CC BY
13
© С.Г. Гендлер, Н.А. Мироненкова, 2008
С.Г. Гендлер, Н.А. Мироненкова
ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ СХЕМ ВЕНТИЛЯЦИИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ТОННЕЛЕЙ, РАСПОЛОЖЕННЫХ В СУРОВЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ, ПО РАДИАЦИОННОМУ ФАКТОРУ
~П последние годы в РФ многократно увеличилось число -М-Р строящихся и эксплуатируемых железнодорожных тоннелей. Значительное число этих тоннелей расположено в районах, считающихся опасными по выделению радона. В этих районами эксплуатируются часть железнодорожных тоннелей Абакан - Тайшетской дистанции Красноярской железной дороги, тоннели Байкало-Амурской магистрали (Восточно-Сибирс-кая дорога), тоннели Забайкальской дороги т и т.д.
Имеющиеся данные, характеризующие радиационную обстановку в подземных сооружениях, где происходит выделение радона, показывают, что для этих сооружений характерны высокие значения внутреннего облучения обслуживающего персонала, определяемые радоном и его дочерними продуктами. В ряде случаев уровни облучения превышают пределы дозы, установленные для персонала группы А. Для обеспечения безопасной работы людей в этих условиях необходимо применение специальных мероприятий, аналогичных используемых на урановых рудниках.
В условиях ограниченной возможности применения мероприятий по уменьшению контакта воздуха с радоновыделяющими поверхностями (вода, горных массив) наиболее целесообразным является увеличение количества воздуха, подаваемого в горные выработки. Однако, для железнодорожных тоннелей, расположенных в районах с суровым климатом, увеличение количества подаваемого воздуха может привести зимой к интенсификации процессов образования наледей.
Для предотвращения образования наледей в железнодорожных тоннелях, расположенных в суровых климатических условиях, на ряде железнодорожных тоннелей используется подогрев посту-
298
пающего воздуха до положительной температуры (Северо-Муйский тоннель, Байкальский тоннель, тоннель под рекой Амур). Сокращение энергетических затрат на подогрев воздуха достигается за счет использования схем вентиляции, характеризующихся минимальными количествами подаваемого воздуха.
Условием выбора рациональных по радиационному фактору схем вентиляции является локализация участков выработок с повышенным дебитом радона, т.е. воздух после прохождения этих участков следует выбрасывать в атмосферу. В этой связи процедуре обоснования схем вентиляции должна предшествовать детальная радоновая съемка, результат которой даст возможность установить распределение дебитов радона по длине выработок. Применительно к Северо-Муйс-кому тоннелю ВосточноСибирской железной дороги такая съемка была осуществлена в периоды 1998-2001 и 2005-2006 годов. Данные определения дебитов радона и скоростей его выделения с поверхности выработок (штольни и тоннеля) приведены в работе [1, 3]. Из анализа этих данных 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 тоннеле ст и штольне сшт составляют соответственно 0-3,5 Бк-м"2с-1 и 0 - 7 Бк-м"2с-1 и от типа крепи.
Вычисление объемных активностей радона АОкп и эквивалентных объемных активностей радона (ЭРОАкп) по длине вентиляционного пути осуществляется по зависимостям, характеризующим динамику накопления и распада радона в воздушной струе [2].
АОК = АО0 + ^^ (1)
ЭРОАк = ЭРОА0-ехр(-^^) +(АО0 + ^ВДх х (1 - ехр((-^^)), (2)
где АОК и АОо; ЭРОАо и ЭРОАК - объемные активности радона и эквивалентные объемные активности радона в начале и конце выработки, Бк/м3; X - постоянная распада ЭРОА радона,
299
Рис. 1. Расчетная схема к определению распределения ЭРОАЛ„ на участке рециркуляции Qll, Qя Qшт, Qт - соответственно расходы воздуха, поступающего в тоннель, 'циркулирующего в вентиляционном контуре длиной Ьц, равного сумме QН и Qu, подаваемого для проветривания штольни и тоннеля, м3/с; Сцшк, АОТО, АОЦТК - соответственно объемные активности радона в конце циркуляционного контура в штольне, на входе в тоннель, в конце циркуляционного контура в тоннеле, Бк/м3; ЭРОАцшк, ЭРОАТО, ЭРОАцгк - соответственно эквивалентные, объемные активности радона в конце циркуляционного контура в штольне, на входе в тоннель, в конце циркуляционного контура в тоннеле, Бк/м3)
обычно принимаемая равной 3,33-10-4 с-1; S - сечение выработки, м2; L - длина выработки, м; Q - расход воздуха, м3/с.
Для схем вентиляции, использующих рециркуляцию воздуха, формулы, описывающие распределение АО^ и ЭРОА^ в воздухе, получены на основе зависимостей (1-2) (рис. 1).
