我国铀矿通风降氡的发展历程

李先杰，张 哲，胡鹏华，陈 刚，任建军

(1.核工业北京化工冶金研究院，北京 101149； 2.核工业湖南矿冶局，长沙 410007)

氡致肺癌早在20世纪20年代由路德维格和洛伦森通过对中欧施内贝格矿工肺癌的调查得出，1951年贝尔通过对美国科罗拉多高原铀矿调查，进一步指出铀矿工肺癌主要是吸入氡子体造成的内照射所致，世界卫生组织国际癌症研究机构(IARC/WHO)已经正式将氡列为致人类癌症的Ⅰ类致癌物。因此，1958年我国铀矿山建设之始就借鉴国外的经验，注重氡的辐射危害防护，开展铀矿通风降氡。

我国铀矿冶工业体系已建立60多年，回顾我们走过的铀矿通风降氡的发展历程，取得的成绩和应对的失误都是极其宝贵的经验。文献[1]根据铀矿工的年均个人剂量递减变化，将我国铀矿冶辐射防护的历史分为4个阶段，即：铀矿冶辐射防护的建立阶段(1958—1973年)，发展与巩固阶段(1973—1990年)，停滞与转移阶段(1990—2002年)，提升与前瞻阶段(2002—2016年)，铀矿工平均辐射剂量从初始1960年的270 mSv/a(回顾值)分阶段下降为50 mSv/a(1966年)、30 mSv/a(1980年)、20 mSv/a(1998年)、7 mSv/a(2015年)[1-3]。铀矿工辐射剂量的降低过程就是铀矿通风降氡技术与管理的进步过程，主要是铀矿通风降氡技术体系的发展与建立过程。因此，作者根据我国铀矿通风技术的发展，以及通风与氡析出规律研究的不断深入，将我国铀矿通风历史划分为5个阶段，分别是1958—1965年期间的铀矿通风降氡技术学习建立阶段，1966—1977年期间的技术发展平台阶段，1978—1989年期间理论与技术发展阶段，1990—2002年期间停滞阶段和2003—2016年期间的强化发展阶段。与文献[1]划分的铀矿冶辐射防护发展历史不同之处在于1966年我国通风降氡技术发生了根本性的变化，从压入式通风方式改变为抽出式通风方式。

1 铀矿通风降氡技术学习建立阶段(1958—1965年)

从1958年由前苏联援助我国建设711矿、712矿和713矿等3个铀矿山开始到1965年是铀矿通风降氡技术学习建立阶段。这一阶段的特点是参照前苏联的辐射防护技术规范对第一批3个铀矿井的通风设计，组织学习通风降氡技术，并在学习的基础上大胆探索。

在前苏联专家撤走以后，1962年二机部第一设计院组建了剂量防护专业组，江西南昌矿业研究所成立了铀矿通风防护专业组，各厂矿也相继建立防护剂量室，承担起这一时期我国铀矿通风降氡的重任。在这个时期，依靠科研、设计、生产“三结合”技术人员的共同努力，参照前苏联的技术规范，进行铀矿井机械通风系统的设计与建设，同时开展通风方式和当量氡析出率的研究探讨。先后开展了“采场氡析出率规律”研究、“氡析出率全巷动态法测定技术”研究、“抽出式通风方式可行性”研究[4]等。

这一时期的主要标志是：矿井通风均采用机械通风，主扇风机的工作方式采用压入式，不仅前苏联专家设计的711、712、713矿，中国自己独立设计的721矿721-2-3矿井、743矿301矿井、741矿701矿井等都采用压入式通风。采用的氡析出率设计参数选用前苏联辐射防护技术规范提供的经验数据。铀矿工年均个人辐射剂量从1960年的270 mSv(回顾值)下降至1966年的50 mSv(估算值)[2]。

1965年“抽出式通风方式的可行性验证实验研究[5]”和“当量氡析出率的研究[6]”开启了我国科技工作者对铀矿通风降氡技术的研究探索。

引发对抽出式通风方式进行探索的原因是，针对前苏联专家设计的712矿2号主井，因主井石门过短，风门经常损坏，导致漏风严重，井下辐射防护条件极差，氡活度浓度较高。为了解决这一问题，原二机部第一设计院的通风技术人员提出采用抽出式通风方式改造712矿2号矿井。因抽出式通风使井下处于负压状态，不会出现主井漏风现象。但前苏联的辐射防护技术规范要求铀矿井必须采用“压入式”通风，“抽出式”通风会使氡大量释放。为了验证该条件，1965年二机部第一设计院的通风设计人员选择在711矿东矿带矿井进行试验，利用该矿的反风装置测量不同通风方式下的矿井氡析出量。实验结果见表1[5]，并于1966年形成“711矿东矿带压入改抽出反风试验总结报告”。

