论中国铀矿通风降氡技术研究

2022-11-23李先杰胡鹏华

铀矿冶 2022年2期

李先杰，张哲，胡鹏华

(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，湖南长沙 410007)

中国自1958年开始建设铀矿山至今已有60多年，铀矿通风降氡技术研究也持续了约60年。中国通风降氡技术经历了从学习前苏联的压入式通风降氡方式到抽出式通风降氡方式的自主研发和应用，从全巷动态法矿井氡析出测量到氡渗流-扩散析出理论的提出，从单一中段开采的简单通风降氡网络到多中段同时开采的复杂通风降氡网络构建，从充填法与留矿法开采到无轨开采与原地爆破浸出开采的氡析出控制等研究阶段。中国铀矿通风降氡技术研究可以说是从零开始，支撑了铀矿山的建设与发展。

在铀矿井通风降氡技术和管理能力不断提高、井下采掘作业面氡浓度持续下降、作业辐射环境得到明显改善[1]的情况下，重提铀矿通风降氡技术研究，是为了提高中国铀矿通风降氡技术研究的系统性和有效性。

1 中国铀矿通风降氡技术研究现状

中国铀矿通风降氡走过了60多年的发展历程，做了许多开创性的工作，积累了丰富的经验，铀矿通风防护取得了明显的进步，同时也为今后铀矿通风降氡理论取得突破性进展做了具体准备。

1.1 通风降氡技术研究成果

中国铀矿通风降氡技术研究始于20世纪60年代初，前苏联专家撤走之后，铀矿通风降氡面临“压入式通风漏风严重和矿井氡析出测量值变化巨大”2个重大问题。1966年，为了解决压入式通风漏风严重的问题，核工业第三研究设计院开展了抽出式通风方式研究[2]。20世纪60年代开始，中国铀矿通风设计大规模采用抽出式通风方式，虽然解决了漏风问题；但铀矿通风降氡并未得到明显的改善，特别是随着矿井向深部延伸，生产中段增多，抽出式通风带来入风氡污染严重等诸多问题。

为了解释矿井氡析出测量值变化巨大的问题，20世纪60—80年代，第六研究所对铀矿井氡析出率测量和氡析出机理进行了系统研究[3-5]，提出了氡渗流-扩散析出原理。

进入21世纪，随着国内铀矿开采业的复兴和对铀矿山通风降氡和辐射防护的重视，国内学者又开始了对铀矿山通风降氡和辐射防护的研究。周星火等提出了铀矿山氡渗流预测和控制的方法[6]。李先杰探讨了原地爆破浸出采场氡析出总量的规律和其特殊性[7]。邓文辉提出了无轨开采氡串联污染控制方法[8]。李先杰等提出了铀矿井通风方式的判别方法[9]。尽管针对遇到的问题开展了相关研究，铀矿工平均个人剂量也从2004年的12.26 mSv/a降至2015年的6.83 mSv/a；但2015年中国铀矿井下空气中的平均氡活度浓度及氡子体α潜能浓度为3.7 kBq/m3和6.9 μJ/m3，依然处于较高水平，与发达国家铀矿山平均氡活度浓度小于400 Bq/m3存在较大差距。

1.2 通风降氡理论突破具备的基础

1.2.1 思想准备

对岩石氡析出的“渗流-扩散”解释已经为矿井通风降氡技术人员基本接受。在解决矿井通风降氡问题的过程中，不仅注重风量稀释排出作用，也注重风压对岩石氡析出的抑制-促进作用。

1.2.2 组织准备

设置了专业的通风降氡研究机构——中国铀业有限公司铀矿井通风防护技术支持中心，南华大学等高等院校也成为研究的主力，人力资源相当雄厚，特别是核物理、水文地质、放射性物理勘探等专业的加入，改变了采矿专业单打独斗的局面。

1.2.3 技术准备

先进的快速氡活度浓度和氡子体α潜能测量设备，以及氡析出研究实验室、氡析出模型的建立为铀矿通风降氡技术研究做了技术准备。一些铀矿通风降氡技术专著可为后续发展提供指导。

2 铀矿通风降氡技术研究面临的问题

目前中国铀矿通风降氡设计还没有建立完整的技术和理论系统。中国铀矿吨金属通风量与世界铀矿山相比基本相当，平均为0.46～1.13 m3/(s·t)；但井下氡活度浓度及氡子体α潜能浓度比澳大利亚和俄罗斯高3～5倍[10]。这就是说，中国铀矿通风降氡的投入产出比只有国外铀矿的20%～30%。

中国铀矿通风降氡技术研究基本是“头疼医头脚疼医脚”，面临的问题主要有：1)对井下氡的释放规律和氡浓度分布变化规律认识不足，导致氡的源项分析不准确；2)已有的铀矿通风降氡技术研究“碎片化”，未形成以氡渗流-扩散理论为基础的系统性思维；3)理论与实际结合不紧密，未根据铀矿生产的实际变化对理论进行补充和深化。

