CC BY
44
УДК 622.411.39:546.296
ВЫДЕЛЕНИЯ РАДОНА ПРИ ПОДЗЕМНОЙ ДОБЫЧЕ УГЛЯ
И ПРОГНОЗ РАДОНОВОЙ ОПАСНОСТИ ОЧИСТНЫХ И ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ УЧАСТКОВ УГОЛЬНЫХ ШАХТ
М.В. Грязев, Н.М. Качурин, Г.В. Стась
Обобщен опыт оценки радоновыделения, накопленный в Подмосковном буро-угольном бассейне, где причиной выделения радона являлась повышенная уранонос-ностъ. Показано, что в Подмосковном бассейне, повышенная ураноносностъ, главным образом, связана с угленосными визейскими отложениями. Доказано, что основными источниками выделения радона являются разрабатываемый угольный пласт, надра-батываемые рудопроявления урана и подземные воды. Обоснованы закономерности выделения радона из разрабатываемого угольного пласта, вмещающих пород и подземных вод. Установлено, что радоновыделение из разрабатываемого угольного пласта и вмещающих пород зависит от диффузионных свойств вещества угля и вмещающих пород, скорости радиоактивного распада, константы скорости сорбции радона и интенсивности образования радона в горном массиве. Радоновыделение из подземных вод зависит от скорости радиоактивного распада, скорости десорбции радона из воды и средней скорости течения воды в дренажном канале.
Ключевые слова: радон, уран, угольный пласт, вмещающие породы, подземные воды, диффузия, удельная активность, радоновыделение.
Проблема радоновой опасности при подземной добыче угля до настоящего времени изучена недостаточно. Однако при незначительной метанообильности очистных и подготовительных участков именно радон может представлять серьезную опасность для здоровья подземных горнорабочих. И здесь весьма интересен опыт исследований, накопленный в Подмосковном буроугольном бассейне. На территории Подмосковного бассейна известны скопления урана, радия и радона. Урановые проявления этого района были обнаружены и первоначально изучались геологами Ферганской экспедиции Всесоюзного института минерального сырья в пятидесятых годах. В семидесятые годы было показано, что, несмотря на достаточно широкое площадное распространение, проявление урановой минерализации в угленосных породах не имеют промышленного значения в связи с малыми мощностями рудных тел и содержанием полезного компонента. Природный уран, содержащий главным образом два изотопа -
238 235
и (99,3 % общей массы) и и - актиноуран (0,7%), дает начало вместе с
232
ТН трем рядам радиоактивного распада естественных радионуклидов. Основной изотоп урана является альфа-излучателем, но в продуктах его распада имеются короткоживущие бета- и гамма-излучатели. Последние
обуславливают 88 % гамма-излучения и могут существовать лишь совместно с радием. Радий может отделяться от урана, главным образом, в молодых геологических образованиях и при участии восстановительных по урану хлоридных вод [1-2].
Следует подчеркнуть особенность распределения радионуклидов, выявленную на территории Тульской области: скрытый характер не выходящих на дневную поверхность урановых аномалий; присутствие аномалий радона в почвах и подземных водах. В Тульской области, как и в других районах Подмосковного бассейна, повышенная ураноносность, главным образом, связана с угленосными визейскими отложениями. Здесь могут быть выделены две обстановки аномальных концентраций урана: в кровле, почве или на выклинивании единых углисто-глинистых пачек; в маломощных прослоях углистых терригенных пород, расположенных внутри известняковых пачек. Первая характерна для ураноносных пород бобриковского и реже тульского горизонтов (яснополянский надгоризонт), вторая - для Михайловского, веневского и других горизонтов карбона. В целом в Подмосковном бассейне известно два мелких месторождения, 18 рудопроявлений и 102 проявления урана. Наиболее крупное Бельское месторождение расположено в северо-западной части бассейна на границе Тверской и Смоленской областей [3-4].