表1 711矿东矿带氡析出量测量结果

该报告给出了此次试验得到的3点结论性意见：1)抽出式通风方式的氡析出量比压入式高9%～11%，相差不多，并未观测到“氡的大量析出”，看来抽出式通风方式是可行的；2)压入式氡析出量确实小一些，但漏风系数较大，比抽出式约大10%～20%，风门较多，管理维护难度大，综合全面考虑，类似711矿、743矿的情况，抽出式通风优于压入式，应采用抽出式为宜；3)类似711矿、743矿的情况，抽出式好，但不能绝对化，还不能得出铀矿山通风压入式在任何情况下都不如抽出式的结论，要具体情况具体分析，岩石孔隙度大、裂隙发育、单位当量氡析出量高，采用留矿法、崩落法多，崩落严重的，氡析出量抽出式高于压入式的数量要多一些，这些有待今后去研究。

该报告的出炉，使我国铀矿通风降氡设计发生了根本性的改变，抽出式通风方式被广泛应用，新建铀矿井不再出现主井严重漏风问题。

标志铀矿通风降氡技术建立阶段结束的另一项活动是对通风降氡设计主要参数“当量氡析出率”的深入研究。当时铀矿通风设计使用的当量氡析出率参数来源于勘探巷道中采用全巷动态法测定的结果和前苏联辐射防护技术规范提供的经验数据。引起对该参数进行研究的原因是743矿301矿井采用的广东705地质队提供的当量氡析出率实测数据设计，导致矿井通风量过大，出现“大马拉小车”的现象。因此，1965年针对743矿301矿井开展了当量氡析出率测定研究，1979年再次测定，测量结果汇总于表2[6]。

表2结果显示，301矿井的当量氡析出率变化较大，将某一次测量结果作为设计依据是不可接受的，显然存在着对氡析出率变化产生重大影响的因素未掌握，需做进一步的研究。

表2 743矿301矿井历次当量氡析出率测量结果

2 铀矿通风降氡技术发展平台阶段(1966—1977年)

经过1965年压入改抽出通风试验，我国新建铀矿井均采用了抽出式通风方式，通风降氡技术的发展进入了一个技术瓶颈平台期。一方面受“文化大革命”的影响，技术研究活动大部分被中止。另一方面对铀矿通风方式的认识还需要在实际应用过程中进行深入观察，对氡析出率测量结果的不确定性也需要进行深入的分析思考。因此，这一阶段铀矿通风降氡技术发展基本处于优化通风系统管理。

711矿东矿带压入式改抽出式的实验结果顺利成为铀矿井采用抽出式通风方式的有力依据，一批抽出式通风的铀矿井相继建设投产。该阶段的主要特征是：已建铀矿井均采用压入式通风方式，新设计建设铀矿井均采用抽出式通风方式。到1985年，我国25座铀矿井中采用抽出式通风方式的为17座，占68%，采用压入式通风方式的有8座，占32%，即，1966年以后设计的铀矿井均采用抽出式通风方式。在没有采空区干扰条件下，新建抽出式通风铀矿井并没有出现大量氡析出的状况。但随着我国第一、二批铀矿山持续开采使采空区增多，第三批铀矿山的建设，以及文革期间对“活命哲学”的批判，井下通风系统未及时调整，辐射环境出现恶化趋势，井下氡活度浓度普遍升高，铀矿工年均个人辐射剂量从1966年的50 mSv上升到1975年的110 mSv[3]。

3 铀矿通风降氡理论与技术发展阶段(1978—1989年)

1974年原卫生部颁布了国家标准《放射防护规定》(GBJ 8—1974)，对铀矿井下空气中氡活度浓度及氡子体浓度给出了3.7 kBq·m-3和6.4 μJ·m-3的限值要求。1976年在711矿发现了我国第1例铀矿工肺癌[4]，以及云南个旧锡矿爆发大量矿工肺癌[7]，引起了原二机部对铀矿冶辐射防护问题的高度重视。1978年原二机部矿冶局和安防局组织以核工业第六研究所(原南昌矿业研究所)为主，核工业第四研究设计院(原第一设计院)和711矿、712矿、743矿参加的为期3年的“铀矿通风与降氡关系研究协助组”。完善铀矿通风系统，提高矿井有效风量利用率，改善井下辐射环境。特别是通过进一步学习放射性物探中氡射气的运移理论，在充分认识多孔介质中氡的扩散运移基础上掌握了压力梯度导致的空气渗流对氡运移的影响规律，开始建立氡析出的渗流-扩散方程，在云南个旧锡矿老厂七区的通风系统改造中得到验证，并将该理论应用于铀矿井通风系统改造。

