Радон в атмосфере угольных шахт Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

© Н.М. Качурин, Н.И. Абрамкин, A.A. Поздеев, Г.В. Стась, 2012

УДК 622.411.33

Н.М. Качурин, A.A. Поздеев, Н.И. Абрамкин, Г.В. Стась РАДОН В АТМОСФЕРЕ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

Приведены результаты теоретического анализа геологической информации по распределению урана в горных породах на территории Подмосковного буроугольного бассейна. Показано, что основными источниками поступления радона на очистные участки угольных шахт являются надработанные ураносодержашие горные породы, разрабатываемые угольные пласты и подземные воды. Дано теоретическое обоснование математических моделей для прогноза выделения радона атмосферу угольных шахт. Разработан алгоритм прогноза выделений радона на очистных участках. Представлены результаты прогноза выделений радона для условий шахт Подмосковного бассейна, которые не противоречат известным эмпирическим данным. Ключевые слова: радон, уран, горные породы, угольный пласт, подземные воды, шахта, математическая модель, прогноз.

Источники выделений радона в атмосферу угольных шахт. Изучение радоновой опасности на территории Подмосковного угольного бассейна показали, что Центральный регион России принадлежит к регионам с напряженной экологической обстановкой. В этой связи важно рассмотреть закономерности пространственного распределения радионуклидов, что позволит дать геохимическую оценку имеющихся территорий с тревожной радиоэкологической обстановкой и наметить пути вероятной миграции и концентрации радиокомпонентов. На территории Подмосковного буроугольного бассейна известны скопления урана, радия и радона [1]. Следует подчеркнуть две общие особенности распределения радионуклидов, выявленные на территории Тульской области: скрытый характер не выходящих на дневную поверхность урановых аномалий; присутствие аномалий радона в почвах и подземных водах, в том числе источников водоснабжения.

Все рудопроявления и аномальные концентрации урана в Тульской области относятся к одному урано-угольному формационному типу. Такого рода скопления широко распространены в природе. Их образования связаны с геохимическими особенностями поведения урана в зоне гипергенеза, где уран хорошо мигрирует в водной среде в шестивалентной форме. Поэтому в большинстве случаев в зоне активного водообмена преобладают условия рассеивания урана природными водами. Однако существуют обстановки, где действуют геохимические барьеры, на которых уран осаждается.

В гипергенных условиях по степени распространенности намечается следующий ряд геохимических барьеров урана: восстановительный; сероводородный, от биогенного или абиогенного сероводорода; восстановительный; резко глеевый, за счет водорода, главным образом продуцируемого бактериями; сорбционный; термодинамический, включающий барьер нейтрализации урано-носных щелочных или кислых вод растворами, содержащими соединения ванадия, фосфора, молибдена и мышьяка без изменения их валентности, с которы-

ми уран в форме уранила дает твердые фазы; эвапорационный, когда уран выпадает из перенасыщенных растворов; механический, образующийся за счет образования россыпей ураносодержащих минералов. Очень часто несколько геохимических барьеров действуют одновременно, что может обусловить заметные концентрации урана.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что радиоэкологическая обстановка Центрального региона Российской Федерации существенным образом зависит от наличия в недрах естественных радионуклидов, которые сами по себе создают повышенный радиоактивный фон и оказывают прямое воздействие на людей, связанных по роду своей профессиональной деятельности с добычей угля. Урановое оруднение в условиях, характерных для Подмосковного бассейна, обычно сопровождается повышенным скоплением радона. Закономерности пространственного распределения урана и радона в пределах Тульской области показывают, что в целом в угольных шахтах других угольных бассейнов будет присутствовать радон. При этом основными видами миграции радона являются вертикальная миграция в надработанных породах, диффузия в угольных пластах и подземных водах.

Математическая модель миграции радона в надработанном горном массиве. Процесс вертикальной диффузии радона в надработанных породах описывается следующим уравнением [2]:

DRn—rr--¿RbAT =0 , (1)

где ARb - удельная активность по радону газовой смеси, находящейся во вмещающих породах; DRn - коэффициент эффективной диффузии радона; äRb -

эффективная константа скорости процессов сорбции и радиоактивного распада радона; z - вертикальная координата.