Разумеется, что особенности распределения радионуклидов на территориях Кузбасса, Восточного Донбасса, Печерского и других угольных бассейнов будут отличаться от особенностей их распределения на территории Тульской области. Но их наличие во многом будет определять радоновую опасность очистных и подготовительных работ. Оценка радоновой опасности должна осуществляться по величине объемной активности воздуха на очистных и подготовительных участках. При этом величина объемной активности зависит от интенсивности поступления радона в воздух из различных источников. Исследования на действовавших шахтах Подмосковного бассейна показывают, что основными источниками выделения радона являются разрабатываемый угольный пласт, надрабатываемые ру-допроявления урана и подземные воды [4-5].
Выделения радона с поверхности обнажения разрабатываемого угольного пласта можно описать обыкновенным дифференциальным уравнением [6]: DRn /dx20, где ВКп - коэффициент диффузии радона в угле; А™ - удельная активность газовой смеси по радону в разрабатываемом угольном пласте; ХКп - константа скорости естественного радиоактивного распада радона; «Т^7 - интенсивность образования радона в разрабатываемом угольном пласте; х - пространственная координата с началом отсчета, расположенным на поверхности обнажения разрабатываемого угольного пласта. Решение этого уравнения для усло-
вий, характеризующих газообмен поверхности обнажения разрабатываемого угольного пласта с воздухом, получено в следующем виде [7]:
УП Кп
X
Кп
1
ехр
!Х
-х
Кп
и
Кп у
(1)
Дифференцируя зависимость (1) в точке х = 0 найдем абсолютное радоновыделение из разрабатываемого угольного пласта ( ['¡¡'):
I
УП Кп
3
УП Кп
ю
Кп
X
(2)
Кп
Учитывая особенности диффузионного процесса вертикальной диффузии радона из надрабатываемых рудопроявлений урана, можно считать этот процесс установившимся, тогда уравнение миграции радона в горные выработки можно записать в следующем виде [8]:
ИКп <12А™1<Ь''
Х0АТ = О
лВП
, ,<п ,, ,<п V,, где АКп - удельная активность по радону га-
зовой смеси во вмещающих породах; г - вертикальная координата, с началом отсчета на поверхности рудопроявления и направленная в сторону рассматриваемой горной выработки. Граничные условия для вертикальной
вп
Кп
СО!^ , 1ш1 АКп Ф 00
где
миграции имеют вид: /^ =./
- интенсивность образования радона в подрабатываемом урановом месторождении. Решение данного уравнения для заданных граничных условий можно записать следующим образом [9]:
А
ВП -Кп
О 5 ТВП (2)= '
ехр
IX
Кп
а
(3)
Кп J
Дифференцируя зависимость (3) в точке г = И, где И - расстояние от урановой залежи до почвы рассматриваемой выработки, найдем абсолютное радоновыделение из подрабатываемого уранового рудопроявлений
(О
Г Г7-л
гВП _ ГШ1 Кп Кп СХР
ВП
-к
IX
1Кп
(4)
Кп у
Радон в подземных водах находится в растворенном состоянии. Радоновыделение проявляется как дегазация подземных вод текущих по дренажным каналам шахты. Выделения радона с поверхности подземных вод можно описать следующим уравнением [9]: и (ЯА1^
<ПВ 1с1х =
пв
'^Кп^-Кп
} Кп
где и - средняя скорость воды в дренажном канале; /1™ - удельная актив-
■ПВ
ность подземных вод по радону; - интенсивность дегазации радона из подземных вод.
Решение последнего уравнения имеет вид [10]:
А
пв
'Кп
КОН
= А
пв
Кп
НАЧ
ехр
{^Кп+К)1
и
(5)
где кд - константа скорости процесса дегазации воды в дренажном кана-
ле; Д
ПВ Кп
НАЧ
А
ПВ 'Кп
КОН
соответственно начальное и конечное значение
удельной активности подземных вод по радону в точках х = 0 и х = Ь.
Тогда абсолютное радоновыделение из подземных вод мож-
но определить, используя следующую формулу:
I
ПВ Кп
А
ПВ Кп
КОН
е.
ПВ
1-ехр
и
(6)
где ()ПВ - приток подземных вод на рассматриваемом технологическом объекте.