这一阶段的标志是1982年原子能出版社出版了张哲著述的《氡的析出与排氡通风》[8]一书，系统阐述了铀矿通风降氡的渗流-扩散理论，解释了当量氡析出率测量结果变化较大等一系列问题，为铀矿通风降氡技术发展奠定了坚实的理论基础。“氡析出率局部静态法测定”、“快速密闭方法”、“铀矿井排氡通风技术规范(EJ 359—1989)”、“铀矿井排氡子体风量计算方法(EJ 360—1989)”等一系列研究成果如雨后春笋破土而出。在此基础上，于1981年、1985年和1986年先后召开了我国铀矿山辐射防护学术讨论会和国际铀矿山辐射防护学术讨论会，同期在英国国际矿业大会上提出了铀矿控氡通风理论，受到其他国家同行的关注[4]。铀矿工年均个人辐射剂量降至30 mSv左右，最低为22 mSv(1986年)。

4 铀矿通风降氡技术发展停滞阶段(1990—2002年)

从20世纪80年代中期开始，随着我国改革开放的力度加大，1987年核工业开始“保军转民”，从面向国防建设向民用核电的战略转移，从计划经济向市场经济转变。降低生产成本、提高经济效益成为企业生存的关键。因此，铀矿冶企业开始“2+3”大调整，关停了一批资源接近枯竭和采矿、水冶成本居高不下的铀矿山并进入退役治理，只保留了“8矿1厂”10个铀矿井(见表3)，保留下来的铀矿冶企业也全部采用开采与水冶成本较低的堆浸、地浸和原地爆破浸出等新工艺技术进行改造。

表3 保留的铀矿井通风方式与采矿方法

这一时期，为了节约采矿成本，需要连续24 h不间断运行的主扇风机在部分矿井也改为了间断式运行，需要充填和密闭的采空区也不再执行，需要随矿井开拓和采矿推进而及时进行的通风系统调整也不再进行，开采顺序也未采用后退式回采方式，导致通风系统紊乱，风流污染严重，铀矿工年均个人辐射剂量一直保持在20 mSv/a左右。

这一时期，铀矿通风降氡技术研究也基本停止，仅在2000年进行了无轨采矿通风降氡技术初步探讨。原核工业第六研究所通风防护研究室也在1993年改为氡实验室，从事氡的计量技术研究和铀矿冶设施退役治理技术研究。唯一从事铀矿通风降氡技术研究的专业队伍也转向烟厂通风除尘技术改造服务，成立了核工业衡阳三力高科技有限公司。

5 铀矿通风降氡技术强化发展阶段(2002—2016年)

1998年10月杭州全国中青年辐射防护学术研讨会上一篇题为“铀矿工个人剂量计常规应用的实践及其初步结果”[9]的文章报道了某铀矿矿工个人剂量较高的问题，以及2002年794矿(原地爆破浸出铀矿山)的102矿井炮烟中毒“4.6”特大安全事故，引起国防科工委、中国核工业总公司安防局和矿冶局领导对铀矿通风安全的高度关注，开启了新一轮铀矿通风降氡技术的强化发展。

2002—2006年，在国防科工委的支持下开始对在役铀矿井通风系统进行全面的调整改造，但由于通风降氡技术研究停滞了十多年，对新的无轨采矿、尾渣充填法采矿、原地爆破浸出法采矿、多中段同时采矿等情况下的氡析出规律认识不足，矿井氡释放源项分析不全面，导致通风系统调整改造未完全达到目的。只是建立和完善了机械通风系统，基本消除了炮烟中毒的隐患，而铀矿井中平均氡及氡子体活度浓度仍居高不下，分别为(3.0～6.6)kBq·m-3和(5.6～15.5)μJ·m-3，部分采场可高达196.7 kBq·m-3和36.4 μJ·m-3[1]。

