CC BY
37
УДК 622.411.39:546.296 © Н.М. Качурин, В.И. Ефимов, Г.В. Стась, 2017
Оценка выделения радона при подземной добыче угля
- Р01: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2017-12-38-41 -
ill
Jut
КАЧУРИН Николай Михайлович
Доктор техн. наук, профессор, заведующий кафедрой Тульского государственного университета, 300012, г. Тула, Россия, e-mail: [email protected]
ЕФИМОВ Виктор Иванович
Доктор техн. наук, заместитель директора по перспективному развитию Филиала АО ХК «СДС-Уголь» в г. Москве,
профессор НИТУ «МИСиС», 119034, г. Москва, Россия, e-mail: [email protected]
СТАСЬ Галина Викторовна
Канд. техн. наук, доцент Тульского государственного университета, 300012, г. Тула, Россия, e-mail: [email protected]
Обобщен опыт оценки радоновыделения, накопленный в Подмосковном буроугольном бассейне, где причиной выделения радона являлась повышенная ураноносность. Показано, что в Подмосковном бассейне повышенная урано-носность главным образом связана с угленосными визей-скими отложениями. Доказано, что основными источниками выделения радона являются разрабатываемый угольный пласт, надрабатываемые рудопроявленияурана и подзем-
ные 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, а при достаточно большом удалении от начала дренажного канала радоновыделение из подземной воды стремится к некоторому максимальному значению.
Ключевые слова:радон,уран, угольный пласт, вмещающие породы, подземные воды, диффузия, удельная активность, радоновыделение.
ВВЕДЕНИЕ
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 имеет промышленного значения в связи с малыми мощностями рудных тел и содержанием полезного компонента. Природный уран, содержащий главным образом два изотопа - 238U (99,3 % общей массы) и 235 U - актиноуран (0,7%), дает начало вместе с 232^ трем рядам радиоактивного распада естественных радионуклидов. Основной изотоп урана является альфа-излучателем, но в продуктах его распада имеются короткоживущие бета- и гамма-излучатели. Последние обусловливают 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].
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВЫДЕЛЕНИЯ РАДОНА
ИЗ РАЗРАБАТЫВАЕМОГО УГОЛЬНОГО ПЛАСТА,
ВМЕЩАЮЩИХ ПОРОД И ПОДЗЕМНЫХ ВОД
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 известны 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, Пе-черского 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, надрабаты-ваемые рудопроявления урана и подземные воды [4, 5].
Выделения радона с поверхности обнажения разрабатываемого угольного пласта можно описать уравнением [6]: а2АУ / ах2-X^ЛУП = 0, где: Бйя - коэффициент диффузии радона в угле; Л™ - удельная активность газовой смеси по радону в разрабатываемом угольном пласте; 1Кп - константа скорости естественного радиоактивного распада радона; - интенсивность образования радона в разрабатываемом угольном пласте; х - пространственная координата с началом отсчета, расположенным на поверхности обнажения разрабатываемого угольного пласта. Решение этого уравнения для условий, характеризующих газообмен поверхности обнажения разрабатываемого угольного пласта с воздухом, получено в следующем виде [7]:
A
УП ,
г УП
r (*) =
к Rn
1 - exp
(1)
Дифференцируя зависимость (1) в точке х = 0 найдем абсолютное радоновыделение из разрабатываемого угольного пласта (7™):
--J
(2)
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]:
ЛВП
D d A / d7 AB
DRn d ARn / d7 RnARn
*m = 0, где: ARU - удельная активность по радону газовой смеси во вмещающих породах; z - вертикальная координата, с началом отсчета на поверхности рудопроявления и направленная в сторону рассматриваемой горной выработки. Граничные условия для вертикальной миграции имеют вид: -DRn(М™ / dz)z=0 = J™ = const, lim ARn ф да, где: JВп - интенсивность образования радона в подрабатываемом урановом месторождении. Решение данного уравнения для заданных граничныхусловий можно записать следующим образом [9]:
AB ( Z):
0 5JВП
Rn
^exp
(3)
Дифференцируя зависимость (3) в точке г = к, где к -расстояние от урановой залежи до почвы рассматриваемой выработки, найдем абсолютное радоновыделение из подрабатываемого уранового рудопроявлений (1™):
I т _ j rn
'-Rn _ JRn eXP
-h
(4)
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 М™ / <Лх = -XКпА™ - , где: и - средняя скорость воды
в дренажном канале; А™ - удельная активность подземных вод по радону; - интенсивность дегазации радона из подземных вод.
