压抽混合式通风独头巷道内氡及氡子体浓度的计算模型及其分布规律研究.pdf-_矿业文库_煤矿文库_有色文库_金属矿山文库_矿山安全_煤矿安全_采矿技术措施

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第３４卷第２期核科学与工程Ｖｏｌ．３４Ｎｏ．２２０１４年６月ＮｕｃｌｅａｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＪｕｎ．２０１４压抽混合式通风独头巷道内氡及氡子体浓度的计算模型及其分布规律研究叶勇军１，２，王立恒１，丁德馨２，周星火１，李向阳１，钟永明１，王淑云１（１．南华大学环境保护与安全工程学院，湖南衡阳４２１００１；２．南华大学铀矿冶生物技术国防重点学科实验室，湖南衡阳４２１００１）摘要压抽混合式通风是长距离独头掘进巷道内控制氡及氡子体浓度重要的通风方式，研究该种通风方式下巷道风流中氡及氡子体浓度分布规律对指导其通风和辐射防护设计具有重要的意义。为此，根据氡与氡子体之间的衰变关系，建立了风流中氡子体α潜能浓度与氡活度浓度之间的简化数学计算模型；接着，分析了独头巷道受限空间内氡及氡子体的来源，并基于巷道风流的紊流传质理论，建立了压抽混合式通风方式下风流中氡活度浓度与氡子体α潜能浓度分布的数学计算模型；最后，针对一个具体的独头巷道，探讨了通风量和岩壁氡析出率对整个巷道内氡浓度和氡子体α潜能浓度分布的影响，同时提出了独头巷道内降低氡及氡子体致工作人员剂量的防护措施。关键词独头巷道；氡及氡子体；压抽混合式通风；计算模型中图分类号ＴＦ３０２文章标志码Ａ文章编号０２５８－０９１８（２０１４）０２－０２１９－０９收稿日期２０１３－０４－２１；修回日期２０１３－０７－３０基金项目国家自然科学基金项目（１１１０５０６９），湖南省科技厅计划项目（２０１１ＳＫ３０８５）作者简介叶勇军（１９７９），男，湖北浠水，副教授，博士研究生，现主要从事铀矿安全开采技术ＳｔｕｄｙｏｎＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎＭｏｄｅｌｓａｎｄＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎＲｕｌｅｓｏｆｔｈｅＲａｄｏｎＣｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎａｎｄＩｔｓＰｒｏｇｅｎｉｅｓＣｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｉｎＢｌｉｎｄＲｏａｄｗａｙｗｉｔｈＦｏｒｃｅｄ－ｅｘｈａｕｓｔＶｅｎｔｉｌａｔｉｏｎＹＥＹｏｎｇ－ｊｕｎ１，２，ＷＡＮＧＬｉ－ｈｅｎｇ１，ＤＩＮＧＤｅ－ｘｉｎ２，ＺＨＯＵＸｉｎｇ－ｈｕｏ１，ＬＩＸｉａｎｇ－ｙａｎｇ１，ＺＨＯＮＧＹｏｎｇ－ｍｉｎｇ１，ＷＡＮＧＳｈｕ－ｙｕｎ１（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＳａｆｅｔｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｏｕｔｈＣｈｉｎａ，ＨｅｎｇｙａｎｇｏｆＨｕｎａｎＰｒｏｖ．４２１００１，Ｃｈｉｎａ；２．ＫｅｙＤｉｓｃｉｐｌｉｎｅＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＮａｔｉｏｎａｌＤｅｆｅｎｓｅｆｏｒＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎＵｒａｎｉｕｍＭｉｎｉｎｇａｎｄＨｙｄｒｏｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｏｕｔｈＣｈｉｎａ，ＨｅｎｇｙａｎｇｏｆＨｕｎａｎＰｒｏｖ．４２１００１，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｆｏｒｃｅｄ－ｅｘｈａｕｓｔｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｗａｙｔｏｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｒａｄｏｎａｎｄｉｔｓｐｒｏｇｅｎｉｅｓｉｎｌｏｎｇ－ｄｉｓｔａｎｃｅｂｌｉｎｄｄｒｉｖｉｎｇｒｏａｄｗａｙ．Ｉｔｉｓｏｆｇｒｅａｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｆｏｒｇｕｉｄｉｎｇｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎａｎｄｒａｄｉａｔｉｏｎｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｔｏｓｔｕｄｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅ９１２ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｒａｄｏｎａｎｄｉｔｓｐｒｏｇｅｎｉｅｓｉｎｔｈｅｗｉｎｄｏｆｒｏａｄｗａｙａｄｏｐｔｉｎｇｔｈｅｆｏｒｃｅｄ－ｅｘｈａｕｓｔｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｄｅｃａｙｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｏｆｒａｄｏｎａｎｄｉｔｓｐｒｏｇｅｎｉｅｓ，ａｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｗａｓｂｕｉｌｔ，ｗｈｉｃｈｒｅｌａｔｅｓｔｏｔｈｅｒａｄｏｎａｃｔｉｖｉｔｙｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｐｏｔｅｎｔｉａｌａｌｐｈａｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｒａｄｏｎｐｒｏｇｅｎｉｅｓ．