CC BY
64
УДК 622.411.33
Н.М. Качурин, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (4872) 35-20-41, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
А.А. Поздеев, ген. директор, (3422) 12-0914 (Россия, Пермь, «УК ЗУМК»), Г.В. Стась, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-20-41, galina [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
ПРОГНОЗ ВЫДЕЛЕНИЯ РАДОНА В ГОРНЫЕ ВЫРАБОТКИ УГОЛЬНЫХ ШАХТ
Приведены результаты теоретического анализа геологической информации по распределению урана в горных породах на территории Подмосковного буроугольного бассейна. Показано, что основными источниками поступления радона на очистные участки угольных шахт являются надработанные ураносодержащие горные породы, разрабатываемые угольные пласты и подземные воды. Дано теоретическое обоснование математических моделей для прогноза выделения радона атмосферу угольных шахт. Разработан алгоритм прогноза выделений радона на очистных участках. Представлены результаты прогноза выделений радона для условий шахт Подмосковного бассейна, которые не противоречат известным эмпирическим данным.
Ключевые слова: радон, уран, горные породы, угольный пласт, подземные воды, шахта, математическая модель, прогноз.
Источники выделений радона в атмосферу угольных шахт. Центральный регион России принадлежит к регионам с напряженной экологической обстановкой. Это обусловлено высокой концентрацией промышленности, наличием угледобывающих предприятий, а также загрязнением искусственными радионуклидами в результате катастрофы на Чернобыльской АЭС. До последнего времени недостаточно учитывался еще один фактор - загрязнение, связанное с концентрацией естественных радиоактивных элементов урана и радона, обусловленной природными геологическими процессами.
Повышенные содержания искусственных радионуклидов и естественных радиоактивных элементов в ряде мест определяют активность источников излучения, превышающую предельно-допустимые значения.
В этой связи важно рассмотреть закономерности пространственного распределения радионуклидов, что позволит дать геохимическую оценку имеющихся территорий с тревожной радиоэкологической обстановкой и наметить пути вероятной миграции и концентрации радиокомпонентов.
На территории Подмосковного буроугольного бассейна известны скопления урана, радия и радона [1]. Следует подчеркнуть две общие особенности распределения радионуклидов, выявленные на территории Тульской области: скрытый характер не выходящих на дневную поверхность урановых аномалий; присутствие аномалий радона в почвах и подземных водах, в том числе источников водоснабжения. Первая особенность с ра-
диоэкологических позиций имеет небольшое значение за исключением некоторых угольных шахт, разрезов и отвалов, где вероятно получение повышенных доз радиоактивности. Вторая черта имеет более серьезное значение, поскольку вероятно использование радиоактивных вод в хозяйственно-питьевом водоснабжении.
Все рудопроявления и аномальные концентрации урана в Тульской области относятся к одному урано-угольному формационному типу. Такого рода скопления широко распространены в природе. Их образования связаны с геохимическими особенностями поведения урана в зоне гипергене-за, где уран хорошо мигрирует в водной среде в шестивалентной форме. Поэтому в большинстве случаев в зоне активного водообмена преобладают условия рассеивания урана природными водами. Однако существуют обстановки, где действуют геохимические барьеры, на которых уран осаждается.
В гипергенных условиях по степени распространенности намечается следующий ряд геохимических барьеров урана: восстановительный; сероводородный, от биогенного или абиогенного сероводорода; восстановительный; резко глеевый, за счет водорода, главным образом продуцируемого бактериями; сорбционный; термодинамический, включающий барьер нейтрализации ураноносных щелочных или кислых вод растворами, содержащими соединения ванадия, фосфора, молибдена и мышьяка без изменения их валентности, с которыми уран в форме уранила дает твердые фазы; эвапорационный, когда уран выпадает из перенасыщенных растворов; механический, образующийся за счет образования россыпей ураносодержащих минералов. Очень часто несколько геохимических барьеров действуют одновременно, что может обусловить заметные концентрации урана.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что радиоэкологическая обстановка Центрального региона Российской Федерации существенным образом зависит от наличия в недрах естественных радионуклидов, которые сами по себе создают повышенный радиоактивный фон и оказывают прямое воздействие на людей, связанных по роду своей профессиональной деятельности с добычей угля. Урановое оруднение в условиях, характерных для Подмосковного бассейна, обычно сопровождается повышенным скоплением радона. Кроме того, аномалии радона в воде встречены к северу от г. Венева Тульской области на границе с Серебряно-прудским районом Московской области и в районе г. Белева вне связи с известными аномалиями урана. Вдоль крупных зон скрытой трещиновато-сти возможно проявление собственных геохимических аномалий радона. Известно, что содержание радона в элювиально-делювиальных отложени-
3 3
ях часто составляют (10...37)-10 Бк/м . Несмотря на это максимальная
-5
концентрация радона для населения составляют: в воде - 370 Бк/м (или
0,37 Бк/л); в воздухе жилых помещений, заселенных - 190 Бк/м3; в воздухе строящихся зданий - 100 Бк/м3.