Решение последнего уравнения имеет вид [10]:
exp
(Ч + К )L
(5)
где: кд - константа скорости процесса дегазации воды в дренажном канале; А™ | , А™ | - соответственно начальное и конечное значение удельной активности подземных вод по радону в точках х = 0 и х = Ь.
Тогда абсолютное радоновыделение из подземных вод (7™) можно определить, используя следующую формулу:
I"
- A
QnB I1 - exP
Q'Rn + К )L
(6)
где QnB - приток подземных вод на рассматриваемом технологическом объекте.
Анализ горизонтального распределения удельной активности радона в плоскости, разрабатываемого угольного пласта 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^да, то есть lim АУП (x) = A™ = J™ / XRn. Следует отметить высокий темп снижения скорости миграции радона
- z
u
u
—х
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, 12, 13, 14, 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 вод, по результатам вычислительных экспериментов, при достаточно больших значениях L стремиться к асимптоте ¡"В = A™ | QnB. Радоновыделение из подземных вод зависит от скорости радиоактивного распада, скорости десорбции радона из воды и средней скорости течения воды в дренажном канале.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
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. Качурин Н.М., Поздеев А.А., Стась Г.В. Выделения радона в атмосферу угольных шахт // Безопасность жизнедеятельности. 2012. №12. С. 20-23.
2. Качурин Н.М., Поздеев А.А., Стась Г.В. Прогноз выделения радона в горные выработки угольных шахт // Изве-
стия тульского государственного университета. Естественные науки. 2012. №1. С. 133.
3. Физическая модель и математическое описание миграции радона в надработанных породах / Н.М. Качурин, Г.В. Стась, С.А. Воробьев, Н.А. Мпеко // Известия Тульского госу-да рственного университета. Науки о Земле. 2014. № 4. С. 64-68.
4. Миграция радона в надработанных породах / Н.М. Качурин, Г.В. Стась, С.А. Воробьев, Н.А. Мпеко // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2014. №4. С. 69-72.
5. Качурин Н.М., Стась Г.В., Мпеко Н.А. Перенос радона в выработках очистного участка и расчет количества воздуха по радоновому фактору // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2014. №2. С. 78-82.
6. Качурин Н.М., Стась Г.В., Мпеко Н.А. Перенос радона в подготовительных выработках и расчет количества воздуха по радоновому фактору // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2014. №3. С. 51-54.
7. Геомеханическое обоснование газодинамической модели движения метана в подработанных горных породах / Н.М. Качурин, С.А. Воробьев, Д.Н. Шкуратский, Р.В. Сидоров // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2014. №2. С. 83-88.
8. Evaluating of closed mines mining lease territories environmental safety by gas factor/ N. Kachurin, V. Efimov, S. Vorobev, D. Shkuratckiy // Eurasian Mining. 2014. №2. С. 41.
9. Математические модели газовыделения и диффузионного переноса газовых примесей на очистных участках шахт и рудников / Н.М. Качурин, И.И. Мохначук, А.А. Поздеев, Г.В. Стась // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2013. №4. С. 195-206.
10. Аэрогазодинамические процессы на очистных участках шахт и рудников / Н.М. Качурин, И.И. Мохначук, А.А. Поздеев, Г.В. Стась // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2013. №1. С. 81-90.
11. Качурин Н.М., Воробьев С.А., Качурин А.Н. Прогноз метановыделения с поверхности обнажения угольного пласта в подготовительную выработку при высокой скорости проходки // Горный журнал. 2014. №4. С. 70-73.
12. Прогноз газовых ситуаций в угольных шахтах в периоды падения атмосферного давления / Н.М. Качурин, С.А. Воробьев, О.А. Афанасьев, Д.Н. Шкуратский // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2014. №1. С. 152-158.