中国铀矿通风降氡技术研究已经发展到了应该有1个全面发展计划的阶段。全面分析中国铀矿通风降氡的发展过程，其重要意义是明确当前存在的和预计将要出现的关键技术问题，以便建立全面的铀矿通风降氡技术发展计划，合理分配资源，提高研究效率，迅速增强中国铀矿通风降氡的主动性[11]。

3 通风降氡技术研究方向

3.1 系统认识井下大气氡浓度变化规律

中国早期铀矿通风降氡设计理念源于前苏联，并针对一些具体问题对前苏联的设计规范进行了实验检验。研究表明铀矿通风可以采用抽出式通风方式，并通过实测确定了单位当量氡析出率等。

中国铀矿开发技术进步较快，但铀矿通风降氡相对落后，这主要是由于对矿井中氡运移规律缺乏足够的认识。在“711矿东矿带压入改抽出的试验总结”中，出现了在氡析出量分析中缺乏对地下水氡析出量分析的漏项。中国铀矿通风坚持使用抽出式通风方式，但对抽出式通风方式使用条件的研究不足，没有研究矿井发展过程中通风条件的变化规律和通风方式的变化情况。这就使得铀矿通风降氡技术规范的内涵缺乏厚度，给铀矿通风降氡管理带来一些困难。

云锡公司老厂七区通风系统改造运用氡析出的渗流-扩散理论分析了抽出式通风造成矿井氡浓度不降反升的现象，将通风系统改造为压抽联合式通风方式，取得了降低氡浓度和降低通风成本的研究成果[12]。压抽联合式通风方式在云际矿井也取得较好效果。

3.2 开展系统专业的研究

中国铀矿通风降氡技术研究一直与改善矿井通风状况相结合，研究报告和发表的论文多是对实验现象的描述。1982年以后，国内才开始运用氡析出的“渗流-扩散”理论解释铀矿通风降氡中的某些现象。由于理论研究较薄弱和分散，以及理论研究和实践的结合不紧密；理论研究成果不能得到实验检验，更没有机会指导实践，以至于对实验成果的认识不深刻，甚至出现片面性。直到现在，铀矿通风降氡的合理通风方式仍是热门的讨论话题。

中国铀矿通风降氡的另一重要问题是对矿井氡析出量的基本参数缺乏系统的实测资料。按照《铀矿井排氡及通风技术规范》(EJ/T 359—2016)，使用全巷动态法测量同一座矿井的当量氡析出率，测量结果的最大值与最小值相差达4～5倍。这样的实测结果给使用单位造成极大困难。中国铀矿通风降氡设计只是为通风防护提供了1个实验平台，具体的防护效果很大程度上取决于矿山经营者的具体操作。

南华大学对岩石模型进行的氡析出实验室研究[13-14]和对矿井氡析出量变化的实验观察[15]是系统研究的基础工作。云锡老厂七区通风系统改造经验表明，在矿井通风降氡理论的指导下，铀矿通风降氡的可靠性和经济性会有大幅提升。

3.3 采用理论联系实际的研究方式

矿井通风降氡基本方程是矿井通风降氡物理过程的反映，是分析通风系统内风量变化和风压分布规律的基本依据，是设计通风降氡措施的理论基础。现有的矿井通风降氡基本方程，是根据老厂七区通风系统改造经验，结合矿井氡析出规律和实验测量结果建立的假设模型。矿井通风网络由入风段、用风段和回风段顺序连接组成。入风段和回风段岩体渗流方向由井下与地面之间岩层中的通风压力梯度控制，用风段岩体内的渗流方向由入风道与回风道之间的压力梯度控制。入风段和用风段之间的空气动力联系构成了矿井通风降氡基本方程。入风段和用风段的氡析出规律则隐藏在方程的背后。

现有的通风降氡基本方程可以作为开展“铀矿通风降氡理论和技术体系研究”的起手式。根据矿井的岩石条件、水文地质条件、矿山发展过程，建立与矿井通风降氡相匹配的试验方法和解释方法，强化矿井通风降氡的独立学术地位，在强化通风降氡可靠性的同时降低通风成本，是提高矿山经济效益的方向之一。

铀矿通风降氡理论研究的合适场所是现场。在采场氡析出量计算中，对采矿作业平台松散体的氡析出量计算过程包含的不确定因素最多。松散体的氡析出份额变化大，实测数据较少。松散体的氡析出份额及渗流速度，洒水防尘对减少松散体氡析出量的效果，以及岩矿体湿度的变化及其对岩矿体渗透率和扩散系数的影响等，都是具体规划矿井通风防护的必要参数。现场测量和实验室测量、模型模拟之间的差别也是铀矿通风研究的薄弱环节。结合现场的通风系统调整进行通风降氡的研究，是发现问题和解决问题的途径。