CC BY
56
Науки о Земле
УДК 622.349.500.2.2:622.8
Воронов Евгений Тимофеевич Eugeny 'Voronov
Бондарь Ирина Алексеевна Irina Bondar
УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ ВЫДЕЛЕНИЯ РАДОНА НА УРАНОВЫХ РУДНИКАХ НА БАЗЕ ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖИМОВ ОБЩЕШАХТНОГО ПРОВЕТРИВАНИЯ
THE CONTROL OF RADON EMISSION PROCESSES AT URANIUM MINES ON THE BASE OF COMMON SHAFTS’ AIRING SCHEDULE OPTIMIZATION
Описан механизм фильтрационных процессов выделения радона в рудничную атмосферу. Дано обоснование эффективности компрессионного проветривания очистных блоков, значительно снижающего дебит радона и улучшающего радиационную обстановку на подземных горных работах
Ключевые слова: общешахтное проветривание, радон, фильтрационные процессы, общешахтная депрессия
Theoretical basis of increasing bottom systems’ ventilation at uranium mines is presented. A number of aerodynamic nozzles which help to increase range and aerodynamic qualities of ventilation string for carrying uranium out from treating bottoms is described
Key words: bottom systems’ ventilation, treating block,free ventilation string, turbulence, aerodynamic nozzles
Интенсивное развитие подземных горных работ в ОАО «ППГХО» за последние 30 лет вызвало значительное усложнение вентиляционных сетей рудников. Высокое радоновыделение, одновременное ведение очистных работ на 4...5 горизонтах, деконцентрация горных работ на горизонтах, большая протяженность горных выработок и проветриваемых объектов привели к тому, что по условиям проветривания урановые рудники Забайкалья являются одними из сложнейших в России [1; 2; 5]. Для проветривания установлены мощные высоконапорные вентиляторы типа ВЦД-4,5; ВРЦД-47,5 АУ, которые одновременно подают на рабочие горизонты более 1500 м3/с свежего воздуха [4; 5]. Эксплуатационные затраты на вентиляцию
достигают 15...20 % от себестоимости добычи урановых руд [2; 5; 6].
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 замагазинированная отбитая руда [2; 4; 5].
Рассматривая процесс выделения радона в рудничную атмосферу, его можно разделитьнатриэтапа [2; 3; 7; 10].
На первом этапе происходит эмалирование радона, т.е. выделение его из кристаллической решетки минералов в свободное состояние в поры горных пород. Как правило, выделяется не весь радон, а только определенная его часть. Долю высвободившегося радона характеризует коэффициент эманирования К .
* эм
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 отдельностях и от их размеров. Эта доля обозначена далее коэффициентом рк.
Ктр а С
На третьем, заключительном этапе процесса происходит фильтрационно-диффузное распространение радона по макротрещинам рудного и породного массивов. На этом этапе также распадается часть радона. Доля радона, выносимого из трещин в горные выработки, зависит, главным образом, от скорости фильтрации воздуха по трещинам, которая, в свою очередь, 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)
Тр
'Д
V
ас
Тр
ф
ау
Ртр
ЛСТр = 0
(1)
где КТД — коэффициент диффузии радона в трещинах, см2/с;
Уф — истинная скорость фильтрационного потока воздуха в трещинах, см/с.
Анализ уравнения показывает, что механизм переноса радона в трещинах массива близок к чисто фильтрационному и описывается уравнением
- V
ас
ТР
Ф
ау
(2)
Следовательно, фильтрационные потоки воздуха в горном массиве, возникающие иод действием перепада давления воздуха между горными выработками, значительно увеличивают интенсивность радоновыделения, и это обстоятельство необходимо учитывать при прогнозировании и управлении дебитом радона.
Скорость фильтрационного потока воздуха в горном массиве определяется в соответствии с законом Дарси выражением
V,. =
Кпр АР
т8Ьц
(3)
в
где Кпр — коэффициент проницаемости массива, см2;
АР — перепад барометрического (статического) давления воздуха между горными выработками, Па;
т8 — трещинная пустотность массива, рассчитанная по площади, отн. ед.;
Пв — динамическая вязкость воздуха, равная 1,810~5Пасири 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 рабочих 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 радо-
+
на были проведены при трех положениях двери: сечение — 2м2; сечение -4м2и при полностью открытой двери — 8м2.
При каждом положении двери замерялись: уровень радона Ип • 1010, Бк/м3;
ЭРОА, Бк/м3; искусственный дополнительный подпор блока — АЬ; блоковый расход воздуха — Q м3/с. Результаты шахтных замеров приведены в табл. 1.
