CC BY
58
УДК 622.411.39:546.296:622.268.8
Н.М. Качурин, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, проректор,
(4872) 33-22-70, ecology@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
Г.В. Стась, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-20-41, galina stas@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
Л.Э. Шейнкман, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-20-41, ecology@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
В.И. Сарычев, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-20-41, g-sps@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
РАЗБАВЛЕНИЕ РАДОНА ПРИ ПРОВЕТРИВАНИИ ПОДЗЕМНЫХ КАМЕР
Разработаны методические положения расчета количества воздуха, необходимого для проветривания подземных камер различного назначения в шахтах Подмосковного угольного бассейна.
Ключевые слова: уран, расчет количества воздуха, подмосковный угольный
бассейн.
Кризис наукоемких и высокотехнологичных отраслей промышленности создает реальную опасность снижения научно-технического потенциала и закрепляет тенденцию к деиндустриализации экономики. Анализ структуры научной деятельности позволил выявить следующие особенности, присущие научно-техническому комплексу региона. Неравномерное сокращение исследований привело к гипертрофированной структуре выполняемых исследований и разработок.
Экологическая обстановка Тульской области продолжает оставаться напряженной несмотря на экономический спад и снижение общей массы выбросов вредных веществ в окружающую природную среду. Данное обстоятельство является следствием длительного вредного антропогенного воздействия мощной промышленности Тульского региона практически на все природные среды, которое привело к накоплению значительных масс вредных веществ в почве и воде, где в настоящее время идет процесс их неконтролируемой миграции.
Угольные месторождения Подмосковного бассейна отличает то, что зольный остаток этих углей содержит в значительных количествах урановые примеси, следовательно, в процессе разработки образуемые поверхности обнажения угольных пластов будут являться источниками радоновы-делений в шахтную вентиляционную сеть (табл. 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.
Основную часть облучения население земного шара получает от естественных источников радиации (рисунок). Большинство из них таковы, что избежать облучения от них совершенно невозможно.
Таблица 1
Содержание урана в отвалах отработанных шахт ____________________треста «Богородицкуголь»______________________
Металлы Концентрация урана, мг/кг
Ш 59 Ш 59 Ш 71 Ш 71
1 2 3 4 5
и 3,7 3,9 4,1 4,0
Бг 28,3 50,7 81,8 89,6
РЬ 32,7 55,4 38,9 38,8
1 2 3 4 5
Лб 13,7 16,4 12,7 13,2
2п 33,4 163,6 38,1 38,5
Си 0 0 0 0
N1 21,5 53,0 41,1 43,7
Бе 2,8 3,53 4,2 3,4
Со 1,2 8,3 0 2,1
Мп 32,1 48,9 43,7 36,3
Сг 59,2 87,3 94,6 106,6
V 60,6 92,5 110,0 104,5
Ті 0,6 1,0 1,1 1,2
рН 3,7 5,1 4,2 4,0
ИСТОЧНИКИ РАДИАЦИИ
Естественные 2
Источники, илольэующиеся в медицине 0,4
Радиоактивные осадки 0,02
Атомная энергетика 0,001
Цифры указывают величину до гы в милли ¡ивертах
ЕСТЕСТВЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ РАДИАЦИИ Земного
происхождения, внутреннее облучение 1,325 Земного происхождения, внешнее облучение 0,35 Космические, внешнее о0 лучение 0,3 Космические, внутреннее облучение 0,015
Цифры указывают величину до ¡ы в милли >ивертах
Естественные источники радиации
Согласно оценкам экспертов ООН, радон вместе со своими дочерними продуктами распада дает около 50 % эквивалентной дозы облучения (1 м /год). Большая часть радона попадает в организм человека с воздухом.
В результате радиоактивного распада атомы радона попадают в кристаллическую решетку минералов. Процесс выделения радона из минералов и пород в поровое или трещинное пространство получил название эманирования. Не все атомы радона могут выделиться в поровое
98
пространство, поэтому для характеристики степени высвобождения радона используется коэффициент эманирования. Его величина зависит от характера породы, ее структуры и степени ее раздробленности. Чем меньше зерна породы, чем больше внешняя поверхность зерен, тем активнее идет процесс эманирования.
Выделение радона в рабочее пространство происходит из угольного пласта, выработанного пространства и отбитого угля.
При дыхании в легкие за одну минуту попадают миллионы радиоактивных атомов радона, они избирательно накапливаются в некоторых органах и тканях, особенно в гипофизе и надпочечников, этих двух важнейших железах внутренней секреции, определяющих гормональную активность организма и регулирующих деятельность вегетативной нервной системы, концентрируются также в сердце, печени и других жизненно важных органах. Растворяясь в крови и лимфе, радон и продукты его распада быстро разносятся по всему телу и приводят к внутреннему массированному облучению. В жировой ткани человека растворимость радона в десятки раз выше, чем в воде. При распаде радона образуются нелетучие радиоактивные продукты, которые с большим трудом выводятся из организма.
