющей закладкой, может оказаться нерентабельной при отработке бедных и средних урановых руд.
Грядущее снижение запасов урановых руд с высоким содержанием металла предопределяет необходимость максимально возможного перехода на подземных горных работах ОАО «ППГХО» на более экономичные и высокопроизводительные системы разработки с массовой отбойкой руды скважинами, а также на подземное блоковое выщелачивание. Важнейшим фактором, который необходимо учитывать, является радиационная опасность, связанная с высокой радонообильностью в зоне очистных работ, а следовательно, с высокой воздухо-потребностью систем с открытым выработанным пространством [2-6].
Результаты технико-экономических исследований позволяют дать сравнительную характеристику рассматриваемым системам разработки по радиационной опасности.
Нисходящая слоевая выемка с твердеющей закладкой, а также близкие к ней по конструкции системы «восходящая слоевая выемка» и «заходки по восстанию» имеют несомненные преимущества перед камерными системами как по затратам на проветривание, так и по влиянию на общую радиационную обстановку в руднике.
Факторами, обеспечивающими преимущество этих систем, являются:
— низкие показатели радоновыделе-ния и минимальная воздухопотребность, объясняемые небольшим объемом рабочего пространства блоков, значительными размерами рудных целиков, меньшей на-рушенностью рудного и породного массива скважинами и вторичными трещинами от буровзрывных работ, отсутствием замага-зинированной руды;
— лучшая управляемость схемы проветривания и возможность выдавать исходящую струю по одному из парных штреков верхнего горизонта без проходки специального вентиляционного коллектора;
— малые потери урана и, как следствие — небольшой «паразитный» дебит радона отработанных слоев;
— существенно меньшая мощность дозы внешнего у-излучения в связи с наличием в кровле и в стенках горных выработок твердеющей закладки.
Система блокового магазинирования характеризуется небольшими затратами на проветривание блока (из-за малого рабочего объема очистной ленты), однако, высокие значения удельного радоновыделения, связанные с наличием в блоке большого количества отбитой руды, делают эту систему потенциально опасной при многогоризонт-ной отработке и отсутствии вентиляционных коллекторов и, кроме того, невыгодной в плане обеспечения воздухопотребности рудника в целом.
Камерные системы разработки с твердеющей закладкой ( подэтажные штреки и подэтажное магазинирование) имеют высокие значения всех показателей, характеризующих радиационную опасность. Дебит радона блоков этих систем по сравнению с блоками, отрабатываемыми нисходящей слоевой выемкой, больше в 3,5 раза по абсолютной величине и в 2,2 раза — в расчете на 1 т годовой добычи, а проветриваемый объем — больше примерно в 3 раза. Возду-хопотребность блоков камерных систем составляет в среднем около 50 м3/с и, как правило, не обеспечивается из-за недостаточной пропускной способности восстающих.
Высокая интенсивность радоновыделе-ния в блоках камерных систем разработки
связана с большой изрезанностью рудного массива подэтажными выработками и веерами скважин, а также с увеличением трещи-новатости массива при скважинной отбойке. Мощным дополнительным источником радона служит замагазинированная руда.
Система подэтажного обрушения имеет особенно высокие показатели радоновы-деления и неприемлемые затраты на проветривание. Очистное пространство блоков имеет аэродинамическую связь с зоной обрушения, где выделяется значительное количество радона из потерянной и забалансовой руды, а также из радия, содержащегося во вмещающих породах. Полностью исключить поступление радона из зоны обрушения в действующие выработки крайне сложно даже при нагнетательном способе проветривания, так как изолирующие перемычки нередко теряют герметичность или разрушаются после массовых взрывов.
Проведенный анализ показывает, что основным лимитирующим фактором при внедрении высокопроизводительных систем разработки урановых залежей с массовой отбойкой является радиационный фактор, т.е. высокая радонообильность очистных работ. Одним из реальных путей решения данного вопроса является изыскание аэродинамических методов снижения дебита радона в зоне проведения очистных работ.
Одним из реальных путей повышения экономичности общешахтного проветривания урановых рудников является снижение общерудничного дебита радона, а следовательно, и снижение необходимого количества подаваемого свежего воздуха.
Радиационная обстановка в руднике формируется в основном в зоне очистных работ. Именно здесь выделяется более 80 % общерудничного дебита радона. Основными источниками радона является обнаженная рудная поверхность и замагазини-рованная отбитая руда [5, 6, 7].
Рассматривая процесс выделения радона в рудничную атмосферу, его можно разделить на три этапа [5, 7, 9, 10].
На первом этапе происходит эманиро-вание радона, т.е. выделение его из крис-
таллической решетки минералов в свободное состояние в поры горных пород.