Анализ горизонтального распределения удельной активности радона в плоскости, разрабатываемого угольного пласт показывает, что по мере удаления от поверхности обнажения удельная активность газовой смеси по радону стабилизируется. Вид аналитической зависимости (1) наглядно свидетельствуют о наличии асимптоты при х —»°о; т.е.
Нш А^ (х) = А^п = J}RI| ' /ХКп. Следует отметить высокий темп 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, поэтому эта характеристика непосредственно связана с результатами геологического опробования проб угля при разведке месторождения.
Анализируя профили диффузионного потока радона во вмещающих породах, также 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 [11-15]. Такое косвенное подтверждение адекватности разработанной математической модели можно считать в данном случае приемлемым, так как в настоящее время нет необходимой эмпирической базы данных.
Радоновыделение из подземных, по результатам вычислительных экспериментов, при достаточно больших значениях Ь, стремиться к
\КОН Qпв ■ Радоновыделение из подземных вод зависит от
асимптоте ¡ш =А,
лПВ
скорости радиоактивного распада, скорости десорбции радона из воды и средней скорости течения воды в дренажном канале [16-20].
Основные научные положения исследований можно сформулировать следующим образом:
основными источниками радоновыделений в горные выработки являются подрабатываемые бедные урановые месторождения, разрабатываемые угольные пласты, содержащие уран в высоких концентрациях, и подземные воды, насыщенные радоном;
установлены закономерности выделения радона из разрабатываемого угольного пласта, вмещающих пород и подземных вод;
радоновыделение из разрабатываемого угольного пласта и вмещающих пород зависит от диффузионных свойств вещества угля и вмещающих пород, скорости радиоактивного распада, константы скорости сорбции радона и интенсивности образования радона в горном массиве;
радоновыделение из подземных вод зависит от скорости радиоактивного распада, скорости десорбции радона из воды и средней скорости течения воды в дренажном канале, а при достаточно большом удалении от начала дренажного канала радоновыделение из подземной воды стремиться к некоторому максимальному значению.
Список литературы
1. Экологические последствия закрытия угольных шахт Кузбасса по газодинамическому фактору и опасности эндогенных пожаров на отвалах / Н.М. Качурин, С.А. Воробьев, Я.В. Чистяков, JI.JI. Рыбак // Экология и промышленность России. 2015. №4. С. 54-58.
2. Качурин Н. М., Ефимов В. И., Воробьев С. А. Методика прогнозирования экологических последствий подземной добычи угля в России // Горный журнал. 2014. №9. С. 138-142.
3. Evaluating of closed mines mining lease territories environmental safety by gas factor / N. M. Kachurin, V. I. Efimov, S. A. Vorobev, D. N. Shku-ratckiy // Eurasian Mining. 2014. №2. P. 41-44.
4. Scientific and practical results of monitoring of anthropogenic influence on mining-industrial territories environment / N. M. Kachurin, S. A. Vorobev, Т. V. Korchagina, R. V. Sidorov // Eurasian Mining. 2014. №2. P. 44-48.
5. Kachurin Nikolai, Komashchenko Vitaly, Morkun Vladimir Environmental monitoring atmosphere of mining territories // Metallurgical and Mining Industry. 2015. No 6. P. 595-598.
6. Kachurin N.M., Vorobev S.A., Vasilev P.V. Generalized mathematical model for gases filtration in coal beds and enclosing strata // Eurasian Mining. 2015. №2.
7. Kachurin N.M., Vorobev S.A., Vasilev P.V. Methane emission from coal bed open surfaces into development workings and production faces by intensive gas-bearing coal extraction// Eurasian Mining. 2015. №2.
8. Аппроксимация аэродинамических характеристик проходческих вентиляторов для автоматизации вентиляционных расчетов / Н.М. Качу-рин, С.А. Воробьев, А.Д. Левин, П.В. Васильев // Горный журнал. 2015. №12.
