CC BY
35
УДК 622.411.39:546.296 © Н.М. Качурин, В.И. Ефимов, Г.В. Стась, А.Н. Качурин, 2018
Прогноз радоновой опасности и расчет количества воздуха для проветривания очистных участков по радоновому фактору
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-1-40-43
All
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]
КАЧУРИН Александр Николаевич
Канд. техн. наук,
инженер Тульского государственного университета, 300012, г. Тула, Россия, e-mail: [email protected]
Обоснованы закономерности переноса радона вентиляционной струей в выработках очистного участка. Показано, что целесообразно рассматривать одномерную конвективную диффузию. Доказано, что диффузионный перенос радона воздухом в выработках очистного участка происходит в стационарном режиме. Вычислительные эксперименты, выполненные для среднестатистических значений горно-геологических условий и технологических па-
раметров, показали, что, как правило, фактор радоновы-деления является превалирующим фактором на углекис-лотообильных шахтах при стабильном атмосферном давлении. При этом количество воздуха по фактору радоно-выделения на 20-30% превышает количество воздуха, необходимое для разбавления углекислого газа до предельно допустимого значения.
Ключевые слова:радон, воздух, конвективная диффузия, количество воздуха, очистной участок, объемная активность воздуха, математическая модель.
ВВЕДЕНИЕ
Исследования причин изменения состава рудничной атмосферы, газоносности углей, горных пород и их коллек-торских свойств, генезиса газов угольных месторождений, источников газовыделения и их дебита, выполненные в России и за рубежом, показывают, что газовый фактор является одним из важнейших показателей общей безопасности подземных горных работ [1, 2, 3], и этот показатель должен отражать специфические особенности угольных бассейнов [4, 5, 6]. До некоторого времени в научных публикациях и действующем Руководстве по проектированию вентиляции угольных шахт для Подмосковного угольного бассейна газовые ситуации определялись двумя взаимосвязанными и одновременно протекающими процессами - выделением углекислого газа и поглощением кислорода из шахтного воздуха [7, 8, 9]. Однако исследования последних лет показали, что в структуре газового баланса шахт необходимо учитывать радон [10, 11].
ПРОГНОЗ РАДОНОВОЙ ОПАСНОСТИ
Согласно оценкам экспертов ООН, радон, вместе со своими дочерними продуктами распада, дает около 50% эквивалентной дозы облучения. Для радона доказана корреляция между его содержанием в воздухе и заболеванием раком органов дыхания. Впервые такая связь была установлена для горняков урановых шахт Рудных гор в Германии, затем у горняков рудника на территории Ньюфаундленда и рудников Канады [12, 13, 14].
Вновь обсуждаются перспективы возрождения Подмосковного угольного бассейна, в том числе и возможность строительства угольных шахт [15, 16, 17]. Поэтому имеющиеся методики расчета количества воздуха для проветривания очистных и подготовительных участков шахт Подмосковного бассейна необходимо уточнить по радоновому фактору. Диффузионный перенос радона
воздухом в выработках очистного участка происходит в стационарном режиме. Учитывая соотношения поперечных размеров и суммарной длины выработок, целесообразно рассматривать одномерную конвективную диффузию [1, 2, 3].
РАСЧЕТ КОЛИЧЕСТВА ВОЗДУХА
ДЛЯ ПРОВЕТРИВАНИЯ ОЧИСТНЫХ УЧАСТКОВ
ПО РАДОНОВОМУ ФАКТОРУ
Расчетная схема переноса радона в выработках очистного участка представлена на рис. 1.
В выработках очистного участка средняя скорость движения воздуха достаточно велика, чтобы можно было пренебречь турбулентной диффузией, поэтому в общем виде нестационарная конвективная диффузия радона в выработках очистного участка описывается уравнением: дЛВл / д( + и „.у дЛдп / дх = -ХВп ЛКп + Е/о у, где: АКп - объемная активность воздуха по радону; иоу - средняя скорость воздуха в выработках очистного участка; 1/оу - суммарные выделения радона в воздух в выработках очистного участка из различных источников; ХКп - константа скорости естественного радиоактивного распада радона; х - время и пространственная координата соответственно. Натурные наблюдения и результаты вычислительных экспериментов показывают, что наиболее опасные распределения газовых примесей в воздухе формируются в виде стационарных продольных профилей концентраций рассматриваемых примесей.
