CC BY
48
---------------------------- © С.Г. Гендлер, Н.А. Мироненкова,
2007
УДК 622.8
С.Г. Гендлер, Н.А. Мироненкова
РАДИАЦИОННАЯ ОБСТАНОВКА В ВЫРАБОТКАХ СЕВЕРОМУЙСКОГО ТОННЕЛЯ В ПЕРВЫЙ ПЕРИОД ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ
Северомуйский железнодорожный тоннель (СМТ), проходящий под Ангараканским перевалом Севе-ромуйского хребта, представляет собой уникальное подземное сооружение. Уникальность тоннеля связана не только с его 15 -ти км длиной тоннеля, делающего тоннель самым протяженным в Российской Федерации, но и с теми техническими решениями, которые в настоящее время используются при его эксплуатации. Это, прежде всего, система подогрева в зимнее время наружного воздуха, с помощью которой в тоннеле обеспечивается положительный тепловой режим и предотвращение образования наледей, оригинальной конструкции раздвижные вентиляционные ворота, сооруженные на порталах тоннеля, многократно снижающие мощность калориферных установок, специальные вентиляторы, позволяющие регулировать распределение воздуха между транспортным тоннелем (ТТ) и служебным тоннелем (СТ). Вместе с тем, ряд проблем, которые приходилось решать в период строительства тоннеля, являются актуальными и в период эксплуатации. Одна из этих проблем - неблагоприятная радиационная обстановка в выработках тоннеля, характеризующаяся объемной активностью радона и его дочерних продуктов, превышающей нормативные значения, установленные НРБ-99 [7].
Следует отметить, что похожая проблема имела место и период строительства тоннеля. В этот период для её решения использовались организационные и технические мероприятия: перевод персонала в категорию А, применение средств индивидуальной защиты, постоянный контроль за уровнями облучения персонала, организация необходимого
вентиляционного режима [1, 4]. В период строительства выполнен комплекс исследований, в результате чего были разработаны схемы вентиляции на время эксплуатации тоннеля, определено как общее количество воздуха, там и его распределение по крыльям и выработкам тоннеля [3, 4]. В основе проведенных исследований лежали совмещенные маршрутные термовентиляционные и радоновые съемки, позволившие установить топологию источников радона по длине выработок и скорость его поступления в воздушную среду. Для проведения маршрутных строилась сеть контрольных точек, приуроченных к концам последовательно проветриваемых выработок.
Дебит радона D (Бк.С-1) для каждой контрольной точки вычислялся по формуле:
D = CRn . Q,
где С^ - объемная активность радона в воздухе, Бкм-3, Q -объемный расход воздушного потока, м3с-1. По результатам определения дебитов радона в начале и конце каждого участка выработок рассчитывался собственный дебит радона, который определяется разницей между значениями дебита радона исходящего и входящего на участок воздушных потоков. Знание дебита радона выработки (участка) позволил рассчитать скорость выделения радона с её поверхности (с) (Бк-с'1-м'2):
С = Рисх - Dвх)/S ,
где S - площадь поверхности выработки (участка), м2.
При определении дебита радона выработок Восточного и Западного крыльев предусматривается учет его части, которая выносится на дневную поверхность в месте с подземными водами через порталы сервисного тоннеля Dвд, (Бк-с-1).
Ddl = Qdl - CRndl = Qdl - а(10) - CRn? ?
где Qвл - расход водного потока в РДШ, м'3-с-1, CRnBд - удельная активность радона в воде в лотке штольни, Бк-м-3, а(П -коэффициент растворимости радона в воде, зависящий от её температуры.
Объемная активность радона измерялась с использованием двух методов:
— сцинтилляционного метода, с использованием камер, объемом 50 см3, и альфа-радиометра САС-Р2ММ;
— методом, заключающимся в отборе проб воздуха в колонки с активированным углем (адсорберы), с последующим определением активности сорбированного в них радона по гамма-излучению его дочерних продуктов [4] на сцинтилля-ционном гамма-радиометре (РГГ-01Т, РоЬо1гоп 20046).
В процессе проведения исследований были также использованы методы, позволяющие подтвердить (продублировать) результаты радоновых съемок. Так в случае, когда локальным источником радона являются подземные воды, поступающие в горные выработки из окружающих их пород, проводились измерения удельной активности радона в воде. Когда же предполагалось, что основным источником поступления радона служат сами горные породы, окружающие выработки, осуществлялись исследование проб на содержание в них 226Ра [5].
Анализ результатов натурных исследований, выполненных в период строительства, показал, что основным источником поступления радона в выработки СМТ, являются радоносодержащие воды, текущие по почве и стенам выработок. Скорость выделения радона по длине транспортного и служебного тоннелей ^), приведенная на величину их поверхности, представлена на рис 1.