На втором этапе радон диффундирует в порах и микротрещинах отдельностей рудного массива. За время диффузии часть радона распадается, поэтому в макротрещины между отдельностями попадает только часть свободного радона. Доля радона, выделяющегося в трещины, зависит от коэффициента диффузии радона в отдельнос-тях и от их размеров.
На третьем, заключительном этапе процесса, происходит фильтрационно-диф-фузное распространение радона по макротрещинам рудного и породного массивов. Доля радона, выносимого из трещин в горные выработки, зависит, главным образом, от скорости фильтрации воздуха по трещинам, которая определяется проницаемостью массива и перепадом давления воздуха между горными выработками.
Процесс радоновыделения, диффузионно-фильтрационный перенос радона по макротрещинам рудного массива описывается уравнением (ось У расположена по
направлению фильтрационного потока воздуха)
dC
—^ + Ртр - ЛСТР = 0 , (1) ау ау
где К Тд— коэффициент диффузии радона в трещинах, см2/с;
Уф — истинная скорость фильтрационного потока воздуха в трещинах, см/с.
СТР — концентрация радона в макротрещинах, Бк/см3;
рТр — удельное радоновыделение в единицу объема трещин, Бк/(см* см3); d — диаметр капилляров (> 100 мкм); Л — постоянная распада радона, равная 2,1 • 10-6/С.
Анализ уравнения показывает, что механизм переноса радона в трещинах массива близок к чисто фильтрационному.
Следовательно, фильтрационные потоки воздуха в горном массиве, возникающие под действием перепада давления воздуха между горными выработками, значительно увеличивают интенсивность радоновыделе-ния. Это обстоятельство необходимо учи-
а2 С
ТР ы
КД , 2 ~Vi
тывать при прогнозировании и управлении дебитом радона.
Скорость фильтрационного потока воздуха в горном массиве определяется в соответствии с законом Дарси выражением
у = КПР АР, Ф т8ЬЛв
(2)
где Кпр — коэффициент проницаемости массива, см2;
АР — перепад барометрического (статического) давления воздуха между горными выработками, Па;
ш8 — трещинная пустотность массива, рассчитанная по площади, отн. ед.;
ПВ — динамическая вязкость воздуха, равная 1,810-5Пас при 15...2 °С.
На основании анализа приведенных зависимостей предложен аэродинамический метод снижения дебита радона, основанный на компрессионном способе проветривания очистных блоков, т.е. под повышенным подпором главного вентилятора. Повышенное давление воздуха в ра-
бочих блоках будет препятствовать активной фильтрации радона из обнаженного массива радиоактивных руд и выработанного пространства.
Для оценки влияния блоковой депрессии ( положительного подпора главного вентилятора) на дебит радона были выполнены специальные исследования. Экспериментальные работы были поставлены в блоке 1014 на горизонте 10 рудника «Глубокий» ОАО ППГХО.
Для создания искусственного подпора вентилятора в блоке 1014 на горизонте 9 была сооружена вентиляционная дверь с регулируемым окном. Замеры дебита радона были проведены при трех положениях двери: сечение — 2 м2; сечение — 4 м2 и при полностью открытой двери — 8 м2.
При каждом положении двери замерялись: уровень радона Ип • 1010, Бк/м3; ЭРОА, Бк/м3; искусственный дополнительный подпор блока — АИ; блоковый расход воздуха — Q м3/с. Результаты шахтных замеров приведены в табл. 1.
Таблица 1
Результаты шахтных радиационных замеров за блоком № 1014
Сечение вентиляционного окна S, м2 Блоковый расход воздуха Q, м3/с Подпор блока А^ мм вод. ст. Концентрация радона Бк/м3 Блоковый дебит Д„п, кБк/с ЭРОА Е^ Бк/м3 Коэффициент сдвига F
2,0 20,0 16 4397 96,7 2687 0,61
4,0 30,0 10 5768 184,5 1752 0,30
8,0 (дверь откр.) 50,0 0 7840 392,0 2454,0 0,31
Анализ табл. 1 показывает, что для каждого блока существует рациональный режим проветривания с оптимальным соотношением между блоковым расходом воздуха и положительным подпором. Так, для блока 1014 оптимальный режим проветривания по радоновому фактору составляет дополнительный подпор — 10 мм при расходе воздуха 30 м3/с (при сечении подпорного окна 4 м2). При дальнейшем уменьшении сечения подпорного окна до 2 м2 и снижении расхода до 20 м3/с бло-
ковый дебит радона снижается. Однако за счет увеличения времени выноса радона из очистных заходов ЭРОА повышается. При полном открытии вентиляционных дверей и нулевом искусственном подпоре блоковый дебит радона резко возрастает и даже при большом расходе воздуха (50 м3/с) уровень ЭРОА в 2 раза превышает ПДК.