Адаптируя это уравнение к реальным физическим условиям, перенос радона в выработках очистного участка можно описать следующим уравнением стационарной конвективной диффузии:
«о.у 9Ап 1 ^ = ~^КпАКп + Чоу • Решение этого уравнения для граничного условия АКп(0) = 0 имеет следующий вид:
считать количество воздуха очистного участка по фактору радоновыделен ия ди намическим методом (то есть с учетом конвективного переноса). При этом средняя по сечению выработки концентрация радона не должна превышать ПДАДп, где: ПДАКп - предельно допустимая активность воздуха по радону. Решая уравнение (1) для АКп(х) = ПДАКп при х=(БЬ)о.у, где (БЬ)о.у - суммарная длина выработок очистного участка, относительно средней скорости движения воздуха, и переходя к объемному расходу воздуха получим, следующую формулу для расчета количества воздуха по фактору радоновыделения:
О04 =■
V-Rn
X Rn (2L)„, ^
ln
2/0, ( 2/0.у -XRnПДАR„ )-
(2)
где: - количество воздуха, которое необходимо подавать на очистной участок, чтобы объемная активность воздуха по радону на исходящей струе не превышала величины ПДАК; (БЬ) - суммарная проектная длина вые-
U
ARn ( х) = оу
(
1 - exp
л
о.у у
(1)
Результаты вычислительных экспериментов представлены на рис. 2 в виде графиков зависимости АКп = АКп(х)/Ада от коорди наты х, где А = 1/ /Х„. Вычислительные эксперименты
да о.у Кп 1
проведены для различных значений ю, где
ю = Х„ /и .
Кп о.у
Анализ результатов вычислительных экспериментов показывает, что при больших значениях х удельная активность воздуха по радону стремиться к асимптотическому значениюАда. Удельная активность воздуха в выработках очистного участка зависит от величины абсолютного радоновыделения, скорости радиоактивного распада радона и средней скорости движения воздуха. Следовательно, зависимость (1) может использоваться для прогнозной оценки радоновой опасности в выработках очистного участка. Связь удельной активности воздуха со средней скоростью его движения позволяет рас-
Рис. 1. Расчетная схема переноса радона в выработках очистного участка Fig. 1. Calculation model for radon transfer in production face working areas
A*.
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
^--
rvj
(/ 3 5
-L-1!
0 500 1000 1500 2000
Рис. 2. Графики зависимости ARn от координаты x для выработок очистного участка. Значения w, 1/м: I - 5x102 2 - 10-2; 3 - 5x10^; 4 - 103 5 - 5x0 Fig. 2. Charts of ARn dependence on x for production face working area. Values ю, 1/m: 1 - 5x10-2; 2 -10-2; 3 - 5x10-3; 4 - 10-3; 5 - 5x10-4
х
Расчет количества воздуха для очистных участков шахт Подмосковного бассейна
Сочетание расчетных параметров Расчетная углекислотообильность, м3/мин. Расчетное количество > воздуха, м3/мин.
Среднестатистический очистной участок Очистной участок с оптимальными параметрами По фактору выделения углекислого газа По фактору радоновыделения
Максимальное 0,85 1 201-260 274
Минимальное 0,1 0,24 36-86 156
Среднее 0,63 0,74 189-222 231
мочных штреков и лавы; S3 - эквивалентная по расходу воздуха площадь поперечного сечения выработок очистного участка.
Результаты расчета количества воздуха для очистных участков действовавших шахт Подмосковного бассейна представлены в таблице.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Вычислительные эксперименты, выполненные для среднестатистических значений горно-геологических условий и технологических параметров, показали, что, как правило, фактор радоновыделения является превалирующим фактором на углекислотообильных шахтах при стабильном атмосферном давлении. При этом количество воздуха по фактору радоновыделения на 20-30% превышает количество воздуха, необходимое для разбавления углекислого газа до предельно допустимого значения.
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, Л.Л. 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.
C. 138-142.
3. Kachurin N.M., Efimov V.I., Vorobev S.A., Shkuratckiy
D.N. Evaluating of closed mines mining lease territories environmental safety by gas factor // Eurasian Mining. 2014. № 2. Рр. 41-44.
4. Kachurin N.M., Vorobev S.A., Korchagina T.V., Sidorov R.V. Scientific and practical results of monitoring of anthropogenic influence on mining-industrial territories environment // Eurasian Mining. 2014. No 2. Рр. 44-48.
5. Nikolai Kachurin, Vitaly Kоmashchenko, Vladimir Morkun. Environmental monitoring atmosphere of mining territories // Metallurgical and Mining Industry. 2015. No 6. Рр. 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. No 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. No 2.
8. Аппроксимация аэродинамических характеристик проходческих вентиляторов для автоматизации вентиляционных расчетов / Н.М. Качурин, С.А. Воробьев, А.Д. Левин, П.В. Васильев // Горный журнал. 2015. № 12. С. 76-79.
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, О.А. Афанасьев, Д.Н. Шкуратский // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2014. Вып. 1. С. 152-158.
11. Экологически безопасная геотехнология комплексного освоения месторождений бурого угля / Н.М. Качурин,
B.И. Ефимов, В.В. Факторович, 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. 2015. № 2. С. 24-27.
