矿采和涵洞放射性气溶胶动力学与控制对策研究

方芳 曹磊

摘 要：针对矿采和涵洞作业过程中，氡析出而引起放射性气溶胶的形成机制进行讨论，对其物理迁移规律进行初步分析，摸索控制对策。简析作业过程中氡析出来源和放射性气溶胶（氡钍射气子体）物理迁移规律，巷道内空气流速、温度等参数是变化和不均匀分布的，气溶胶和粉尘粒子迁移时不断发生截断、沉降和二次迁移，氡及其子体的迁移沉降与粉尘粒子的迁移沉降具有耦合相关性。矿采和涵洞作业引起的放射性气溶胶迁移规律研究，有助于开展职业性肺部损伤和肺癌危害的进一步研究，从而改进控制对策。

关键词：迁移规律;氡钍射气子体;放射性气溶胶

0 引言

从岩壁、被覆层、尾矿、采空区、硐室及巷道渗水等析出的氡和钍射气形成了矿采和涵洞作业的氡环境。氡的短寿命子体（RaA，RaC'）衰变时释放的α射线，能量高，半衰期短，氡钍射气衰变子体与气溶胶结合后，形成放射性气溶胶（结合态子体），可长期悬浮于空气中，吸入后引起人体气管、支气管和肺、肾组织的累积照射，进而引起组织损伤和致癌。

1 氡及放射性气溶胶的主要来源

1.1 氡的主要来源

1.1.1岩缝析出

地下坑道纵深较长，结构复杂，出入口较小，岩石被覆很厚。湿度较大时，为控制坑道内的湿度，还会采用内循环的通风方式。岩缝内含氡空气与巷道内空气产生负压差，促使氡向巷道内渗流。铀镭等放射性核素具有富集条件的巷道内，氡析出量越高。

1.1.2被覆层氡析出

被覆层厚的地下坑道内壁的岩石和土壤表面，不可避免的具有一定的氡析出。

1.1.3 水中氡的析出

氡会大量溶解于地下水或外部补充的水体（如湿法水雾、水帘、水炮降尘）。通过交换作用进入巷道后，由于水体流动及与空气较小的分压，加速氡从水中析出。

1.1.4微观气象条件和采空区爆下矿岩的影响

氡析出和扩散受到（压力、湿度和温度等）坑道微观气象条件的影响，同一地点的氡浓度随气象因素变化而变化。近被覆层表面的氡浓度可在一昼夜发生几倍差异变化，一般情况下，凌晨高于午后，秋冬高于春夏。爆下矿岩因与空气接触的面积增大，氡大量向空气中析出，是留矿法施工采场氡的主要来源。

1.2 放射性气溶胶的形成机制和辐射剂量来源

氡是地球上唯一的气态相存在的放射性核素，在不断衰变的过程中，形成粒径极小的金属微粒而称为氡子体，其具有荷电性。氡的未结合态子体约占衰变子体的5～10%，而结合态子体与矿尘、雾滴结合在一起，形成放射性气溶胶。气溶胶是氡子体的载体，通过人体呼吸的方式，将氡子体带入人体内，沉积在支气管和肺部，引起肺部损伤，约95%的辐射剂量是来自放射性气溶胶的贡献。

2 氡及其放射性气溶胶的迁移动力学特性

2.1 环境参数等对氡及其放射性气溶胶迁移的影响

从巷道岩缝或积水中渗出的氡气体具有很强的向上运移能力，而且其向上运移要大于其横向及向下的运移。氡在空气中运移主要是扩散和对流作用，研究表明，扩散对氡迁移的贡献显著高于对流，相对低的氡浓度，对流仅有20%的贡献。决定扩散特性的是巷道暴露面积中铀镭含量和扩散系数，外部因素对扩散的影响都会体现在析出率变化上，对流通常是由于压力梯度或温度梯度而引起的。减压将有利于氡的扩散，压入式通风比抽出式通风更有利于对氡析出的控制。湿度越高时，吸湿气溶胶的粒径增长较快，扩散阻力增大的同时，氡浓度将降低，但氡子体浓度变化不大。局部接触面的风向波动对氡渗流起支配作用，风速波动影响较小，如当土壤渗透系数为10-10m2量级时，风向波动氡渗流率与静态相比增加30～35%。通风变化对氡子体空间分布存在影响，但实验结果表明其余环境参数对靠近巷道壁氡子体的空间分布影响很小。