为了加强铀矿井下通风防护管理工作，提高铀矿井通风降氡技术水平，改善矿井通风质量，有效降低井下辐射剂量水平，确保工作人员辐射剂量达到国家标准规范的要求，组建一支高水平专业化队伍，2008年中核集团金原铀业有限公司(原矿冶局)在核工业北京化工冶金研究院成立了“铀矿冶矿井通风防护技术中心”，负责全铀矿冶系统17座在役铀矿井的通风系统监督检查与调整改造，矿山通风技术人员培训，并开展了“大茶园矿井充填系统评价”、“铀矿山罐笼提升井提升量与通风系统关系研究”、“无轨开采矿山通风降氡技术研究”和“通风方式判别方法研究”等通风降氡技术研究。经过5年努力，促使全部在役铀矿井采掘工作面平均氡及氡子体活度浓度从2009年的42 kBq·m-3和78 μJ·m-3下降至2014年的5.9 kBq·m-3和8.7 μJ·m-3，再到2015年的3.7 kBq·m-3和6.9 μJ·m-3。铀矿工平均个人辐射剂量从2004年的12.26 mSv/a降至2013年的约7 mSv/a[3]，再到2015年的6.83 mSv/a[10]。

在这一强化发展阶段，以氡析出渗流-扩散理论为基础，模拟分析不同采矿方法条件下的氡释放规律，指导矿井通风系统调整改造，逐步明确了铀矿通风降氡的几个关键。

1)抽出式通风矿井降氡的关键是对采空区氡释放的控制

采空区不属于矿井的生产空间，采空区中氡进入生产空间本身就不具有正当性。抽出式通风矿井开采进入中后期，采空区释放的氡占矿井氡排放总量的50%～80%以上，成为矿井采掘工作面入风氡污染的主要来源，使得入风氡活度浓度在达到用风点前就已超过控制标准。对采空区的首要治理手段是“严密隔断”。同时通过提高矿井入风风压(即改为压入式或压抽联合式)，或疏通采空区与回风巷的联系，建立“负压沟”的方式，调整采空区内风压梯度的方向，使析出的氡背离入风流，直接进入回风巷。

2)调整采场内风压分布，减少采场氡析出

采场的氡析出量主要来源于留矿堆、崩落矿体或充填体等松散体中的氡渗流，调整采场的风流流动方向，改变松散体中的空气渗流方向是控制采场氡活度浓度的关键。留矿法采场的下行通风加局部抽排对降低采场氡活度浓度十分有效。

3)矿井内不同物质形态的氡析出具有不同的性质

巷道壁表面氡析出量随矿井内通风压力梯度的方向改变而改变，是可变氡析出量；矿井涌出水和爆落矿堆的氡析出量不随通风压力变化而变化，是恒定氡析出量；采场内充填体的氡析出量随采场通风方式改变而改变，是可调氡析出量。控制矿井空气中的氡活度浓度主要在于控制岩壁、采空区和采场内充填体的氡渗流方向，从而减少氡析出量。

4)提高有效风量利用率和风流布置是多中段同时采矿的降氡关键

在多中段同时开采过程中，风流的串联污染以及风量分配不均是采场氡活度浓度较高的主要因素。采用风门阻断与调节风流、密闭采空区和探矿天井等措施，是提高有效风量利用率的关键；建立间隔式中段通风网络可有效解决风流的串联污染。

5)保持入风洁净是保证采掘工作面氡活度浓度达标的关键

核行业标准(EJ/T 359—2016)《铀矿井通风及排氡技术规范》为采场风量计算规定了入风氡活度浓度小于1.0 kBq·m-3的限值要求，显示了对入风氡活度浓度的高度重视。这一限制与采掘工作面氡活度浓度小于2.7 kBq·m-3和有充填作业的回风道氡活度浓度控制值5.4 kBq·m-3组成了铀矿井下防氡降氡的标准要求，为铀矿井通风设计和管理提供了技术规范。

6)矿井通风方式的确定是铀矿井降氡控氡的前提

针对不同岩矿体和地质构造，不同采矿方法和矿井深度，铀矿井氡渗流导致的总氡析出量控制与通风方式密不可分，也是全矿井氡活度浓度达标的关键。以氡渗流-扩散理论为依据，《铀矿井通风及排氡技术规范》(EJ/T 359—2016)给出了铀矿井通风方式的判别方法。根据矿井内不同物质形态的氡析出具有不同的性质特征，选择合适的通风方式才能确保铀矿井通风的经济性、管理的便捷性和防护的可持续性。