13. Оценка предельно допустимых пылегазовых выбросов горных предприятий в атмосферу / Н.М. Качурин, Л.Л. Рыбак, В.И. Ефимов, С.А. Воробьев // Безопасность труда в промышленности. 2015. № 3. С. 36-39.
14. Аэродинамика породных отвалов угольных шахт / Н.М. Качурин, Г.В. Стась, А.Д. Левин, В.Л. Рыбак // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2016. Вып. 1. С. 23-34.
15. Моделирование режимов работы систем вентиляции подготовительных выработок / Н.М. Качурин, С.А. Воробьев, А.Д. Левин, П.В. Васильев // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2016. Вып. 1.
C. 156-167.
16. Kachurin N.M., Vorobev S.A., Bogdanov S.M. Evaluating Polluting Atmosphere be Mining Enterprises and Optimizing Prophylactic Measures Resources / 5th International Symposium. Mining and Environmental Protection. Vrdnik. Serbia. 2015. Рp. 135-140.
17. Environmental Danger of Worked and Liquidated Coal Mines Open Areas / N.M. Kachurin, S.A. Vorobev,
D.N. Shkuratckiy, S.M. Bogdanov / 5th International Symposium. Mining and Environmental Protection. Vrdnik. Serbia. 2015. Рp. 141-149.
18. Качурин Н.М., Поздеев А.А., Стась Г.В. Прогноз выделения радона в горные выработки угольных шахт // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. 2012. Вып. 1. Ч. 2. 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. 2012. Вып. 1. С. 46-56.
20. Радон в атмосфере угольных шахт / Н.М. Качурин, А.А. Поздеев, Н.И. Абрамкин, Г.В. Стась // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2012. № 8. С. 88-94.
SAFETY
UDC 622.411.39:546.296 © N.M. Kachurin, V.I. Efimov, G.V. Stas, A.N. Kachurin, 2018
ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2018, № 1, pp. 40-43
Title
FORECASTING RADON DANGER AND CALCULATING QUANTITY OF AIR FOR VENTILATION OF PRODUCTION FACES BY RADON FACTOR
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-1-40-43
Authors
Kachurin N.M.', Efimov V.I.2, 3, Stas G.V.', Kachurin A.N.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, Moscow Branch, Moscow, 119034, 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, Deputy Director for Future Development, e-mail: [email protected] Stas G.V., PhD (Engineering), Associate Professor, e-mail: [email protected] Kachurin A.N., PhD (Engineering), Engineer, e-mail: [email protected]
Abstract
Regularities of radon transfer by ventilation jet in mining workings of production face were substantiated. It's shown that reasonably considering one-dimension convective diffusion. Diffusion radon transfer by air in mining workings of production face realizes at stationary regime. Results of calculated experiments which realized for typical values of geological-mining conditions and technological parameters demonstrated that as a rule the factor of radon emitting is dominant factor for carbon dioxide danger mines by stable atmospheric pressure. Quantity of air by that factor better on 20-30% then quantity of air which necessity for diluting carbon acid until maximum allowable concentration. Figures:
Fig. 1. Calculation model for radon transfer in production face working areas Fig. 2. Charts of ARn dependence on x for production face working area. Values ra, 1/m:
1 - 5x1C2; 2 - 1C2; 3 - 5x1C-3; 4 - 1Cr3; 5 - 5x1er4 Keywords
Radon, Air, Convective diffusion, Quantity of air, Production face, Volumetric activity of air, Mathematical model.
References
1. Kachurin N.M., Vorobyev S.A., Chistyakov Ya.V. & Rybak L.L. Ekologicheskie posledstviya zakrytiya ugolnyh shaht Kuzbassa po gazodinamicheskomu faktoru i opasnosti endogennyh pozharov na otvalah [Environmental consequences of Kuzbass coal mines shutdown by gas-dynamic factor and dumps endogenous fire hazard]. Ekologiya i promyshlennost Rossii - Environment and Industry of the Russia, 2015, No. 4, pp. 54-58.
2. Kachurin N.M., Efimov V.I. & Vorobev S.A. Metodika prognozirovaniya eko-logicheskih posledstviy podzemnoy dobychi uglya v Rossii [Methodology for underground coal mining environmental impact prediction in Russia]. Gornyy Zhurnal - Mining Journal, 2014, No. 9, pp. 138-142.
3. Kachurin N.M., Efimov V.I., Vorobev S.A. & Shkuratckiy D.N. Evaluating of closed mines mining lease territories environmental safety by gas factor. Eurasian Mining, 2014, No. 2, pp. 41-44.
4. Kachurin N.M., Vorobev S.A., Korchagina T.V. & Sidorov R.V. Scientific and practical results of monitoring of anthropogenic influence on mining-industrial territories environment. Eurasian Mining, 2014, No. 2, pp. 44-48.