Из рис. 1 следует, что основные источники радона сосредоточены на участках длиной 5 км и 3 км, прилегающих соответственно к западному порталу и восточному порталу, что может быть объяснено наличием на этих участков геологических разломов с высокими дебитами дренирующихся подземных вод, насыщенных радоном. Скорости выделения радона в транспортном и сервисном тоннелях составляют соответственно 0-3,5 Бк-м'2-с-1 и 0-7 Бк-м'2-с-1 и от типа крепи. При отсутствии крепи или применения набрызг-бетонной обделки, если на поверхности выработок нет стекающей пленки воды, скорость выделения радона с поверхности будет соответствовать скорости, приведенной на графике (см. рис.1.). На почве выработок при условии отвода воды по хорошо изолированным лоткам, она приближается к нулевому значе-
нию. На участках ТТ и СТ с замкнутой бетонной обделкой, скорость выделения радона стремится к значению 0.05 Бк-м-2-с-1. И, наконец, на участках с замкнутой чугунной обделкой скорость выделения радона может быть принята равной нулевому значению.
Выше указанные значения скоростей выделения радона были приняты для выполнения прогнозных расчетов распределения эквивалентной равновесной объемной активности радона (ЭРОА^) по длине ТТ и СТ. Следует отметить, что при этих
а, Бк-м"2-с1
Западный 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 ВРТОЧ1™
портал иир!сш
Рис. 1. Скорость выделения радона по длине транспортного и служебного тоннелей
значениях скорости выделения радона общее количество радона, выделяющееся в служебном тоннеле в единицу времени, будет примерно в 4 раза меньше, чем в период измерений и составит 100 кБк-с-1.
Выбор рациональной по радиационному фактору схемы проветривания был осуществлен с помощью математического моделирования вентиляционного режима и радоновой обстановки. Математическое моделирование процесса формирования радиационной обстановки в выработках тоннеля было выполнено для различных схем вентиляции, использующих шахтные стволы, транспортный и служебный тоннели [3]. В процессе осуществления расчетов изменялись коли-
чества подаваемого воздуха и его распределение по выработкам тоннеля. Критерием целесообразности использования конкретной схемы проветривания являлось обеспечение величины ЭРОА^, не превышающей 1200 Бк-м-3 [7], при минимальных количествах подаваемого свежего воздуха.
Анализ результатов расчетов показал, что основной схемой проветривания для зимнего периоды времени может считаться схема, предусматривающая подачу воздуха через порталы ТТ, организацию его движения по тТ до вентиляционных сбоек с последующим перепуском части воздуха из ТТ в СТ, откуда он направляется в сторону ствола 2 и к вентиляционному
зданию у соответствующего портала. Оставшиеся части воздуха движутся по ТТ по направлению к кроссингу у ствола 2. В конце кроссинга эти части воздуха смешиваются с воздухом, поступающим в него через вентиляционный канал со стороны западного и восточного порталов по СТ. Общее количество воздуха по стволу 2 выводится на поверхность (рис. 2, а) [3]. Установлено, что для нормализации радиационной обстановки в выработках тоннеля общее количество воздуха, подаваемое в тоннель с каждого портала должно составлять 68 м3-с-1 (по 34 м3-с-1 на каждое крыло тоннеля, разделяющихся между ТТ и СТ в соотношении 10 м3-с-1 и 24 м3-с-1). При этом количество воздуха на участках между рециркуляционноми сбойками и вентиляционными зданиями должно быть равным 14 м3-с-1 [2, 3].
В летний период времени было предложено осуществлять проветривание выработок тоннеля либо в соответствии со схемой, аналогичной зимнему периоду, но предусматривающей использование порталов СТ для поступление в неё свежего воздуха, либо при использовании схемы вентиляции с обособленным проветриванием СТ и ТТ (рис. 2, б). При последней схеме вентиляции проветривание ТТ осуществляется только в результате действия естественной тяги и поршневого эффекта, проветривание СТ - в результате работы вентилятора ВОД-18, обеспечивающего поступления воздуха с западного и восточного порталов. Расходах воздуха в вы-
работках тоннеля при этих схемах вентиляции должны были соответствовать зимнему периоду (на каждое крыло тоннеля подается 34 м3 с-1 воздуха; 24 м3-с-1 в СТ и 10 м3-с-1 в ТТ).
Исследования радиационной обстановки в выработках Северомуйского тоннеля осуществлялись в зимний период 2003 года и летом 2004 года. Кроме того, при проведении анализа распределения объемной активности радона по выработкам тоннеля использовались данные измерений ЭРОА[п АСУ ТП СМТ и результаты измерений Федерального центра гигиены и эпидемиологии по транспорту в 2005 году. Совпадение направлений движения воздуха по дачный тно-му и сервисному тоннелю в зимний и летний п( од™1 о основание представить результаты измерений распределения
ЭРОАкл, Бк/м3
ЭРОА[п для ТТ и СТ на одном графике (рис. 3-4.)