2.2 粉尘粒子和放射性气溶胶动力学的耦合相关性

矿采和涵洞内作业时，由于粉尘多分散相的存在，放射性气溶胶粒径超过1μm～2.5μm的部分将占很大比例，甚至将高于10μm，远高于室内空气中气溶胶的0.1μm～ 0.2μm的典型粒径分布范围，这一发现与传统所认为的人体呼吸道的主要氡沉积靶器官为气管的支气管部（0.1μm以下的在支气管的附着比率较高）有所区别，通常可认为2.5μm及以上粒径的气溶胶粒子在肺内滞留的比率较高，而与呼吸性粉尘粒径处于同一量级，则增大了两者耦合迁移和沉降的几率，亟待进一步研究。

3 控制对策研究

3.1 通风

受作业空间限制，放射性气溶胶和粉尘浓度易于浓集。采场提供足够的新风是稀释和排出各种有毒有害物质的重要措施，通风也改善和调节了作业空间的微观气候条件，以便形成较为良好的工作环境。通风控氡措施：保证通风系统的完整性，进风井巷布置在铀镭核素较低的岩层中，而排风口设置在常年风向的下风侧且高于地面;地下建筑结构复杂时，宜采用分区通风，如采用二次回风，其回路不能设置在人员活动频繁的場所，防止二次污染;采场内应形成贯穿风流，避免工作面的串联通风;作业中以机械通风为主，工作中需连续运转，避免放射性气溶胶的积聚。

3.2 个体监测和职业健康监护

矿采和涵洞作业中，氡钍子体放射性气溶胶的监测已是实现个体监测的难点。目前更为严重的形势是，为控制职业性尘肺的高发病率，我国对粉尘危害防治的重视程度远高于氡照射。既往工作中，氡照射对职业健康效应的影响更多地归为电离辐射天然照射控制的组成部分，因此，鲜见对呼吸性粉尘和氡钍射气及其子体对人体的协同作用机制研究，协同个体监测问题则更为突出。中国核工业集团公司的潘自强院士在《氡防护标准和剂量评价中值得注意的几个问题》（中国辐射卫生，2007，Vol.16，No.1）一文中给出的国际氡控制的基本观点是：“如不能采用简单的措施控制氡照射到行动水平之下，就应将其纳入放射性作业进行管理”。国际放射防护委员会ICRP建议的干预行动水平为3～10mSv/a，相应的氡浓度为500～1500Bqm-3（平衡因子为氡子体浓度与氡气体浓度的比值，国标取为0.4）。考虑到矿山具体情况下，平衡因子可能差异很大，应进行修正。我国《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》GB18871标准中规定：“对工作场所500～1000Bqm-3时，应采取补救行动”。据不完全统计，全国范围内总数约10万座矿山内，氡浓度超过1500Bqm-3的矿山约为15%，涉及人群以百万人计算，其中，金属非金属放射性伴生矿山，如铁伴生稀土矿、磷酸盐矿、锡矿等，氡照射尤为严重。完善个体监测和职业健康监护已迫在眉睫。

参考文献：

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[3]潘自强.氡防护标准和剂量评价中值得注意的几个问题[J].中国辐射卫生，2007，26（1）：1-2.

[4]傅颖华，孙全富，杜维霞，等.非铀矿山氡致肺癌危险相关参数的调查[J].中华放射医学与防护杂志，2009，29（2）： 188-191.

作者简介：

方芳（1985- ），女，汉族，北京人，博士，北京市化工职业病防治院副研究员，研究方向：职业病防治研究。

曹磊（1975- ），男，汉族，甘肃兰州人，硕士学历，北京市化工职业病防治院研究员，研究方向：辐射防护与辐射剂量学。

通讯作者：曹磊