АОцшк = [ЬцЧоАОц + Оц1т8„1тС|5;)]/2<Эи (3)
АО™ - АОиы,« ОиДЗ! =[Ьц {<т75г0ц + оЦ1Т8шт0е)]/20ц ОЕ АОщц = [Ъц.(ат8гОц + + сг^Он }]/2(Зи
(4)
(5)
ЭРОАцшк
(АОто + ' " X1
)АО
эроато = эроА^-Оц/дЕ
ЭРОА^ = ЭРОАуп- е
+ (аОто + о^Ьц-ЗтОДН!- е
Йе
(6) (7) ) (8)
300
<}н м^с
70 60 50 40 30 20 10
-1ШЛ....." ж .......
' \\
оТ 0 5 о 4 сТ ••«»■«^-■-ПЗГ^'—■ о! сЗПо2 с 2 -----------с-}~ о1
о 310 620 930 1240 1550 ^ , »
ЭРОА, Бк/м
Рис. 2. Распределение ЭРОА радона в воздухе рециркуляционного контуре в зависимости от количества поступающего воздуха и общего дебита радона (сплошная линия величина ЭРОА цшк, пунктирная ЭРОАцтк; о1, о2, а3, о4, о5 - соответствуют величинам дебита радона на участке рециркуляции 50 000, 35 000, 25 000,17 000,12 000 Бк/с; йн= 30 м3/с)
Расчеты по формулам (3 - 8), выполненные на основе определенных для условий Северо-Муйского тоннеля дебитов радона на участках рециркуляции, прилегающих к порталам тоннеля (Ьц=1100 м), позволяют определять расходы воздуха в рециркуля-цион ном контуре, обеспечивающие нормативные значения ЭРОА радона (рис. 2).
Анализ расчетных данных, представленных на рис. 2, показывает, что при существующем в настоящее время дебите радона с1 = 50 000 Бк/с величина ЭРОА радона, соответствующая предельно-допустимому значению, равному 1240 Бк/м3 (персонал категории «А») [5], достигается при подаче в выработки 20 м3/с свежего воздуха. В случае же необходимости снижения ЭРОА радона до 310 Бк/м3 (персонал категории «Б») [5] количество подаваемого воздуха должно быть увеличено до 50 м3/с при одновременном снижении дебита радона в 3 раза.
На основе формул (1-8) осуществлено математическое моделирование радиационной обстановки в выработках Северо-Муйского во время его эксплуатации. В качестве исходных данных, характеризующих вьщеление радона, использованы результаты проведенных ранее натурных исследований [1, 3].
Были рассмотрены 10 различных схем вентиляции, отличающихся выработками, по которым производится подача свежего
301
Рис. 3. Схема вентиляции с подачей свежего воздуха через порталы тоннеля, движением по тоннелю и штольне и удалением исходящего воздуха через стволыг 1 и 2 порталыг
воздуха, и удаление исходящей воздушной струи. Критерием выбора необходимого количества и его распределения между тоннелем и штольней является достижение ЭРОА радона 1240 Бк/м3 за исключением последней схемы вентиляции, когда предельное значение ЭРОА радона принято равным 310 Бк/м. Краткое описание каждой из рассмотренных схем вентиляции приведено в таблице.
Анализ результатов математического моделирования дает основание для следующих выводов:
1. Количество воздуха, обеспечивающее в выработках тоннеля достижение ЭРОА радона 1240 Бк/м3, для схем вентиляции, использующих рециркуляцию воздуха, оказывается на 65% - 90 % выше, чем для схем вентиляции без рециркуляции;
2. Минимальным количеством воздуха, необходимым для обеспечения нормативного значения ЭРОА радона, характеризуется схема вентиляции с подачей свежего воздуха через порталы тоннеля, движением по тоннелю и штольне и удалением исходящего воздуха через стволы 1, 2 и порталы штольни (рис. 3, 4);
3. Для снижения ЭРОА радона при схеме вентиляции, упомянутой в п.2 выводов, до величины 310 Бк/м, необходимо увеличение количества воздуха по сравнению этой схемой в 2,4 раза. Характеристика различные схем вентиляции
Северо-Муйского тоннеля
302
Схема вентиляции Общий расход воздуха, м3/с
С подачей свежего воздуха через порталы тоннеля, рециркуляцией на припортальных участках, движением по тоннелю и штольне и удалением исходящего воздуха через стволы 1 и 3 140
С подачей свежего воздуха через порталы тоннеля, движением по тоннелю и штольне и удалением исходящего воздуха через стволы 1 и З 85
С подачей свежего воздуха через порталы тоннеля и ствол 2 (10 м3/с), рециркуляцией на припортальных участках, движением по тоннелю и штольне и удалением исходящего воздуха через стволы 1 и З 160
С подачей свежего воздуха через порталы тоннеля тоннеля, рециркуляцией на припортальных участках, движением по тоннелю и штольне и удалением исходящего воздуха через стволы 1 и 2 140
С подачей свежего воздуха через порталы тоннеля, движением по тоннелю и штольне и удалением исходящего воздуха через стволы 1 и 2 83
С подачей свежего воздуха через порталы тоннеля, движением по тоннелю и штольне и удалением исходящего воздуха через ствол 2 98
С подачей свежего воздуха через ствол 2 , движением по тоннелю и штольйе и удалением исходящего воздуха через порталы тоннеля и штольни 91
С подачей свежего воздуха через порталы тоннеля, движением по тоннелю и штольне и удалением исходящего воздуха через ствол 1 96
