CC BY
111
УДК 622.349.5002.2:6228 Е. Т. Воронов
АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ БОРЬБЫ С РАДОНОМ НА УРАНОВЫХ РУДНИКАХ
Обосновывается эффективность перевода урановых рудников на компрессионный метод проветривания рабочих блоков, т.е. под повышенным избыточным давлением, создаваемым главными вентиляционными установками. Проведена оценка радиационной обстановки на подземных горных работах с учетом гамма-облучения при добыче богатых урановых руд.
Ключевые слова: урановые руды, радиационная опасность, радон, призабойная зона, вентиляционная струя.
~П Забайкальском крае находится единственный в России и
-Я-М один из крупнейших в мире горно-химический комплекс по добыче и переработке урановых руд - ОАО Приаргунское производственное горно-химическое объединение РосАтома («III1ГХО»). От его стабильной работы во многом зависит национальная безопасность России.
Создание безопасных условий труда с учетом радиационного фактора является одной из актуальных горнотехнических проблем при подземной разработке урановых месторождений.
На подземных урановых рудниках на горнорабочих воздействуют одновременно два основных радиационных фактора:
а) внутреннее а-облучение организма за счет вдыхания корот-коживущих продуктов распада радона, образующихся в рудничной атмосфере в виде аэрозолей;
б) внешнее жесткое у-облучение от обнаженного рудного массива и отбитой урановой руды с высоким содержанием урана (>0,3 %).
При добыче руд со средним содержанием урана главным источником радиационной опасности является радон и его коротко-живущие дочерние продукты распада, на долю которых приходится около 70 % от суммарной дозы облучения подземных горнорабочих. Основным методом борьбы с радоном в подземных горных выработках является активная вентиляция очистных забоев.
Высокая ценность богатых руд и значительное радоновыделе-ние в очистных блоках обусловило доминирующее (до 90 %)
применение системы разработки нисходящими слоями с твердеющей закладкой. Слоевая система разработки с нисходящей выемкой и твердеющей закладкой обеспечивает необ-ходимую полноту выемки, низкие потери и разубоживание, значительно повышает радиационную безопасность за счет максимального снижения площади рудных обнажений и проветриваемых объемов в очистных блоках. Однако, являясь наиболее безопасной в радиационном отношении, данная система очистных работ требует разработки и внедрения эффективных многозабойных систем проветривания тупиковых очистных заходок, в которых выделяется около 80 % общерудничного дебита радона. Рациональная схема проветривания блока приведена на рисунке.
Наиболее сложной задачей в организации радиационной защиты горнорабочих при данной системе разработки является проветривание тупиковых очистных заходок, длина которых достигает 100-150 м. Очень часто из-за постоянного отставания конца нагнетательного трубопровода от конца очистного забоя в результате его повреждения при взрывных работах в призабойной зоне образуется слабопроветриваемая застойная зона, где происходит накопление наиболее опасных в радиационном отношении дочерних продуктов распада радона и радиоактивной пыли.
На основании теоретических и производственных исследований нами установлено, что ускорить вынос радона, а следовательно, улучшить радиационную обстановку в очистных забоях можно за счет повышения аэродинамического качества и дальнобойности призабойной вентиляционной струи, для чего разработан ряд аэродинамических насадок, позволяющих повысить эффективность выноса радона из тупиковых очистных заходок более чем в 2 раза (см. таблицу).
Наиболее эффективной по радоновому и пылевому факторам является коаксиальная насадка с разделением струи, которая обеспечивает нормальную радиационную обстановку в очистной заход-ке при отставании трубопровода от груди забоя на 20-22 м.
Дальнейшее снижение запасов урановых руд с высоким содержанием металла предопределяет необходимость
Рациональная схема проветривания очистного блока при слоевой системе разработки с нисходящей выемкой и твердеющей закладкой
максимально возможного перехода на подземных горных работах ОАО «ППГХО» на более экономичные и высокопроизвоительные системы разработки с массовой отбойкой руды скважинами, а также на подземное блоковое выщелачивание.
Основным лимитирующим фактором при внедрении высокопроизводительных систем разработки урановых залежей с массовой отбойкой является радиационный фактор, т.е. высокая радоно-обильность очистных работ.
Насадка Общая схема насадок L, м ЭРОАщ,, 105 Мзв/л
С направляющим откосом С > 14,0 0,84
Насадка- конфузор >- 0 об 1 0,5
Коаксиаль- ная 0 0,4
Одним из реальных путей решения данного вопроса является изыскание аэродинамических методов снижения дебита радона в зоне проведения очистных работ.
Процесс выделения радона в рудничную атмосферу можно разделить на три этапа.
На первом этапе происходит эманирование радона, т.е. выделение его из кристаллической структуры 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 не весь свободный радон.
На третьем, заключительном этапе процесса происходит фильтрационно-диффузное 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, в свою очередь, определяется проницаемостью массива и перепадом давления воздуха между горными выработками.