Закономерности пространственного распределения урана и радона в пределах Тульской области позволяет наметить два типа радиоэкологических опасных районов: с повышенной концентрацией радона (центральная часть и северо-восток Тульской области); совмещенных концентраций природных и искусственных радионуклидов (центральная часть области).
Математическая модель миграции радона в надработанном горном массиве. Процесс вертикальной диффузии радона в надработанных породах описывается следующим уравнением [2]:
дс^ _ д2с
of11 ~~ Drii f11 > (1)
at dz
где Сцд- концентрация радона в породах, расположенных над залежью урана; D^ - коэффициент эффективной диффузии радона; Х^ - эффективная константа скорости процессов сорбции и радиоактивного распада радона; z - вертикальная координата; t - время; - мощность источника генерации радона за счет радиоактивного распада урана.
Учитывая особенности диффузионного процесса вертикальной диффузии радона, можно считать этот процесс установившимся, тогда переходя к удельной активности газовых смесей, представим уравнение (1) в следующем виде:
j 2 д ВП
Г) а ARn ? Авп=0 т
Rn л 2 Rn Rn U > \А)
dz
где А™ - удельная активность по радону газовой смеси во вмещающих породах.
Граничные условия имеют вид: -Dj^dA™ / dz |z=0= J™ = const, lim A^ ф со , где J^ - интенсивность образования радона в подрабатывае-
Z—КС
мом урановом месторождении.
Решение уравнения (2) для данных условий можно записать следующим образом:
n STBn
A??(z) = -P^exp . (3)
Rn
'Rn'^Rn
Дифференцируя зависимость (3) в точке г = Ь, где Ь - расстояние от урановой залежи до почвы рассматриваемой выработки, найдем абсолютное радоновыделение из подрабатываемого уранового месторождения (I™):
тВПтВП Rn ~ JRn ехР
Графики зависимости отношения величин от расстояния Ь
для различных значений ^кп/Е)кп представлены на рис. 1. Анализируя профили диффузионного потока радона во вмещающих породах, следует отметить высокий темп снижения скорости миграции радона при уменьшении величины коэффициента эффективной диффузии. Разумеется, что такие результаты вычислений совпадают с данными натурных наблюдений по другим газам, например по метану, поступающему из подрабатываемых угольных пластов.
1
0.8
л
I
а0. 6
>
й л
N
0.2 0
О 10 20 30 40 50
11 ->
Рис. 1. Графики зависимости отношения величин I™ и™
от расстояния И, м.
Значения ф^То^ соответственно равны: 1 - 0,001; 2 - 0,005; 3 - 0,01;
4-0,05; 5-0,1
Такое косвенное подтверждение адекватности разработанной математической модели можно считать в данном случае приемлемым, так как в настоящее время нет необходимой эмпирической базы данных. При этом результаты вычислений показывают, что абсолютная радонообильность будет пропорциональна величине интенсивности образования радона в подрабатываемом урановом месторождении.
Выделение радона с поверхности обнажения разрабатываемого угольного пласта. Выделение радона в рабочее пространство очистного забоя происходит из угольного пласта, выработанного пространства и отбитого угля. Результаты поперечных газовых съемок в лавах показывают, что газовыделение из угольного пласта и выработанного пространства оказывает основное влияние на формирование поля концентраций радона в горных выработках. Перенос газа в пористой структуре пласта или выработанного пространства обусловлен наличием градиентами концентрации
или давления газа, находящегося в свободном состоянии. Движение газа приводит к перераспределению поля концентраций или давлений и нарушает равновесное состояние между газом, адсорбированными стенками пор и заполняющим поровое пространство.
