掘进工作面氡气来源分析和关键治理技术研究

彦 鹏工程师 胡全宏

(1.国家能源集团宁夏煤业有限责任公司 双马煤矿，宁夏 灵武，750408；2.辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院，辽宁 兴城，125100)

0 引言

2011年4月20日，双马煤矿缓坡副斜井掘进工作面在掘进施工至1022m处迎头底板出现气体，迎头停止施工。对迎头底板岩层进行打钻取样，经取样分析化验气体成分为氡及氡子体，浓度超过国家规定标准。氡及氡子体的突然增大，给掘进工作面的安全带来了极大的隐患。

氡气无色无味，自然界中的氡是由镭衰变产生，是人类所接触到的唯一气体放射性元素[1]。由于氡是放射性气体，当人吸入肺部后，氡衰变过程产生的α粒子可在人的呼吸系统造成辐射损伤，可诱发肺癌、白血病等恶性疾病，甚至死亡[2-6]。

因此，开展掘进工作面特殊地层氡气来源、运移规律和关键治理技术等内容研究，以理论指导现场，从而有效治理特殊地层影响范围内氡气所带来的人员伤亡及矿井安全隐患等，对保护作业人员身心健康及保障矿井安全具有重要意义。

1 矿井及掘进工作面概况

1.1 矿井概况

双马煤矿位于宁夏回族自治区灵武市东南约60km处。矿井范围：北与鸳鸯湖矿区的麦垛山、红柳井田相邻；南与金凤井田相邻；西以李新庄断层为界；东至马柳断层。

矿井设计生产能力400万吨/年，服务年限106.4年。井田东西宽4.0～4.9km，南北长13.7km，面积约68.2km2，矿井总地质资源量1459.21Mt，设计可采储量595.72Mt。井田内共有可采煤层11层，主要可采煤层7层，分别为4-1、4-2、4-3、6、10、12、17煤，目前正在开采的煤层为4-1、4-2煤层。

1.2 掘进工作面概况

缓坡副斜井担负全矿井人员、设备及材料等辅助提升任务，为矿井的主要进风井，同时兼作安全出口。设计长度4408.5m，于2009年10月16日开工建设，预计2013年9月30日施工到位，如图1。

图1 副斜井井筒掘进位置示意图Fig.1 Schematic diagram of the driving position of the sub-inclined shaft

2 氡气的性质、危害

氡元素符号为Rn，原子序数是86，位于元素周期表中第六周期，零族。氡气分子是氡原子的单原子分子，氡气是气体中最重的一个，也是唯一一个常规条件下全部由放射性同位素构成的气体。氡气无色、无臭、无味。在标准温度和压力下，氡是一种单原子气体，密度为9.73kg/m3。氡是密度最高的稀有气体，也是室温下密度最高的气体之一。在标准温度和压力下无色，但在冷却至冰点202K(-71℃)以下后会因放射性发光，随温度降低而从黄色渐变为橘红色。在凝结之后，氡同样会因放射性发光。

氡是世界卫生组织(WHO)公布的19种主要致癌物质之一，是仅次于香烟引起人类肺癌的第二大元凶。国际癌症研究署(IARC)认为氡及其子体是人类的致癌因子，无阈值。氡的生物学效应主要集中在呼吸道肿瘤、肺纤维化、肺气肿和寿命减少方面。人体各器官受到氡子体辐射剂量的程度是不同的，其中肺部受到的剂量最大。

氡对人类的健康影响表现为确定性效应和随机效应。确定性效应表现为：在高浓度氡的暴露下，机体出现血细胞的变化：如外周血液中红细胞增加，中性白细胞减少，淋巴细胞增多，血管扩张，血压下降，并可见到血凝增加和高血糖。氡对人体脂肪有很高的亲和力，特别是神经系统与氡结合产生痛觉缺失。随机效应主要表现为肿瘤的发生，由于氡是放射性气体，当人们吸入后，氡衰变过程产生的α粒子可在人的呼吸系统造成辐射损伤，诱发肺癌。流行病学研究表明：氡及其衰变子体的吸入是矿工肺癌发病的重要原因。

3 氡气来源

3.1 氡气的确定

双马煤矿缓坡副斜井于2011年4月20日累计掘进1022m时，巷道层位为侏罗系直罗组中粗砂岩层，当天早班发现缓坡副斜井迎头巷道底板积水中有气泡冒出，迎头停止施工，如图2、3。4月20日、4月22日、23日双马煤矿通风队、宁夏核工业地质勘查院在副斜井中收集气体，经检测化验空气氡浓度为632.7～69008.7Bq/m3，平均浓度为19138.2Bq/m3；水中氡浓度为7.4～14.8Bq/L，剂量限值为2700Bq/m3(空气氡浓度)，最后确定为氡气。同时对井下辐射性物质检测，初步判定氡气是铀矿层中的铀物质在衰变过程中产生镭，镭再裂变产生氡气。