Рис. 3. Распределение ЭРОАяп по длине транспортного тоннеля
Восточный
портал
ЭРОАкл, Бк/м3
Западный
портал
Разброс значений ЭРОА[п на представленных графиках, относительно средней величины, связан с изменениями во время проведения замеров расходов и направлений движения воздуха, вызванных влиянием естественной тяги, поршневого эффекта поездов, не санкционированным включением в схемы вентиляции стволов 1, 3, 4 [5, 6], а также изменением дебитов дренирующейся в выработки шахтной воды.
Анализ результатов измерений свидетельствует о том, что радиационная обстановка в транспортном и сервисном тоннелях в целом отклоняется от обстановки, регламентируемой НРБ - 99. Значения ЭРОА[п в транспортном тоннеле достигают 2000 Бкм-3, а в сервисном тоннеле - 5000 Бкм-3, т.е. превосходят нормативные величины соответственно в 1.6 и 4 раза. Причем максимальные значения ЭРОА[п приурочены к зонам с максимальными значениями скоростей выделения радона (см. рис. 1).
Основными причинами сложившейся ситуации, на наш взгляд, являются:
- значительная открытая поверхность шахтной воды, с которой в воздух поступает радон. То есть приходится констатировать, что проведенные работы по осушению транспортного и сервисного тоннелей, гидроизоляции поверхностей стен выработок и водоотводных лотков не привели к принятому при осуществлении прогнозных расчетов и обосновании параметров схем вентиляции снижению уровню выделения радона относительно замеренного в период строительства.
- недостаточная устойчивость к воздействию естественных и эксплуатационных факторов схем вентиляции, что может быть объяснено не предусмотренной проектом аэродинамической связи между ТТ и СТ через сбойки и кроссинги, а также между СТ и стволами 1,3.4. Это в ряде случаев приводит к сокращению количества свежего воздуха, поступающего в тоннель. Например, в период летних испытаний 2004 года общее количество воздуха в тоннеле было в 2,9 раза ниже проектного количества.
Для нормализации радиационной обстановки в Северо-муйском тоннеле необходимо осуществить эффективную гидроизоляцию тех участков транспортного и сервисного тоннелей, которые характеризуются высокими значениями дебитов шахтной воды. Кроме того, следует обеспечить подачу в выработки тоннеля установленных расчетами расходов воздуха и его распределения между ТТ и СТ.
В части проведения проектно-изыскательских и научноисследовательских работ необходимо выполнить: комплексные исследований воздушной среды тоннеля, включающие термовентиляционные и радоновые съемки, на основании которых будет определена на текущий период топология и дебиты источников радона; корректировку по данным натурных измерений схем вентиляции; стоимостную оценку работ по нормализации радоновой обстановки до значений объемной активности радона, соответствующей 310 Бк/м3 (группа Б) и 1240 Бк/м3 (группа А); определение дополнительной стоимости содержания тоннеля (льготный режим работы обслуживающего персонала, средства индивидуальной радиационной защиты, организация постоянного радиационного контроля) в случае перевода обслуживающего персонала на категорию «А»; разработку рекомендаций по обеспечению в выработках СМТ рациональной радиационной обстановки.
------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гендлер С.Г., Фомин В.Х., Шабалин В.Н. Проблемы обеспечения безопасной эксплуатации железнодорожных тоннелей в суровых климатических условиях. Подземное пространство мира, № 1-2, 2003, с. 43 - 48
2. Гендлер С.Г. Проблемы проветривания транспортных тоннелей. Горный информационный бюллетень. Тематическое приложение Безопасность. Москва, 2005, с. 281 - 295.
3. Gendler S.G., Sokolov V.A. The choice of operation regimes for an air quality maintenance system in the Northern Mujsky Railway Tunnel. BHR Group,11th International Symposium Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels, 2003, Luzern, Switzerland, pp. 289-308.
4. Gendler S.G. The problems of workers' protection from the natural radioactivity influence in traffic tunnels and underground structures. 31 th International Conference of Safety in Mines Research Institutes, Australia, 2005, pp. 113-119.
5. Гендлер С.Г., Смирняков В.В., Соколов В.А. Первые результаты натурных испытаний системы вентиляции Северо-муйского железнодорожно-
го тоннеля. Горный информационный бюллетень. Тематическое приложение Безопасность. Москва, 2005, с 271 - 280
6. Gendler S.G,. Sokolov V.A. The results of ventilation tests during practical use of the Severomujsky railway tunnel. BHR Group,12th International Symposium Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels. 2006, Portoroz, Slovenia, pp 451 - 461.
7. Нормы радиационной безопасности (НРБ- 99). М.: Минздрав России, 1999, 113 с.
|— Коротко об авторах-----------------------------------------
Гендлер С.Г. - профессор, доктор технических наук, профессор кафедры «Безопасности производства и разрушения горных пород», Мироненкова Н.А. - аспирантка ка федры «Безопасности производства и разрушения горных пород»,
Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет).