Выделения радона с поверхности обнажения разрабатываемого угольного пласта можно описать следующим уравнением [3]:
л z д :
n Q Rn у дУП , ТУП=П /4гч
Rii , 2 R11R11 J Rii w >
,2дУП
где A^ - удельная активность по радону газовой смеси в разрабатываемом угольном пласте; J^ - интенсивность образования радона в разрабатываемом угольном пласте.
Граничные условия для поверхности обнажения разрабатываемого угольного пласта имеют вид:А^1! =0, lim А^^оо. Решение уравнения
1х=0 х—кс
(5) для этих условий получено в следующем виде:
а1 ' . (6)
Дифференцируя зависимость (6) в точке х = 0 найдем абсолютное радоновыделение из разрабатываемого угольного пласта (i^1):
Графики зависимости величины Ayn(x) = A^(x)^Rn/j^1 от координаты х для различных значений ф^То^ представлены на рис. 2. Анализ горизонтального распределения удельной активности радона в плоскости разрабатываемого угольного пласт показывает, что по мере удаления от поверхности обнажения удельной активности радона стабилизируется. Графики зависимости Ауп=Ауп(х) наглядно свидетельствуют о наличии асимптоты при х->оо, т.е. lim А™ = А™ =1. Следует отметить высокий темп
х—ко
снижения скорости миграции радона при уменьшении величины коэффициента эффективной диффузии. Радоновыделение из разрабатываемого угольного пласта зависит от диффузионных свойств вещества угля, скорости радиоактивного распада, константы скорости сорбции радона углем и интенсивности образования радона в разрабатываемом угольном пласте. В свою очередь интенсивность образования радона в угольном пласте зависит от концентрации рассеянного урана.
Выделение радона в горные выработки из подземных вод. На территории, в геологическом отношении обозначенной как Подмосковный угольный бассейн, располагается наряду с месторождениями угля целая сеть мелких месторождений бедных урановых руд, которые залегают на
глубинах от 3 до 120 м. Поэтому в подземных водах, поступающих в горные выработки или удаляемых из водоносных горизонтов через систему водопонижающих скважин, всегда в тех или иных количествах присутствует радон.
0.8
А I
0.6
а й"
N.
й п (X
0.2
10
20
30
40
х ->
5 _ 4 •—
____ 3 1 -
- 1 —
50
Рис. 2. а - пример и результаты использования программы ЯпЯР для вычислительных экспериментов. б - графики зависимости отношения величин Аш от расстояния х, м. Значения ф^То^ соответственно равны: 1 - 0,001; 2 - 0,005; 3 - 0,01;
4-0,05; 5-0,1
В процессе дегазации подземных вод, содержащих радон, происходит выделение этого газа в шахтный воздух или непосредственно в приземный слой атмосферы. Радоновыделение из подземных вод проявляется как дегазация подземных вод текущих по дренажным каналам шахты. Целесообразно рассматривать одномерную стационарную миграцию радона в горные выработки с поверхности водного потока. Выделения радона с поверхности подземных вод можно описать следующим уравнением [4]:
с!А
пв
Кп
Кп
К
ах
и
ОБ д пв
где а™
(8)
коэффици-
удельная активность подземных вод по радону; кОБ ент поверхностной газоотдачи по радону.
Разделяя переменные в уравнении (8) и интегрируя это уравнение, получим, ЧТО А™ = А™ ехр|
кон
НАЧ
где А™
НАЧ
, пв|
кон
соответственно начальное и конечное значения удельной активности под-
земных вод по радону в точка х = 0 и х = Ь. Тогда абсолютное радоновы-деление из подземных вод (I™) можно определить, используя следующую формулу:
1р Кп КОБ Ьи 1 . (9)
где (Зпв - приток подземных вод на рассматриваемом технологическом объекте.
Графики зависимости величины 1™(Ь) = (А™ ^ от длины
дренажного канала для различных значений а = ^ + КОБ и-1 представлены на рис. 3. Анализ результатов вычислительных экспериментов показывает, что при достаточно больших значениях Ь величина ^(Ь-юо) стремиться к единице. Радоновыделение из подземных вод зависит от скорости радиоактивного распада, скорости десорбции радона из воды и средней скорости течения воды в дренажном канале.