图2 副斜井井筒断面岩层图Fig.2 Stratum diagram of wellbore section of the sub-inclined shaft

图3 副斜井井筒探气钻孔布置示意图Fig.3 Schematic diagram of layout of borehole for gas exploration in the sub-inclined shaft

3.2 来源分析

经过地面钻探取芯检测和施工过程中检测分析，矿井有害氡气主要来源于灰白色砂岩岩层，与下伏土黄色泥质砂岩接触部位灰色含砾砂岩为放射性γ偏高层，厚10～30cm，γ辐射量率为143～311nGy/h，放射性活度238U为401.8Bq/kg，232Th为71.7Bq/kg，表明铀是放射性主要源，白色砂岩岩层孔隙度大，有利于氡气流动，本层位已基本穿过，底部与周壁已被混凝土浇灌，高氡浓度大部分已被屏蔽，还有少量可慢速逸出。巷道迎头工作面上部为土黄、紫红色泥质砂岩层，γ辐射量率为82～153nGy/h，属正常本底，氡析出率低，形不成氡源，形不成放射性危害；巷道迎头工作面下部为土黄色砂岩层，γ辐射量率为102～149nGy/h，属正常本底，氡析出率偏高，为现阶段副矿井掘进氡主要来源，放炮前氡浓度为230Bq/m3左右，放炮后氡浓度为500Bq/m3左右，在通风不利的情况下氡浓度就会出现偏高，说明氡气危害随时存在，防护工作不能放松，特别是通风量绝对不能减少。

4 掘进工作面氡气关键治理技术

通过理论研究和现场实际考察，掘进工作面过氡气特殊地层期间主要采取“喷、涂、增、降、检、撤、护”七字关键治理技术。具体如下：

(1)喷——对氡气扩散层巷道喷浆支护，封堵氡气扩散。掘进工作面迎头氡气扩散层采用29#“U”型钢拱架+双层钢筋网+喷射砼300mm支护，地坪采用400mm厚的C30单层钢筋混凝土。

(2)涂——对氡气扩散层、生成层喷涂偏氯共聚乳液覆盖层。掘进工作面迎头氡气扩散层围岩喷涂防氡覆盖层(采用偏氯共聚乳液)，喷涂厚度大于2mm，对裂隙发育地段喷涂2-3次，有效降低氡气逸散。氡气生产层喷涂防氡覆盖层，首先对迎头矸石堆以上的裸露岩壁喷涂防氡覆盖层，出渣结束后再对矸石堆下部的岩壁喷涂防氡覆盖层，喷涂厚度大于2mm。

(3)增——增加工作面风量，稀释氡气。缓坡副斜井井筒内增加一趟直径1m风筒，并配备两台2×30kW风机向井下掘进工作面供风，形成两趟风筒(另一趟为直径0.8m风筒配合两台2×18.5kW风机使用)向井下掘进工作面供风，供风量不小于800m3/min。掘进工作面增加风量情况下各测点氡气浓度含量(通风效果)，见下表。

(4)降——降低循环进度，降低作业人员作业时间。由原“三·八”制改为“四·六”制作业，每班作业时间6小时，每圆班完成一个循环，进尺1.6m，日进度1.6m，减少氡气逸散量。

(5)检——加强氡气检测。利用配置的FD216型、DHZM-2型测氡仪、FD-3013、JB4000A型智能化X-γ辐射仪、BS9511 X、γ辐射剂量检测仪、FD-3017水及土壤测氡仪，按照检测安排(打眼前、打眼中、打眼后、放炮后、喷涂防氡材料后、永久支护后)定时检测掘进工作面、井筒中部500m处、风机进风口、风机出风口附近风流中的氡气及子体浓度。

表 副斜井井筒内各测点氡气含量及γ辐射剂量率Tab. Radon gas content and γ radiation dose rate at measured points in the sub-inclined shaft

(6)撤——异常情况及时撤人。工作面迎头及其它作业地点风流中氡气及子体浓度、γ照射量率符合国家标准(风流中Rn-222浓度不大于2.7kBq/m3，Rn-222子体α潜能浓度不超过5.4μJ/m3)时，方可施工；当氡气及子体浓度超过国家标准时，必须立即停止工作，及时撤出作业人员。

(7)护——加强个体防护。在掘进工作面所有作业人员，必须佩戴完好的隔离式自救器、防辐射服，配戴防氡呼吸器或面具等防护设备。

5 结论

(1)通过理论研究和现场实际考察，提出掘进工作面过氡气特殊地层期间“喷、涂、增、降、检、撤、护”七字关键治理技术体系，通过喷浆堵漏、喷涂防氡覆盖层、增大掘进工作面通风量、降低循环进度、加强检测预报等主动防控措施，顺利通过了氡气特殊地层，应用效果良好，确保了矿井安全生产。

(2)今后要采取压入式或“长压短抽”通风方式。氡气浓度与矿井的通风方式、通风压力、风速等有直接关系。在围岩破碎、裂隙发育的情况下，采用压入式通风可以减少或降低氡气浓度。加强矿井水、水仓和污水的管理和处理，并定期开展密闭、水仓等地点氡气浓度监测。