5. Nikolai Kachurin, Vitaly Komashchenko, Vladimir Morkun. Environmental monitoring atmosphere of mining territories. Metallurgical and Mining Industry, 2015, No. 6, pp. 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, No. 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, No. 2.
8. Kachurin N.M., Vorobev S.A., Levin A.D. & Vasilev P.V. Approksimatsiya aerodinamicheskih harakteristik prohodcheskih ventilyatorov dlya avtoma-tizatsii ventilyatsionnyh raschetov [Shaft fan aerodynamic characteristics
approximation for ventilation calculations automation]. Gornyy Zhurnal -Mining Journal, 2015, No. 12, pp. 76-79.
9. Kachurin N.M., Vorobev S.A., Vasilev P.V. & Bogdanov S.M. Perspektivy vosstanovleniya i kompleksnogo razvitiya Podmoskovnogo burougolnogo basseyna [Prospects for restoration and integrated development of lignite basin near Moscow]. GornyyZhurnal - Mining Journal, 2016, No. 2, pp. 30-35.
10. Kachurin N.M., Vorobev S.A., Afanasyev O.A. & Shkuratsky D.N. Granitsy primenimosti linearizovannyh uravneniy filtratsii gazov i prognoz dinamiki gazovydeleniya iz vyrabotannogo prostranstva [Limits of linearized gas filtration equations applicability and forecast of gas evolution dynamics from depleted space]. Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Tekhnicheskie nauki - Tula State University Newsletter. Technical sciences, 2014, issue 1, pp. 152-158.
11. Kachurin N.M., Efimov V.l., Faktorovich V.V., Mosina Е.К. Ekologicheski bezopasnaya geotekhnologiya kompleksnogo osvoeniya mestorozhdeniy burogo uglya [Environmentally safe geotechnology of lignite field development]. Bezopasnost truda v promyshlennosti - Industrial Labor Safety, 2014, No. 10, pp. 65-70.
12. Kachurin N.M., Rybak L.L., Efimov V.l., Vorobev S.A. Raspredelenie resursov na profilaktiku zagryazneniya atmosfery gornopromyshlennogo rayona [Resources distribution for mining area atmosphere pollution prevention]. Bezopasnost truda v promyshlennosti - Industrial Labor Safety, 2015, No. 2, pp. 24-27.
13. Kachurin N.M., Rybak L.L., Efimov V.l. & Vorobev S.A. Otsenka predelno dopustimyh pylegazovyh vybrosov gornyh predpriyatiy v atmosferu [Estimation of max allowable mining enterprises dust and gas atmospheric emissions]. Bezopasnost truda vpromyshlennosti - Industrial Labor Safety, 2015, No. 3, pp. 36-39.
14. Kachurin N.M., Stas G.V., Levin A.D. & Rybak V.L. Aerodinamika porodnyh otvalov ugolnyh shaht [Coal mines dumps aerodynamics]. Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o Zemle - Tula State University Newsletter. Earth Sciences, 2016, issue 1, pp. 23-34.
15. Kachurin N.M., Vorobev S.A., Levin A.D., Vasilev P.V. Modelirovanie rezhi-mov raboty sistem ventilyatsii podgotovitelnyh vyrabotok [Development galleries ventilation systems operating modes simulation]. Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o Zemle - Tula State University Newsletter. Earth Sciences, 2016, issue 1, pp. 156-167.
16. Kachurin N.M., Vorobev S.A. & Bogdanov S.M. Evaluating Polluting Atmosphere be Mining Enterprises and Optimizing Prophylactic Measures Resources. 5th International Symposium. Mining and Environmental Protection. Vrdnik, Serbia, 2015, pp. 135-140.
17. Kachurin N.M., Vorobev S.A., Shkuratckiy D.N. & Bogdanov S.M. Environmental Danger of Worked and Liquidated Coal Mines Open Areas. 5th International Symposium. Mining and Environmental Protection. Vrdnik, Serbia, 2015, pp. 141-149.
18. 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, Vol. 1, Pt. 2, pp. 133-142.
19. Kachurin N.M., Pozdeyev A.A. & Stas G.V. Vydeleniya radona v atmosferu gornyh vyrabotok ugolnyh shaht [Radon emission to coal mines workings atmosphere]. Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o Zemle - Tula State University Newsletter. Earth Sciences, 2012. issue 1, pp. 46-56.
20. Kachurin N.M., Pozdeyev A.A., Abramkin N.I. & Stas G.V. Radon v atmosfere ugolnyh shaht [Radon in coal mines atmosphere]. Gornyy Informatsionno-Analiticheskiy Byulleten' - Mining Information and Analytical Bulletin, 2012, No. 8, pp. 88-94.