13. Теоретические положения прогноза газовых ситуаций в углекислотообильных шахтах / Н.М. Качурин, Р.А. Ковалев, Д.Н. Шкуратский, С.А. Воробьев // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2014. № 3. С. 74-89.
14. Качурин Н.М., Каледина Н.О., Качурин А.Н. Выделение метана с поверхности обнажения угольного пласта при высокой скорости подвигания подготовительного забоя // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2013. №3. С. 25-31.
15. Математические модели аэрогазодинамических процессов на очистных участках шахт и рудников/ Н.М. Качурин, И.И. Мохначук, А.А. Поздеев, Г.В. Стась // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. 2013. №1. С. 267-276.
COAL QUALITY
UDC 622.411.39:546.296 © N.M. Kachurin, V.I. Efimov, G.V. Stas, 2017
ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2017, № 12, pp. 38-41 Title
EVALUATION OF RADON EMITTING BY UNDERGROUND COAL MINING
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2017-12-38-41
Authors
Kachurin N.M.1, Efimov V.I.2- 3, Stas G.V.1
1 Tula State University, Tula, 300012, Russian Federation
2 National University of Science and Technology "MISIS" (NUST "MISIS"), Moscow, 119049, Russian Federation
3 "SBU-Coal" Holding Company, JSC, Kemerovo, 650066, Russian Federation
Authors' Information
Kachurin N.M., Doctor of Engineering Sciences, Professor, Head of a Chair, e-mail: [email protected]
Efimov V.I., Doctor of Engineering Sciences, Professor, e-mail: v.efimov@ sds-ugol.ru
Stas G.V., PhD (Engineering), Associate Professor, e-mail: galina_stas@ mail.ru
Abstract
Experience of evaluating radon emitting cumulative in Moscow Coal Basin where reason of radon emitting has been increased uranium content was generalized. It's shown that in Moscow Coal Basin increased uranium content is connected essentially with coal-bearing ancient sediments. It's proved that basic sources of radon emitting are mined coal beds, uranium deposits and underground waters. Regularities radon emitting from mined coal beds, uranium deposits and underground waters were substantiated. It's determined that radon emitting from mined coal beds and rocks are depended from diffusion properties of substance of coal and rocks, radioactive decay rate, sorption rate constant of radon and intensity of arising radon in rock massif. radon emitting from underground waters is depended from radioactive decay rate and average velocity of water flow in drainage canal. radon emitting from underground waters tends to certain maximum value.
Keywords
Radon, Uranium, Coal bed, Enclosing strata, Underground waters, Diffusion, Specific activity, Radon emitting.
References
1. Kachurin N.M., Pozdeyev A.A. & Stas G.V. Vydeleniya radona v atmosferu ugol'nyh shaht [Radon emission to coal mines atmosphere]. Bezopasnost' zhiznedeyatel'nosti - Life and Safety, 2012, no. 12, pp. 20-23.
2. Kachurin N.M., Pozdeyev A.A. & Stas G.V. Prognoz vydeleniya radona v gornye vyrabotki ugol'nyh shaht [Forecast of radon emission to coal mines workings]. Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Estestvennye nauki - News of the Tula State University. Natural Sciences, 2012, no. 1, pp. 133.
3. Kachurin N.M., Stas G.V., Vorobyov S.A. & Mpeko N.A. Fizicheskaya model' i matematicheskoe opisanie migratsii radona v nadrabotannyh porodah [Physical model and mathematic description of radon migration in overworked rock]. Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. NaukioZemle- News of the Tula State University. Sciences of Earth, 2014, no. 4, p. 64-68.
4. Kachurin N.M., Stas G.V., Vorobyov S.A. & Mpeko N.A. Migratsiya radona v nadrabotannyh porodah [Radon migration in overworked rock]. Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o Zemle - News of the Tula State University. Sciences of Earth, 2014, no. 4, pp. 69-72.