Таблица 1
Результаты шахтных радиационных замеров за блоком №1014
Сечение вент. окна в, м2 Блоковый расход воздуха 0, м3/с Подпор блокаАИ, мм вод. ст. Концентрация радона СВп, Бк/м3 Блоковый дебит Д , кБк/с ЭРОА Е. Бк/м3 ’ Коэффиц. сдвига Р
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 блоковый 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.
Четкую зависимость средней концентрации ЭРОАКп в блоках урановых рудников ОАО «ППГХ0» в зависимости от общешахтной депрессии четко прослеживается по динамике радиационной обстановки на подземных работах за 2006 — 2010 гг. (табл. 2). По данным воздушно-депрессионной съемки 2010 г. усредненный блоковый общешахтный подпор находился на уровне 30...40 мм вод. ст.
Таблица 2
Динамика средней концентрации ЭРОАВпи 1Чп в блоках рудников «Глубокий» и№1за 2006-2010 гг., Бк/м3
Блок, наименование РОФ 2006 г. 2007 г. 2008 г. 2009 г. 1 п/г 2010 г.
Бл. 5-533 ЭР0АПп - 2604 2340 1296 444
Рп*1010 - 2,38 1,68 1,61 0,21
Бл. 4а-706 ЭР0АПп 2796 1380 1740 1032 768
Рп*1010 1,75 3,99 2,59 1,68 0,77
Бл. 5-608 ЭР0АПп 912 540 672 648 624
Рп*1010 1,33 0,98 1,05 0,91 0,56
Бл.6а-1010 ЭР0АПп - 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 повышении 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 2,38 • 1010 до 0,21 • 1010, т.е. практически в10 раз.
На рудниках ОАО «ППГХО», имеющих высоконапорные главные вентиляционные установки (ГВУ), имеются благоприятные условия для организации компрессионного
проветривания рабочих горизонтов [3; 4]. 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 воздухоподающих 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 нарисунке).
Распределениедепрессии (напора) ГВУ-2В в вентиляционной сети рудника № 1:
1 — фактическое состояние;
2 — при переносе вентиляционных окон с входящей на исходящую ветвь
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. Овсейчук В.А. Особенности подземной добычи руд радиоактивных металлов: учеб. пособие. - Чита: ЧитГУ, 2000. - 111 с.
2. Павлов И.В., Покровский С.С., Камнев Е.Н. Способы обеспечения радиационной безопасности при разведке и добыче урановых руд. — М.: Энергоатомиздат, 1994. — 256с.
3. Ахмет В.Х., Кабанцев А.П., Воронов Е.Т. Проветривание геологоразведочных выработок. — М.: Недра, 1986. — 285 с.
4. Воронов Е.Т., Куимов A.B., Поздняков Ю.Е. Совершенствование вентиляции урановых рудников Забайкалья. — С.-Петербург, Вестник МАНЭБ, № 10 (34), 2001. — С. 101-106.
5. Марковец В.В., Шевченко O.A. Обеспечение радиационной безопасности при добыче и переработке урановыхруд. — М.: Горный журнал, 2008. — №8,— С. 67-70.
6. Овсейчук В.А., Алексеев О.Н. Предохранение горнорабочего очистного забоя от радиоактивного облучения при разработке урановых месторождений. — Чита: Вестник ЧитГУ, 2009. — №
З.-С. 19-24.
7. Козлов В.Ф. Справочник по радиационной безопасности. — М.: Энергоатомиздат, 1999. -515с.
8. Шашкин В.П., Пруткин М.И. О механизме эмалирования радиоактивных руд и минералов. — М.: Атомная энергия, 1970. — Т. 29. Вып. 1. — С. 105-109.
9. Сердюкова A.C., Капитанов Ю.Г. Изотопы радона и продукты их распада в природе,— М.: Атомиздат, 1975. — 196 с.
10. Шумкова Н.П. Выделение радона из отдельностей 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
Briefly about the authors
Воронов Е.Т., д-р техн. наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, Читинский государственный университет (ЧитГУ), Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН [email protected]
E. Voronov, Doctor of Engineering Sciences, Professor, RF Honored Science Worker, Chita State University
Научные интересы: безопасная технология подземных горных работ в условиях вечной мерзлоты; охрана труда на геологоразведочных работах; радиационная безопасность урановых рудников России; борьба с пылью
Scientific interests: safe technology of underground mining in permafrost conditions, labour protection of geological exploration, radiation safety of Russian uranium mines, dust control
Бондарь И.А., канд. техн. наук, Читинский государственный университет (ЧитГУ), Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН [email protected]
I. Bondar, Candidate of Engineering Sciences, Chita State University
Научные интересы: безопасная технология подземных горных работ в условиях вечной мерзлоты; управление криогенными и тепловыми процессами в криолитозоне
Scientific interests: safe technology of underground mining in permafrost conditions, monitoring of cryogenic and thermal processes in cryolithic zone