С подачей свежего воздуха через ствол 1 , движением по тоннелю и штольне и удалением исходящего воздуха через порталы тоннеля и штольни 90
С подачей свежего воздуха через порталы тоннеля, движением по тоннелю и штольне и удалением исходящего воздуха через стволы 1 , 2 и порталы штольни 80
С подачей свежего воздуха через порталы тоннеля, движением по тоннелю и штольне и удалением исходящего воздуха через стволы 1 и 2 порталы штольни (обеспечение радиационной обстановки для персонала группы «Б») 193
Мощность калориферных установок, используемых в зимнее время для подогрева наружного воздуха, выбирается с учетом его количеств, поступающих в тоннель в течение движения поездов по тоннелю Gпорш (кг/с), и при их отсутствии в
303
Рис. 4. Распределение ЭРОА радона по длине тоннеля и штольни для схемы вентиляции, представленной на рис. 3
нем Отр (кг/с). Условием, исключающим образования наледей, является обеспечение средней температуры поступающего, воздуха в периоды отсутствия и движения поездов, равной значению 1;ср. Величина 1;ср определена в работе [4] и зависит от температуры наружного воздуха 1Н и продолжительности действия поршневого эффекта, зависящей от интенсивности движения поездов и их скорости. Выполненные оценки показывают, что для условий эксплуатации Северо-Муйского тоннеля 1;ср не будет превышать 4 °С.
Зависимости для вычисления мощности калориферов для подогрева воздуха при рециркуляционной схеме вентиляции N (кВт) и без использования рециркуляции 1Чпр (кг/с) имеют вид:
+ (», -М, - 1„ТГ)+ - -
(9)
1 +
(10)
где Оц, ^ - соответственно весовой расход рециркуляционного воздуха температура рециркуляционного воздуха перед подогревом, кг/с; °С - соответственно средняя температура воздуха, исключающая обмерзание обделки тоннеля, температура наружного воздуха и, °С; тр и - относительные времена действия поршневого эффекта и его отсутствия; ср -теплоемкость воздуха (1,005 кДж/(кг °С)).
304
3500
0 10 20 30 40 50 60 70 <?">
Рис. 5. Расчетная мощность калориферов для схем вентиляции, использующей рециркуляцию воздуха
Результаты вычислений N и для условий эксплуатации Северо-Муйского тоннеля (тр = 0,41; т = 0,59, что соответствует интенсивности движения поездов 29 пар./сут., и скорости их движения 60 км/ч, продолжительности поршневого эффекта, составляющей 2,5 интервала времени движения поезда по тоннелю и среднему расходу воздуха период поршневого эффекта 120 м3/с) приведены на рис. 5, 6.
Из анализа расчетных данных следует, что при понижении температуры воздуха до - 30°С мощность калориферов для схемы с рециркуляцией превышает мощность калориферов для схем без неё в зависимости от количества воздуха на 15-30 % .
Для схемы вентиляции, характеризующейся минимальной возду-хопотребностью (см. рис. 3), возможность обеспечении значения ЭРОА радона, соответствующего 310 Бк/м, связана с необходимостью увеличения мощности калориферов в 1,83 раза по сравнению со случаем достижения ЭРОА радона 1240 Бк/м3.
Таким образом, результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований показывают, что нормализация радоновой обстановки при эксплуатации Северо-Муйского тоннеля при существующем уровне выделения радона в горные выработки возможно при выполнении следующих условий:
305
- перевод персонала, обслуживающего тоннель, в группу «А» с одновременным вводом в действие соответствующим этой группе комплексом реабилитационных мероприятий;
Чн.р.»-5 с -----tu, р.=-10 с
(нр.-20С -------1н.р.=-30 С
70 Q„, м /с
Рис. 6. Расчетная мощность калориферов для схем вентиляции без рециркуляции воздуха
- использованием для проветривания тоннеля в зимний период схему вентиляции с подачей свежего воздуха через порталы тоннеля, движением по тоннелю и штольне и удалением исходящего воздуха через стволы 1, 2 и порталы штольни.
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. Павлов И.В., Покровский С.С., Камнев Е.Н. Способы обеспечения радиационной безопасности при разведке и добыче урановых руд. М. Энергоатомиздат. 1994. 256 с.
3. 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 Vehicl Tunnels. 2006, Portoroz, Slovenia, рр 451 - 461.
4. Gendler S.G. The problems of workers protection from the naturalradioactivity influence in traffic tunnels and underground structures. 31th International Conference of Safety in Mines Research Institutes, Australia, 2005, рр. 113-119.
5. Нормы радиационной безопасности (НРБ- 99). М.: Минздрав России, 1999, 113 с. ГГТ^
— Коротко об авторах -
Гендлер С.Г. - профессор, доктор технических наук, Мироненкова Н.А. - аспирантка,
Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет).