5. Kachurin N.M., Stas G.V. & Mpeko N.A. Perenos radona v vyrabotkah ochistnogo uchastka i raschet kolichestva vozduha po radonovomu faktoru [Radon transfer in the stoping ground workings and radon-based at mos phere calculation]. Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o Zemle - News of the Tula State University. Sciences of Earth, 2014, no 2, pp. 78-82.
6. Kachurin N.M., Stas G.V. & Mpeko N.A. Perenos radona v podgotovitel'nyh vyrabotkah i raschet kolichestva vozduha po radonovomu faktoru
[Radon transfer in development workings and radon-based atmosphere calculation]. Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o Zemle - News of the Tula State University. Sciences of Earth, 2014, no. 3, pp. 51-54.
7. Kachurin N.M., Vorobyov S.A., Shkuratskiy D.N. & Sidorov R.V. Geomekhanicheskoe obosnovanie gazodinamicheskoy modeli dvizheniya metana v podrabotannyh gornyh porodah [Geomechanical substantiation of gas-dynamic model of methane dynamics on overworked rock]. Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o Zemle - News of the Tula State University. Sciences of Earth, 2014, no. 2, pp. 83-88.
8. Kachurin N.M., Efimov V.I., Vorobiev S.A. & Shkuratckiy D.N. Evaluating of closed mines mining lease territories environmental safety by gas factor. Eurasian Mining, 2014, no. 2, pp. 41.
9. Kachurin N.M., Mokhnachuk I.I., Pozdeyev A.A. & Stas G.V. Matematicheskie modeli gazovydeleniya i diffuzionnogo perenosa gazovyh primesey na ochistnyh uchastkah shaht i rudnikov [Mathematical models of trace gases emission and diffusion transfer in mines and shafs working faces]. Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Tekhnicheskie nauki - News of the Tula State University. Technical Sciences,
2013, no. 4, pp. 195-206.
10. Kachurin N.M., Mokhnachuk I.I., Pozdeyev A.A. & Stas G.V. Aerogazodinamicheskie protsessy na ochistnyh uchastkah shaht i rudnikov [Aerogasdynamic processes in shafts working faces and mines]. Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o Zemle - News of the Tula State University. Sciences of Earth, 2013, no. 1, pp. 81-90.
11. Kachurin N.M., Vorobyov S.A. & Kachurin A.N. Prognoz metanovydeleniya s poverhnosti obnazheniya ugol'nogo plasta v podgotovitel'nuyu vyrabotku pri vysokoy skorosti prohodki [Predicted methane emission from the coal seam surface into the development working during high rate penetration]. Gornyy Zhurnal - Mining Journal,
2014, no. 4, pp. 70-73.
12. Kachurin N.M., Vorobyov S.A., Afanasyev O.A. & Shkuratsky D.N. Prognoz gazovyh situatsiy v ugol'nyh shahtah v periody padeniya atmosfernogo davleniya [Predicted gas situation in coal mines during atmospheric pressure drop]. Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Tekhnicheskie nauki - News of the Tula State University. Technical Sciences, 2014, no. 1, pp. 152-158.
13. Kachurin N.M., Kovalyov R.A., Shkuratsky D.N. & Vorobyov S.A. Prognoz gazovyh situatsiy v ugol'nyh shahtah v periody padeniya atmosfernogo davleniya [Theoretical aspects of gas situation prediction in carbon dioxide rich mines]. Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o Zemle - News of the Tula State University. Sciences of Earth, 2014, no. 3, pp. 74-89.
14. Kachurin N.M., Kaledina N.O. & Kachurin A.N. Vydelenie metana s poverhnosti obnazheniya ugol'nogo plasta pri vysokoy skorosti podviganiya podgotovitel'nogo zaboya [Methane emission from the coal seam surface at high development face advance rate]. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Gornyy zhurnal - News of Higher Educational Institutions. Mining Journal, 2013, no. 3, pp. 25-31.
15. Kachurin N.M., Mokhnachuk I.I., Pozdeyev A.A., Stas G.V. Matematicheskie modeli aerogazodinamicheskih protsessov na ochistnyh uchastkah shaht i rudnikov [Mathematical models of aerogasdynamic processes in shafts working faces and mines]. Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o Zemle - News of the Tula State University. Sciences of Earth, 2013, no. 1, pp. 267-276.