Процесс радоновыделения, диффузионно-фильтрацион-ный перенос радона по макротрещинам рудного массива описывается
уравнением (ось У расположена по направлению фильтрационного потока воздуха)
- 2С -С
ктдР-~с^-Vф-^ + Ртр -Ср = 0, (1)
где КДДР - коэффициент диффузии радона в трещинах, см2/с; Уф -истинная скорость фильтрационного потока воздуха в трещинах, см/с; А - постоянная распада радона (2,1-10-6 с-1); Стр - концентрация радона в микротрещинах, Бк/см3; ртр - удельное радоновыделе-ние на ед. объема трещин рудного массива, Бк/(с - см3).
Анализ уравнения показывает, что механизм переноса радона в трещинах массива близок к чисто фильтрационному и описывается уравнением
- Vф ГТР - АСТР + Рпр = 0, (2)
-у
Следовательно, фильтрационные потоки воздуха в горном массиве, возникающие под 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
„ КПР АР
^ =—т--------, (3)
msLVв
где Кпр - коэффициент проницаемости массива, см2; АР - перепад барометрического (статического) давления воздуха между горными выработками, Па; mS - трещинная пустотность массива, рассчитанная по площади, отн. ед.; ^В - динамическая вязкость воздуха, равная 1,8-10"5Па-с при 15-20 °С.
На основании анализа приведенных зависимостей предложен аэродинамический метод снижения дебита радона, основанный на компрессионном способе проветривания очистных блоков под повышенным подпором главного вентилятора. Повышенное давление воздуха в рабочих блоках будет препятствовать активной фильтра-
ции радона из обнаженного массива радиоактивных руд и выработанного пространства.
Внедрение компрессионного проветривания уже на первом этапе работы позволило снизить дебит радона в рабочие подземные выработки за счет замедления процессов фильтрации из обнаженного массива радиоактивных руд в 3-4 раза и значительно повысить радиационную безопасность горнорабочих за счет снижения внутреннего а-облучения организма горнорабочих.
В последние годы в связи с переходом горных работ на нижние горизонты и отработкой рудного тела «Антей» с богатым содержанием урана в ряде очистных блоков в годовой дозе облучения горнорабочих на первое место вышло жесткое внешнее у-облучение, на уровень которого не влияет вентиляция, и для которого теоретически возможны только три принципа защиты: защита расстоянием, экранированием и временем. Первый и второй принципы нереальны, т.к. применяемая на данном предприятии горная техника требует постоянного непосредственного присутствия горнорабочих в очистных забоях. А для реализации принципа экранирования не создана спецодежда, защищающая горнорабочих от у-лучей, обладающих высокой проникающей способностью.
Для защиты от у-облучения в блоках с высоким содержанием урана на современном этапе применим принцип защиты временем работы, т.е. за счет максимального сокращения времени нахождения горнорабочих в очистных забоях на базе внедрения более производительной современной горной техники, и увеличение расстояния между рудой и рабочим местом горнорабочего.
На основании шахтных исследований установлено, что наиболее опасными по у-облучению являются операции по креплению горных выработок и бурению шпуров, требующие нахождения горнорабочих в очистной заходке длительное время (от 3 до 4 часов).
Анализ применяемого горно-шахтного оборудования по радиационной безопасности показывает, что для бурения шпуров в очистных блоках целесообразно использовать буровые установки УБШ, а для отгрузки руды погрузодоставочные машины ПД-2Э. Так, например, замена погрузодоставочных машин типа МПДН-1М на электрогидравлические ПД-2Э позволяет снизить в 4-6 раз дозу
внешнего у-облучения горнорабочих за счет исключения прямого контакта горнорабочих очистного забоя с богатой урановой рудой.
Выполненные исследования радиационной обстановки на урановых рудниках ОАО «ППГХО» по у-облучению показывают, что существующий уровень технической оснащенности подземных работ отечественным погрузочно-транспортным и буровым оборудованием не в состоянии в полной мере обеспечить современные нормы радиационной безопасности (НРБ-99) в очистных блоках с высоким содержанием урана, вгсге
Voronov E. T.
THE PROBLEMS OF RADIATION SAFETY AT RUSSIAN URANIUM MINES
He proves the efficiency of compressive ventilation method at uranium mines, which extra overpressure airing is charged by main ventilation unit. Author made an assessment of radioactivity situation factoring in gamma-ray irradiation at underground high grade uranium ore mines.
Key words: uranic ore, radiation danger, radon, ventilation current of fresh air.
— Коротко об авторе ----------------------------------------
Воронов Е.Т. - заведующий кафедрой Безопасности жизнедеятельности, Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник Института природных ресурсов, экологии и криологии Сибирского отделения Российской академии наук (ИПРЭК СО РАН, г. Чита, Читинский государственный университет, Е-таіі: root@chitgu.ru