9. Перспективы восстановления и комплексного развития Подмосковного буроугольного бассейна / Н.М. Качурин, С.А. Воробьев, П.В. Васильев, С.М. Богданов // Горный журнал. 2016. №2. С. 30-35.
10. Границы применимости линеаризованных уравнений фильтрации газов и прогноз динамики газовыделения из выработанного пространства / Н.М. Качурин, С.А. Воробьев, O.A. Афанасьев, Д.Н. Шкуратский // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2014. Вып. 1. С. 152-158.
11. Экологически безопасная геотехнология комплексного освоения ме-сторождений бурого угля / Н.М. Качурин, В.И. Ефимов, В.В. Факторо-вич, Е.К. Мосина // Безопасность труда в промышленности. 2014. №10. С. 65 -70.
12. Распределение ресурсов на профилактику загрязнения атмосферы горнопромышленного района /Н.М. Качурин, Л.Л. Рыбак, В.И. Ефимов, С.А. Воробьев.// Безопасность труда в промышленности. №2. 2015. С. 24-27.
13. Оценка предельно допустимых пылегазовых выбросов горных предприятий в атмосферу/ Н.М. Качурин, ЛЛ. Рыбак, В.И. Ефимов, С.А. Воробьев//Безопасность труда в промышленности. №3. 2015. С. 36-39.
14. Аэродинамика породных отвалов угольных шахт / Н.М. Качурин, Г.В. Стась, А.Д. Левин, ВЛ. Рыбак // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. Вып. 1. 2016. С. 23-34.
15. Моделирование режимов работы систем вентиляции подготови-тель-ных выработок / Н.М. Качурин, С.А. Воробьев, А.Д. Левин, П.В. Васильев // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. Вып. 1. 2016. С. 156-167.
16. Nikolai M. Kachurin, Sergei A. Vorobev, Sergei M. Bogdanov. Evaluating Polluting Atmosphere be Mining Enterprises and Optimizing Prophylactic Measures Resources // 5th International Symposium. Mining and Environmental Protection. Vrdnik. Serbia. 2015. P. 135-140.
17. Environmental Danger of Worked and Liquidated Coal Mines Open Areas / Nikolai M. Kachurin, Sergei A. Vorobev, Dimitriy N. Shkuratckiy, Sergei M. Bogdanov // 5th International Symposium. Mining and Environmental Protection. Vrdnik. Serbia. 2015. P. 141-149.
18. Качурин Н.М.,Поздеев А.А., Стась Г.В. Прогноз выделения радона в горные выработки угольных шахт// Известия ТулГУ. Естественные науки. Вып. 1. Ч. 2. 2012. С. 133-142.
19. Качурин Н.М., Поздеев А.А., Стась Г.В.. Выделения радона в атмосферу горных выработок угольных шахт// Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. Вып. 1. 2012. С. 46-56.
20. Радон в атмосфере угольных шахт / Н.М. Качурин [и др.]// М. ГИАБ. Вып.8. 2012. С. 88-94.
Грязев Михаил Васильевич, д-р техн. наук, проф., ректор, ecology tsu tula®, mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Качурин Николай Михайлович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, ecology@ tsu.tula.ru , Россия, Тула, Тульский государственный университет
Стась Галина Викторовна, канд. техн. наук, доц., galinastas®,mail,ги, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
RADON EMISSION BY UNDERGROUND COAL MINING AND FORECASTING RADON
DANGER OF DEVELOPMENT WORKINGS AND PRODUCTION FACES
OF COAL MINES
M. V. Griyzev, N.M. Kachurin, G. V. Stas
Experience of evaluating radon emission in Moscow Lignite Basin where reason of radon emission has been uranium-containing coal beds and rocks was generalized. It's shown that uranium-containing coal beds and rocks are connected with geological pecidiarities. It's proved that basic sources are production coal bed, uranium-containing rocks and under-ground waters. Regularities of radon emission from production coal bed, uranium-containing rocks and underground waters were substantiated. It's ascertained that radon emission from production coal bed and uranium-containing rocks depend on diffusion properties of coal and rocks, velocity of radioactive disintegration, constant of radon sorption velocity and intensity of arising radon in mining massif. Radon emission from underground waters depends on velocity of radioactive disintegration, velocity of desorption radon from water and average flow velocity of water in drainage canal.