Единственным известным эффектом вдыхания радона является рак легкого. В США от рака легкого ежегодно умирает примерно 120000 человек. Агентство по охране окружающей среды США считает, что до 20000 из этого количества смертей связано с радоном. Если активность радона равна 37 Бк/м3, то в этом случае 55 % суммарной дозы будет обусловлено радоном, 27 % - остальными естественными источниками и 18 % - искусственными источниками облучения.
Практика проектирования и эксплуатации систем вентиляции показывает, что до настоящего времени не прогнозируют возможные изменения газового состава воздуха.
Диффузионный перенос радона воздухом в подземных камерах происходит в стационарном режиме. Учитывая соотношения поперечных размеров и длины подземной камеры целесообразно рассматривать одномерную диффузию. Адаптируя математическую модель газовой ситуации в подземной камере при постоянном атмосферном давлении к реальным физическим условиям, перенос радона можно описать следующим уравнением:
С АВпПК и П„СА Ш ^______ А ,(у Т ) Г)-1=п (1)
с/х2 Гт Сх Гт Кп Т )пк т , ()
где АКп - удельная активность рудничного воздуха по радону; иПК - средняя скорость воздуха в тупиковой подземной камере; Гт - коэффициент турбулентной диффузии; (^!Кп )ПК - суммарные выделения радона в воздух подземной камеры из различных источников.
Граничные условия для тупиковой подземной камеры имеют сле дующий вид:
ARn(0) = 0, lim
Rn
Решение краевой задачи получено в следующем виде:
ARn(x)''
Rn )пк
X
'Rn
"
1 - exp x
_ V
u
ПВ
2 D
(2)
(3)
В подземных камерах сквозного проветривания, где средняя скорость движения воздуха достаточно велика, можно пренебречь турбулентной диффузией, поэтому нестационарная конвективная диффузия радона в таких подземных камерах описывается одномерным уравнением первого порядка:
и
dA
Rn ______
СК
dx
R Rn ARn +
(^Rn )пк
(4)
где иСК - средняя скорость воздуха в камерах сквозного проветривания.
Граничные условия для подземных камер сквозного проветривания имеют следующий вид:
АЯп (0) = 0 , АКп ( Х) = АКп • (5)
Решение уравнения (4) для условий (5) имеет вид:
ARn (x)
Rn )вп
X
RnCK
1 - exp
X
Rn
x
u
(6)
Зависимости (3) и (6) позволяют рассчитать количество воздуха динамическим методом, в соответствии с которым средняя по сечению подземной камеры концентрация радона не должна превышать ПДК. Решая уравнения (3) и (6) для А^п(х)=ПДК соответственно при х=ЬПВ и х=ЬП.К относительно средней скорости движения воздуха, и переходя к объемному расходу воздуха, получим, следующие формулы для расчета количества воздуха по фактору радоновыделений:
тупиковая подземная камера
ОПК =
^Rn
DTmK
LmyJ kyT
ln
1 -
П.К
Rn
П.К
DT ln
V
1 -
X Rn ПДК
Rn П.К
подземная камера, проветриваемая сквозной струей,
їП.К XRnПJK. §К.
ОП К =
Rn
ln
П .К
Xr, ПДKRn -( Ir„ )
П .К
где QnnК - количество воздуха, которое необходимо подавать в подземную камеру, чтобы концентрация радона на исходящей струе не превышала ПДК^; Ьпк - проектная длина подземной камеры; Бпк - площадь поперечного сечения подземной камеры в свету; кУТ - коэффициент утечек воздуха в вентиляционном трубопроводе; Ьпк - суммарная, проектная длина подземной камеры; £ п.к - эквивалентная по расходу воздуха площадь поперечного сечения подземной камеры.
Расчеты, выполненные для среднестатистических значений горногеологических условий и технологических параметров показали, что, как правило, фактор радоновыделений является превалирующим фактором при стабильно атмосферном давлении (табл. 2).
Таблица 2
Расчеты количества воздуха для подземных камер шахт Подмосковного бассейна
№ пп. Сочетание расчетных параметров Расчетная газообильность, м3/мин Расчетное количество воздуха, м3/мин
По углеки- слому газу По радону По углекислому газу По радону
1 Максимальное 0,15 0,20 30...48 55
2 Минимальное 0,05 0,11 10...16 30
3 Среднее 0,09 0,15 9 2 8 41
Разработанные методические положения расчета количества воздуха, необходимого для проветривания подземных камер различного назначения в шахтах Подмосковного угольного бассейна, доказывают, что расчет необходимо проводить не только по углекислому газу, но и радону, т.к. количество воздуха, необходимое для разбавления радона, на 20...30% превышает количество воздуха, требуемое для разбавления углекислого газа до предельнодопустимого значения.
Список литературы
1. Качурин Н.М. Прогноз газовыделений и газовых ситуаций в угольных шахтах: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Тула, 1991. 43 с.
N. Kachurin, G. Stas, L. Shainkman, V.Sarychev
Providing safety by radon factor of ventilating underground cells
Methodical principals of calculating quantity of air, which necessary for ventilating different purposes underground cells in coal mines of Moscow Basin are discussed at the paper.
Key words: uranium, calculating quantity of air, Moscow Coal Basin.
Получено 17.03.2010