Зависимость средней концентрации ЭРОАИп в блоках урановых рудников ОАО «ППГХО» обусловленная общешахтной депрессией, четко прослеживается по дина-
мике радиационной обстановки на подзем- 2010 г., усредненный блоковый общешахтных работах за 2006-2010 гг. (табл. 2). По ный подпор находился на уровне 30.. .40 мм данным воздушно-депрессионной съемки вод. ст.
Таблица 2
Динамика средней концентрации ЭРОА№ и № в блоках рудников «Глубокий» и № 1 за 2006-2010 гг., Бк/м3
Блок, наименование РОФ 2006 г. 2007 г. 2008 г. 2009 г. 1 п/г 2010 г.
Бл. 5-533 ЭРО\ - 2604 2340 1296 444
Рп*1010 - 2,38 1,68 1,61 0,21
Бл. 4а-706 ЭРО\, 2796 1380 1740 1032 768
РП*1010 1,75 3,99 2,59 1,68 0,77
Бл.5-608 ЭРО\, 912 540 672 648 624
РП*1010 1,33 0,98 1,05 0,91 0,56
Бл.6а-1010 ЭРО\, - 492 636 612 756
РП*1010 - 1,68 1,82 1,26 0,91
В результате разработки и внедрения оптимальных режимов общешахтного проветривания концентрация радона и ЭРОА в рабочих блоках в среднем снижена в 2.4 раза. Например, в блоке 5-533 при повы-
шении блоковой депрессии с 35 до 70 мм вод. ст. ЭРОАКп снижена с 2600 до 450 Бк/ м3 (при норме 1200 Бк/м3), а концентрация радона снизилась с 2,381010 до 0,211010, т.е. практически в 10 раз.
Участки вентиляционной сети
Распределение депрессии (напора) ГВУ-2В в вентиляционной сети рудника № 1:
1 - фактическое состояние; 2 - при переносе вентиляционных окон с входящей на исходящую ветвь
На рудниках ОАО «ППГХО», имеющих условия для организации компрессионного высоконапорные главные вентиляционные проветривания рабочих горизонтов [3, 7]. установки (ГВУ), имеются благоприятные На рисунке приведена усредненная депрес-
сиограмма вентиляционной ветви рудника № 1 через V горизонт. Как видно из графика, 80 % всей депрессии (напора) вентилятора теряется на входящих воздухоподаю-щих выработках (вентиляционный ствол и вентиляционный квершлаг), 5 % на рабочих горизонтах и блоке и 15 % на исходящих ветвях. Особенно высокие потери напора вентилятора имеют место в главных вентиляционных квершлагах горизонтов, где установлены регулирующие вентиляционные окна (кривая 1 на рисунке).
Напор вентилятора в районе очистных блоков составляет всего 30.40 мм вод. ст. При переносе регулирующих окон на исходящие ветви положительный подпор главных вентиляторов в зоне очистных работ может быть повышен до 150.200 мм вод. ст., что позволит в несколько раз уменьшить дебит радона в рудничную атмосферу и создать благоприятные предпосылки для внедрения высокопроизводительных систем разработки с массовой отбойкой руды и открытым выработанным пространством.
Литература_
1. Галинов Ю.Н., Култышев В. И., Овсейчук В.А. О развитии технологий горнодобывающего комплекса уранового производства // Горный вестник. 1998, № 3. С. 12-17.
2. Воронов Е.Т. Проблемы радиационной безопасности на урановых рудниках // Кулагинские чтения: матер. VII Всеросс. науч.-практ. конф. Чита: ЧитГУ, 2007. Ч. 1.
3. Воронов Е.Т., Галинов Ю.Н. Аэродинамические методы борьбы с радоном на урановых рудниках // Вестник МАНЭБ. Т. 9, № 6. СПб. - Чита, 2004. С. 219-223
4. Овсейчук В.А. Особенности подземной добычи руд радиоактивных металлов. Чита: ЧитГУ, 2000. 111 с.
5. Павлов И.В., Покровский С.С., Камнев Е.Н. Способы обеспечения радиационной безопасности при разведке и добыче урановых руд. М.: Энергоатомиздат, 1994. 256 с.
6. Марковец В.В., Шевченко О.А. Обеспечение радиационной безопасности при добыче и переработке урановых руд // Горный журнал. М., 2008, № 8. С. 67-70.
7. Воронов Е.Т., Куимов А.В., Поздняков Ю.Е. Совершенствование вентиляции урановых рудников Забайкалья // Вестник МАНЭБ. СПб., № 10 (34), 2001. 101-106 с.