Key words: radon, uranium, coal bed, enclosing strata, underground waters, diffusion, specific activity, radon emission.
Griyzev Mihail Vasilievich, Doctor of Technical Sciences, Full Professor, Rector, ecology tsu tula®, mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Kachurin Nikolai Mihailovich, Doctor of Technical Sciences, Full Professor, Chief of a Department, ecology'a,tsu. tula, ru, Russia, Tula, Tula State University,
Stas Galina Viktorovna, Candidate of Technical Sciences, Docent, galina stas®, mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
H3BecTH5i Tyjiry. HayKn o 3eMjie. 2017. Bbin. 4
Reference
1. Jekologicheskie posledstvija zakrytija ugol'nyh shaht Kuzbassa po gazodinamich-eskomu faktoru i opasnosti jendogennyh pozharov na otvalah / N.M. Kachurin, S.A. Voro-b'ev, Ja.V. Chistjakov, L.L. Rybak// Jekologija i promyshlennost' Rossii. 2015. №4. S. 54-58.
2. Kachurin N. M., Efimov V. I., Vorob'ev S. A. Metodika prognozirovanija jekologicheskih posledstvij podzemnoj dobychi uglja v Rossii // Gornyj zhurnal. 2014. №9. S. 138-142.
3. Evaluating of closed mines mining lease territories environmental safety by gas factor / N. M. Kachurin, V. I. Efimov, S. A. Vorobev, D. N. Shkuratckiy // Eurasian Mining. 2014. №2. P. 41-44.
4. Scientific and practical results of monitoring of anthropogenic influ-ence on min-ing-industrial territories environment / N. M. Kachurin, S. A. Vorobev, T. V. Korchagina, R. V. Sidorov//Eurasian Mining. 2014. №2. P. 44-48.
5. Kachurin Nikolai, Komashchenko Vitaly, Morkun Vladimir Environmental monitoring atmosphere of mining territories // Metallurgical and Mining Industry. 2015. No 6. P. 595-598.
6. Kachurin N.M., Vorobev S.A., Vasilev P.V. Generalized mathemati-cal model for gases filtration in coal beds and enclosing strata / Eurasian Min-ing. 2015. №2.
7. Kachurin N.M., Vorobev S.A., Vasilev P.V. Methane emission from coal bed open surfaces into development workings and production faces by in-tensive gas-bearing coal extraction//Eurasian Mining. 2015. №2.
8. Approksimacija ajerodinamicheskih harakteristik prohodcheskih ventiljatorov dlja avtomatizacii ventiljacionnyh raschetov / N.M. Kachu-rin, S.A. Vorob'ev, A.D. Levin, P.V. Vasil'ev // Gornyj zhurnal. 2015. №12.
9. Perspektivy vosstanovlenija i kompleksnogo razvitija Podmos-kovnogo burou-gol'nogo bassejna / N.M. Kachurin, S.A. Vorob'ev, P.V. Vasil'ev, S.M. Bogdanov // Gornyj zhurnal. 2016. №2. S. 30-35.
10. Granicy primenimosti linearizovannyh uravnenij fil'tra-cii gazov i prognoz dinamiki gazovydelenija iz vyrabotannogo prostranstva / N.M. Kachurin, S.A. Vorob'ev, O.A. Afanas'ev, D.N. Shkuratskij // Izvestija Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Ser. Tehnicheskie nauki. 2014. Vyp. 1. S. 152-158.
11. Jekologicheski bezopasnaja geotehnologija kompleksnogo osvoenija me-storozhdenij burogo uglja / N.M. Kachurin, V.l. Efimov, V.V. Faktorovich, E.K. Mosina // Bezopasnost' truda v promyshlennosti. 2014. №10. S. 65 - 70.