Граничные условия имеют вид: -DRndABB / dz\z=0 = JBRn = const, lim ARn Ф да ,

где JBRn - интенсивность образования радона в подрабатываемом урановом месторождении. Решение уравнения (1) для данных условий можно записать следующим образом: AfB (z) = 0,5Jfn (DRnXRn)-05exp[-z(ÄRBDrRT*]. Дифференцируя эту зависимость в точке z = h, где h - расстояние от урановой залежи до почвы рассматриваемой выработки, найдем абсолютное радоновыделение из подрабатываемого уранового месторождения (IR^):

С = JBB expf-h & 1. (2)

I \DRB j

Графики зависимости отношения величин IBRn / JBRn от расстояния h для различных значений -yjÄRn / DRn представлены на рис. 1. Анализируя профили

диффузионного потока радона во вмещающих породах, 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, напри-

мер по метану, поступающему из подрабатываемых угольных пластов. Такое косвенное подтверждение адекватности разработанной математической модели можно считать в данном случае приемлемым, так как в настоящее время нет необходимой эмпирической базы данных. При этом результаты вычислений показывают, что абсолютная радонообильность будет пропорциональна величине интенсивности образования радона в подрабатываемом урановом месторождении.

Выделение радона с поверхности обнажения разрабатываемого угольного пласта.

Выделения радона с поверхности обнажения разрабатываемого угольного пласта можно описать следующим уравнением [3]:

d2 АУП

Г) и ^Rn 1 дУП тУП_п Iо\

dX* Rn Rn +J Rn , (3)

где А™ - удельная активность по радону газовой смеси в разрабатываемом угольном пласте; J™ - интенсивность образования радона в разрабатываемом угольном пласте.

Граничные условия для поверхности обнажения разрабатываемого угольного пласта имеют вид: Aa^A = 0 , lim АУП Ф да . Решение уравнения (3) для этих

lx=0 х^да

условий получено в следующем виде: Ауп (х) = JR^ÄR^ {l - expх(ЛКвЕТ—°5 .

Дифференцируя ААу1в (х) в точке x = 0 найдем абсолютное радоновыделение из разрабатываемого угольного пласта (IR1):

тУП = тУП IRi (4)

1Rn ~ J Rn ч/ 0 • vv

V ÄRn

Графики зависимости величины АУП (х) = АУП (Х)ЛКп/УУП от координаты x для различных значений / DRb представлены на рис. 2. Анализ горизонтального распределения удельной активности радона в плоскости разрабатываемого угольного пласт показывает, что по мере удаления от поверхности обнажения удельной активности радона стабилизируется.

Графики зависимости АУП = АУП (х) наглядно свидетельствуют о наличии асимптоты при х^<х>, т.е. lim АУП = А™ = l. 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.

Выделение радона в горные выработки из подземных вод. В подземных водах, поступающих в горные выработки или удаляемых из водоносных

£0.4

горизонтов через систему водопонижающих скважин, всегда в тех или иных количествах присутствует радон.

Радоновыделение из подземных вод проявляется как дегазация подземных вод текущих по дренажным каналам шахты. Целесообразно рассматривать одномерную стационарную миграцию радона в горные выработки с поверхности водного по-

Рис. 1. Графики зависимости отношения величин

¡ПП / ^кп от расстояния Н, м. Значения тока. Выделения радона с ■\]А,Кп / 0Пп соответственно равны: 1 - 0,001; 2 0,005; 3 - 0,01; 4 - 0,05; 5 - 0,1

поверхности подземных вод можно описать следующим уравнением [4]:

дЛКп _ Лкп + КОБ пв

ЛПп

дх

и

где Л™ - удельная активность подземных вод по радону; КО

(5)

коэффициент

ПП У*-*^* 101 А*-"1 СИ\ 1 ШЛ 1 !_> 1 ^Д^Ш! 1и1Л ич-'^о. 1 IV-» 1у 1 ±\-0Б

поверхностной газоотдачи по радону.

Разделяя переменные в уравнении (5) и интегрируя это уравнение, получим,

что Лпв\тн _ ЛПВ\НАЧ «ф[-(4п + К0Б) Ьи--] , где , ~ соответст-

венно начальное и конечное значения удельной активности подземных вод по радону в точка х = 0 и х = Ь. Тогда абсолютное радоновыделение из подземных вод (¡пв) можно определить, используя следующую формулу:

тпв _ лпв\ ¡Пп ~ ЛПп

Опв {1 - ехр [- (пп + К0Б ) Ьи-1 ]} .

(6)

где ((пв - приток подземных вод на рассматриваемом технологическом объекте.

Графики зависимости величины Iпв (Ь) _ ¡^ (Л\1В\ ((пв) от длины дре-

нАЧ

нажного канала Ь для различных значений а _ (ЛКп + К0Б ) и-1 представлены на рис. 3. Анализ результатов вычислительных экспериментов показывает, что при достаточно больших значениях Ь величина Iпв (Ь ^<х>) стремиться к единице. Радоновыделение из подземных вод зависит от скорости радиоактивного распада, скорости десорбции радона из воды и средней скорости течения воды в дренажном канале.