8. Ахмет В.Х., Кабанцев А.И., Воронов Е.Т. Проветривание геологоразведочных выработок. М.: Недра, 1986. 285 с.
9. Шашкин В.П., В.П. Шашкин, Пруткин М.И. О механизме эманирования радиоактивных руд и минералов. М.: Атомная энергия, 1970, Т. 29. Вып. 1. С. 105-109.
References
1. Galinov Yu.N., Kultyshev V.I., Ovseychuk V.A. Gorny vestnik. (Mining Bulletin). 1998. no 3. P. 12-17.
2. Voronov E.T. Kulaginskie chteniya: mater. VII Vseross. nauch.-prakt. konf. (Kulagin readings: Mater. VII All-Russian scientific-practical. conf).Chita: ChitGU, 2007. Ch. 1.
3. Voronov E.T., Galinov Yu.N. Vestnik MANEB. (Bulletin of MANEB). Vol. 9. No 6. SPb. Chita, 2004. P. 219-223.
4. Ovseychuk V.A. Osobennosti podzemnoy dobychi rud radioaktivnykh metallov: ucheb. posobie. (Features of underground ore mining radioactive metals: textbook). Chita: ChitGU, 2000. 111 p.
5. Pavlov I.V., Pokrovsky S.S., Kamnev E.N. Sposoby obespecheniya radiatsionnoi bezopasnosti pri razvedke i dobyche uranovykh rud. (Ways of ensuring radiation safety in exploration and production of uranium ores). Moscow: Energoatomizdat, 1994. 256 p.
6. Markovets V.V., Shevchenko O.A. Gorny zhurnal. (Mining Journal). M., 2008, No 8. P. 67-70.
7. Voronov E.T., Kuimov A.V., Pozdnyakov Yu.E. Vestnik MANEB. (Bulletin of MANEB). SPb., No 10 (34), 2001.101-106 p.
8. Akhmet V.Kh., Kabantsev A.I., Voronov E.T. Provetrivanie geologorazvedochnykh vyrabotok. (Airing of exploration workings). Moscow: Nedra, 1986.285 p.
9. Shashkin V.P., V.P. Shashkin, Prutkin M.I.
0 mekhanizme emanirovaniya radioaktivnykh rud
1 mineralov. (On the mechanism of the emanation of radioactive ores and minerals). Moscow: nuclear energy, 1970, Vol. 29. Issue. 1. P. 105-109.
10. Сердюкова, А.С., Капитанов Ю.Г. Изотопы радона и продукты их распада в природе. М.: Атомиздат, 1975. 196 с.
11. Шумкова Н.П. Выделение радона из отде-льностей рудного массива и кусков отбитой породы. Технический прогресс в атомной промышленности. Сер. Горно-металлургическое производство. М.: ЦНИИатоминформ, 1992, № 3. С. 26-32.
Коротко об авторах_
Воронов Е. Т., д-р техн наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, Забайкальский государственный университет, г. Чита, Россия
Научные интересы: безопасная технология подземных горных работ в условиях вечной мерзлоты, радиационная безопасность на урановых рудниках России
Шурыгин С.В., генеральный директор ОАО «При-аргунское производственное горно-химическое объединение» (ОАО «ППГХО») Росатома России, г. Краснокаменск, Россия [email protected]
Научные интересы: радиационная безопасность урановых рудников; системные разработки при подземной эксплуатации урановых месторождений
10. Serdyukova A. S., Kapitanov Yu.G. Izotopy radona i produkty ih raspada v prirode. (Radon isotopes and their decay products in nature). Moscow: Atomizdat, 1975. 196 p.
11. Shumkova N.P. Vydelenie radona iz otdel-nostei rudnogo massiva i kuskov otbitoiy porody. Tekhnicheskii progress v atomnoi promyshlennosti. Ser. Gorno-metallurgicheskoe proizvodstvo. (Isolation of radon from the ore deposit and some ore lumps of the fall. Technical progress in the nuclear industry. Ser. Mining and metallurgical production). Moscow: TsNIIatominform, 1992, No 3. P. 26-32.
_Briefly about the authors
E. Voronov, doctor of engineering sciences, professor, RF honored science worker, Transbaikal State University, Chita, Russia [email protected]
Scientific interests: safe technology of underground mining in permafrost conditions, labour protection of geological exploration, radiation safety of Russian uranium mines, dust control
S. Shurygin, general director of JSC «Priargunsky production mining-chemical association (PPGHO) Rosatom Russia, Krasnokamensk,, Russia
Scientific interests: radiation safety of uranium mines; system development with underground exploitation of uranium deposits