12. Raspredelenie resursov na profilaktiku zagrjaznenija atmosfery gornopromysh-lennogo rajona /N.M. Kachurin, L.L. Rybak, V.l. Efimov, S.A. Vorob'ev.// Bezopasnost' truda v promyshlennosti. №2. 2015. S. 24-27.
13. Ocenka predel'no dopustimyh pylegazovyh vybrosov gornyh predprijatij v at-mosferu/ N.M. Kachurin, L.L. Rybak, V.l. Efimov, S.A. Vorob'ev// Bezopasnost' truda v promyshlennosti. №3. 2015. S. 36-39.
14. Ajerodinamika porodnyh otvalov ugol'nyh shaht / N.M. Kachu-rin, G.V. Stas', A.D. Levin, V.L. Rybak // Izvestija Tul'skogo gosudar-stvennogo universiteta. Ser. Nauki o Zemle. Vyp. 1. 2016. S. 23-34.
15. Modelirovanie rezhimov raboty sistem ventiljacii podgotovitel'-nyh vyrabotok / N.M. Kachurin, S.A. Vorob'ev, A.D. Levin, P.V. Vasil'ev // Izvestija Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Ser. Nauki o Zemle. Vyp. 1. 2016. S. 156-167.
16. Nikolai M. Kachurin, Sergei A. Vorobev, Sergei M. Bogdanov. Evaluating Polluting Atmosphere be Mining Enterprises and Optimizing Prophylactic Measures Resources /
5th International Symposium. Mining and Environmental Protection. Vrdnik. Serbia. 2015. P. 135-140.
17. Environmental Danger of Worked and Liquidated Coal Mines Open Areas / Nikolai M. Kachurin, Sergei A. Vorobev, Dimitriy N. Shkuratckiy, Sergei M. Bogdanov // 5th International Symposium. Mining and Environmental Protection. Vrdnik. Serbia. 2015. P. 141-149.
18. Kachurin N.M., Pozdeev A.A., Stas' G.V. Prognoz vydelenija radona v gornye vyrabotki ugol'nyh shaht// Izvestija TulGU. Estestvennye nauki. Vyp. 1. Ch. 2. 2012. S. 133-142.
19. Kachurin N.M., Pozdeev A.A., Stas' G.V.. Vydelenija radona v atmosferu gornyh vyrabotok ugol'nyh shaht// Izvestija Tul'skij gosu-darstvennyj universitet. Ser. Nauki oZemle. Vyp. 1. 2012. S. 46-56.
20. Radon v atmosfere ugol'nyh shaht / N.M. Kachurin [i dr.]// M. GIAB. Vyp.8. 2012. S. 88-94.
УДК 692.1; 69.035
ПРОГНОЗ БЕЗОПАСНОЙ ЗОНЫ ВЛИЯНИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА
ПОЛУЗАГЛУБЛЕННЫХ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ
П.А. Деменков, Н.А. Беляков В.И., Очкуров
Приведены результаты численного моделирования строительства полузаглубленного сооружения под защитой «стены в грунте». В моделях изменялись свойства грунтов и жесткость «стены в грунте». Это позволило выявить закономерности изменения напряженно-деформированного состояния от толщины стены и физико-механических свойств грунтов. По результатам исследований были построены мульды оседаний поверхности при строительстве котлована, эпюры изгибающих моментов, поперечных и продольных сил, возникающих в стене. Были выделены зоны влияния строящегося полузаглубленного сооружения на существующую застройку. По графикам вертикальных смещений земной поверхности построены линии тренда и получены аналитические зависимости.
Ключевые слова: котлованы, оседания, стена в грунте, смещения, глинистые грунты, полузаглубленные подземные сооружения, метод конечных элементов.
Введение. Строительство зданий и сооружений в условиях плотной городской застройки может оказывать значительное влияние на существующую застройку [0-0]. Для снижения негативного влияния при строительстве глубокого котлована на основание и фундаменты соседних зданий применяют различные конструктивные и технологические решения ограждающих конструкций. Наиболее эффективной в этом случае считается «стена в грунте», которая позволяет минимизировать воздействия на окружающую застройку [0, 0, 0].