6 新时期我国铀矿通风降氡技术发展方向

我国铀矿通风降氡技术自1958年学习探索，到初步建立以氡渗流-扩散理论为主的通风降氡理论至今已60多年。虽然，由于国际铀价长期低迷，我国铀矿冶企业又进入了一个以地浸开采技术为主的调整期。2016年关停了大部分生产成本较高、浅层铀矿资源逐渐枯竭的地下矿山，以集约化、规模化开发利用地浸砂岩铀资源为主，计划建设3个千吨级规模的地浸采铀基地，到2020年其产量将占全国天然铀产量的80%以上[11]，仍在开采的地下矿山产量不到20%。但是，地下矿山开采的通风降氡仍是不可忽视的问题。随着开采向深部延伸，开采深度达到700～800 m，面对较高地压、较高地温、较长风路的情况，井下氡的析出产生新的变化，通风降氡技术面临新的问题。

自1990年ICRP出台60号建议书后，世界主要铀资源开采国对天然铀生产设施提出了更严格的安全要求，加大了铀矿采冶辐射防护技术的研究与开发力度，在铀矿通风降氡措施上做了进一步的研究，使铀矿井下氡活度浓度均保持在400 Bq·m-3以下。加拿大研究开发了地下铀矿井辐射场的模拟技术和新风直接送达技术，对品位高达10%以上铀矿床的开采采用了遥控无人开采设备，矿工职业照射的个人有效剂量控制在(0.8～3.8)mSv·a-1。澳大利亚Jabiluka铀矿山加强了通风防护技术研究，矿工职业照射的个人有效剂量降至3.5 mSv·a-1；澳大利亚Olympic Dam铀矿山将氡及氡子体所至内照射个人有效剂量降到了1 mSv·a-1，最大剂量不超过10 mSv·a-1。俄罗斯分析了各种矿石氡的射气系数、扩散能力，并依据采场氡析出率给出的局部需风量计算矿井所需总风量，使氡子体所致内照射只占总剂量的20%[12-16]。但自2015年世界铀价持续走低以后，天然铀的生产格局已大量转为地浸开采，地下矿山大部分关闭停产或减产，新的通风降氡技术研究基本未见报道。

对比我国与世界地下铀矿通风防护状况，我国铀矿工的职业照射的个人有效剂量仍比世界平均水平高2～5倍，因此，我国铀矿通风降氡技术的发展方向是：

1)以氡渗流-扩散理论为主导和实验研究相结合，有目的地、系统地开展铀矿通风降氡技术研究，特别是非稳态氡渗流-扩散模式研究，建立中国铀矿通风降氡技术体系，解决以往“头痛医头、脚痛医脚”的铀矿通风降氡技术研究方式。

2)将氡渗流-扩散理论原理应用于不同矿床形态、不同采矿方法、不同采矿深度的铀矿通风降氡实践，解决我国铀矿工个人辐射剂量高于国外先进国家2～4倍的问题，确保铀矿工的辐射健康，确保铀矿冶的可持续发展。

3)开展铀矿通风降氡技术优化研究，提高铀矿通风降氡的经济性。中国铀矿万吨矿石耗风量平均为12.07 m3·s-1，美国为4.3 m3·s-1，加拿大为5.91 m3·s-1，法国为7.91 m3·s-1，江西有色矿山3.89 m3·s-1[17]。由此可以看到，在达到辐射防护目的的前提下，中国铀矿通风节能潜力巨大。

4)开展铀矿山氡释放控制技术研究，特别是采空区氡释放控制，从源头上降低铀矿山释放的氡对环境造成的污染。某无轨开采铀矿山采空区的氡释放量占矿井总排氡量的79.4%，留矿法矿井采空区的氡释放量占矿井总排氡量的52%～57%。显然，对采空区的氡释放量的恰当控制将大幅度减少铀矿井向地面环境排放的氡量。

5)在氡析出模拟、氡活度浓度自动连续监测、通风设备设施自动控制的基础上开发铀矿井通风系统自动化、信息化技术，实现铀矿通风降氡系统的管理提升，实现铀矿山辐射防护最优化目的。

总之，我国已进入建立中国特色铀矿通风降氡技术体系的最佳时期。无论在实验模拟研究、理论研究和应用实践等方面均积累了丰富的经验。对铀矿井下氡的运移、防氡降氡新技术措施等多方面有了比较透彻的认识、了解和掌握。在可以预见的未来，具有中国特色的铀矿通风降氡技术体系的建立，将有助于降低铀矿工辐射剂量、节约通风成本、保护环境，促进绿色铀矿山的建设与发展。