Прогноз выделений радона на очистных участках угольных шахт. Прогноз абсолютной радонообильности очистных участков осуществляется в соответствии установленными закономерностями динамики миграции радона в угольных пластах, вмещающих породах и подземных водах.

Алгоритм прогноза абсолютной радонообильно-сти очистных участков заключается в следующем.

1. Формируется информационный блок исходные данных, включающий следующие параметры: Р^П - интенсивность образования радона в подрабатываемом урановом месторождении; ЛКп -эффективная константа

_ _ _ скорости процессов сорб-Рис. 2. а - Пример и результаты использования

программы ЯпЯР для вычислительных, эксперимен- ции и радиоактивного

тов; б - Графики зависимости отношения величин распада радона; БКп - ко-

АУП от расстояния х, м. Значения ^ / соот- эффициент эффективн°й

диффузии радона; Ь -расстояние от урановой залежи до почвы рассматриваемой выработки; L - длина дренажного канала; ((ПВ - приток подземных

вод на рассматриваемом технологическом объекте;

ветственно равны: 1

0,05; 5 - 0,1

0,001; 2 - 0,005; 3 - 0,01; 4 -

ПВ\ Яп

- конечное значе-

ние удельной активности подземных вод по радону в точке х=Ь; КОБ - коэффициент поверхностной газоотдачи по радону; и - средняя скорость движения

воды в дренажном канале.

2. Рассчитывается ра-доновыделение из подрабатываемого уранового месторождения ().

3. Рассчитывается радо-новыделение из разрабатываемого угольного пласта (IУП)

4. Рассчитывается ра-доновыделение из подземных вод (I™ ).

В таблице представлены средние значения прогнозного радоновыделения на

очистном участке и струк-Рис. 3. Графики зависимости величины г

тура баланса радона для

I (£) = 1уп / (АКв\ (ПВ) от длины дренажного средних значений пара/ \НАЧ

канала I, м. Значения а , 1/м: 1 - 10-1; 2 - 10-2;3 - ме"Фов математических

10-3; 4 - 10-4; 5 - 10-5 моделей миграции радона.

Среднее радоновыделение на очистном участке, Бк/мин

Структура баланса радона, поступающего в воздух очистного участка

80000 60000 40000 20000 0

щ

■■"' ¡111111 и

1 кв

■ Угольный

пласт □ Вмещ

породы ш Подземны е воды

42%

33%

■ Угольный пласт Ш Вмещ. породы Ш Подземные воды

Результаты вычислительного эксперимента не противоречат известным эмпирическим данным.

Таким образом, в результате экспериментальных и теоретических исследований были уточнены закономерности влияния физико-химических и геологических факторов на миграцию радона в угольных пластах, вмещающих породах и подземных угольных месторождений.

В дальнейшем моделирование конвективно-диффузионного переноса радона рудничным воздухом в подземных горных выработках, позволит усовершенствовать методику расчета количества, необходимого для проветривания очистных и подготовительных участков, что существенно повышает уровень безопасности подземных горных работ по аэрологическому фактору.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Качурин Н.М., Стась Г.В., Качурина О.Н., Беляева В.Е. Источники выделений радона / Известия Тульского государственного университета. Серия - «Экология и безопасность жизнедеятельности» // Тула. - ТулГУ. - Вып. 7. - 2004. - С.176 -181.

2. Качурин Н.М., Стась Г.В., Качурина О.Н. Математическая модель миграции радона в надработанных породах / Известия Тульского государственного университета. Серия - «Экология и безопасность жизнедеятельности» // Тула. - ТулГУ. - Вып. 7. - 2004. - С.184-187.

3. Качурин Н.М., Стась Г.В., Качурина О.Н. Математическая модель выделения радона с поверхности обнажения разрабатываемого угольного пласта / Известия Тульского государственного университета. Серия - «Экология и безопасность жизнедеятельности» // Тула. -ТулГУ. - Вып. 7. - 2004. - С.187-190.

4. Качурин Н.М., Стась Г.В., Качурина О.Н. Математическая модель выделения радона из подземных вод / Известия Тульского государственного университета. Серия - «Экология и безопасность жизнедеятельности» //Тула. - ТулГУ. - Вып. 7. - 2004. - С. 190-192. Ш

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Качурин Николай Михайлович - профессор, доктор технических наук, Тульский государственный университет,. ecology@tsu.tula.ru.

Поздеев Александр Александрович - Генеральный директор ЗАО «Управляющая компания Западно - Уральского Машиностроительного концерна» («УК ЗУМК). (3422)12-0914. Абрамкин Николай Иванович - профессор, доктор технических наук, Московский государственный горный университет, ud@msmu.ru

Стась Галина Викторовна — кандидат технических наук, доцент, Тульский государственный университет, galina_stas@mail.ru.