Рис.4. Графики зависимости величины 1т(Г) = I™ /(А™ дт) от длины
' НАЧ
дренажного канала Ь, м. Значения а, 1/м: 1 -10'1; 2 -10~2;3 -10~3;
4 -10~4; 5 -10~5
Прогноз выделений радона на очистных участках угольных шахт. Алгоритм и комплекс программных средств для расчета выделений радона на очистном участке позволяют автоматизировать процесс проектирования систем вентиляции шахт, где радоновыделения являются значимым газовым фактором. Прогноз абсолютной радонообильности очист-
ных участков осуществляется в соответствии установленными закономерностями динамики миграции радона в угольных пластах, вмещающих породах и подземных водах.
Алгоритм прогноза абсолютной радонообильности очистных участков заключается в следующем.
1. Формируется информационный блок исходных данных, включающий следующие параметры: J^ - интенсивность образования радона в подрабатываемом урановом месторождении; - эффективная константа скорости процессов сорбции и радиоактивного распада радона; D^ - коэффициент эффективной диффузии радона; h - расстояние от урановой залежи до почвы рассматриваемой выработки; L - длина дренажного канала; QnB - приток подземных вод на рассматриваемом технологическом объекте; А™|кон- конечное значение удельной активности подземных вод по радону в точке x=L; К0Б - коэффициент поверхностной газоотдачи по радону; и - средняя скорость движения воды в дренажном канале.
2. Рассчитывается радоиовыделение из подрабатываемого уранового месторождения (I
3. Рассчитывается радоновыделение из разрабатываемого угольного пласта (i™).
4. Рассчитывается радоновы деление из подземных вод (/£?):
В таблице представлены средние значения прогнозного радоновыделения на очистном участке и структура баланса радона для средних значений параметров математических моделей миграции радона. Результаты вычислительного эксперимента не противоречат известным эмпирическим данным.
Баланс выделений радона на очистном участке
Среднее радоновыделение на очистном участке. Бк/мин
Структура баланса радона, поступающего в воздух _очистного участка_
□Уогльный пласт
□ Вмещ. породы
□ Подземн ыеводы
□Уольный пласт □Вмещ. породы О Подземные воды
80000 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 0
Таким образом, в результате экспериментальных и теоретических исследований были уточнены закономерности влияния физико-химических и геологических факторов на миграцию радона в угольных пластах, вмещающих породах и подземных угольных месторождений. Усовершенствована методика прогноза газовыделений в угольных шахтах за счет учета радоновыделений в подземные горные выработки.
В дальнейшем моделирование конвективно-диффузионного переноса радона рудничным воздухом в подземных горных выработках, позволит усовершенствовать методику расчета количества, необходимого для проветривания очистных и подготовительных участков, что существенно повышает уровень безопасности подземных горных работ по аэрологическому фактору.
Список литературы
1. Качурин Н.М., Стась Г.В., Качурина О.Н., Беляева В.Е. Источники выделений радона / Изв. ТулГУ. Сер. Экология и безопасность жизнедеятельности. Вып. 7. 2004. С.176 -181.
2. Качурин Н.М., Стась Г.В., Качурина О.Н. Математическая модель миграции радона в надработанных породах / Изв. ТуГУ. Сер. Экология и безопасность жизнедеятельности. Вып. 7. 2004. С.184-187.
3. Качурин Н.М., Стась Г.В., Качурина О.Н. Математическая модель выделения радона с поверхности обнажения разрабатываемого угольного пласта /Изв. ТуГУ. Сер. Экология и безопасность жизнедеятельности. Вып. 7. 2004. С. 187-190.
4. Качурин Н.М., Стась Г.В., Качурина О.Н. Математическая модель выделения радона из подземных вод / Изв. ТуГУ. Сер. Экология и безопасность жизнедеятельности. Вып. 7. 2004. С.190-192.
Nikolai M. Kachurin, Alexander A. Pozdeev, Galina V. Stas FORECASTING RADON EMISSION INTO MINE WORKINGS OF COAL MINES The results of theoretical analyzing geological information by uranium concentrations in rocks of the Moscow Coal Basin territory were shown. It's shown that basic sources of radon emission into mining face of coal mines are underlying uranium-containing rocks, working coal seams and underground water. Theoretical substantiation of mathematical models for forecasting radon emission into underground air was produced. Forecasting radon emission into mining faces algorithm was shown. Results of forecasting radon emission for Moscow Coal Basin conditions were gotten. These results don't contradict by known empirical data.
Key words: radon, uranium, rock, coal seam, underground water, mine, mathematical model, forecasting.
Получено 17.02.2012