Ｔｈｅｐａｐｅｒａｌｓｏａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｓｏｕｒｃｅｓｏｆｒａｄｏｎａｎｄｉｔｓｐｒｏｇｅｎｉｅｓｉｎｔｈｅｌｉｍｉｔｅｄｓｐａｃｅｏｆｔｈｅｂｌｉｎｄｒｏａｄｗａｙ．Ｔｈｅｎ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｍａｓｓｔｒａｎｓｆｅｒｔｈｅｏｒｙｏｆｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎａｉｒｆｌｏｗ，ｔｈｅｐａｐｅｒｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｓｏｆｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｒａｄｏｎａｃｔｉｖｉｔｙｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｐｏｔｅｎｔｉａｌａｌｐｈａｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｒａｄｏｎｐｒｏｇｅｎｉｅｓｉｎｂｌｉｎｄｒｏａｄｗａｙｗｉｔｈｆｏｒｃｅｄ－ｅｘｈａｕｓｔｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｐａｐｅｒａｐｐｌｉｅｄｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｓｔｏａｓｐｅｃｉａｌｂｌｉｎｄｒｏａｄｗａｙ，ａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｅｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎａｉｒｉｎｆｌｏｗａｎｄｔｈｅｒａｄｏｎｅｘｈａｌａｔｉｏｎｒａｔｅｏｆｒｏｃｋｗａｌｌｏｎｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｒａｄｏｎｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｐｏｔｅｎｔｉａｌａｌｐｈａｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｒａｄｏｎｐｒｏｇｅｎｉｅｓｉｎｔｈｅｒｏａｄｗａｙ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｓｏｍｅｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｗｅｒｅｐｕｔｆｏｒｗａｒｄｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｒａｄｉａｔｉｏｎｄｏｓｅｏｆｗｏｒｋｅｒｃａｕｓｅｄｂｙｒａｄｏｎａｎｄｉｔｓｐｒｏｇｅｎｉｅｓｉｎｔｈｅｂｌｉｎｄｒｏａｄｗａｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｂｌｉｎｄｒｏａｄｗａｙ；ｒａｄｏｎａｎｄｉｔｓｐｒｏｇｅｎｉｅｓ；ｆｏｒｃｅｄ－ｅｘｈａｕｓｔｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ；ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ在铀矿的开采过程中，井下除了存在一氧化碳、粉尘等有毒有害物质外，还存在氡及氡子体、长寿命α气溶胶等放射性核素，这些因素严重威胁着作业人员的身体健康，其中放射性危害最大的是氡及氡子体的内照射［１－２］，我国铀矿工人的个人剂量水平在核工业中是最高的，在世界铀矿山中也是较高的［３］。因此，开展铀矿井下作业场所排氡技术研究具有重要的意义。２００６年，法国学者ＧｕｉｄｏＢｒａｃｋｅ等利用矿井通风３Ｄ软件ＶＵＭＡ成功实现了对矿井通风网络风流中氡浓度的动态模拟［４］。２０１０年，加拿大的学者ＣｒｉｓｔｉａｎＦ．Ｇｈｅｒｇｈｅｌ等建立了通风网络中氡及氡子体浓度的计算模型，并提出了矿井通风调整策略［５］。２０１１年，埃及学者Ｍ．Ｍ．Ｅｌ－Ｆａｗａｌ建立了矿井通风网络中风量、风压以及氡与子体浓度的联合解算模型，并实现了对矿井巷道、作业面的氡及氡子体浓度的预测［６］。上述学者从数学理论和计算机模拟方面开展了矿井通风网络中的氡及氡子体浓度计算方法的研究，但并未深入开展矿井具体生产作业场所内氡及氡子体浓度分布的规律的研究。独头巷道是铀矿井下广泛存在的作业场所，也是氡及氡子体产生和聚集的重要地点。作为铀矿井下特殊的受限空间，压入式、抽出式以及压抽混合式三种局部通风方式在独头巷道中得到了广泛的应用。２０１１年，叶勇军等提出了铀矿井下通风风流中氡及氡子体浓度的计算模型，并解决了压入式通风独头巷道内氡及氡子体浓度的预测问题［７］，目前对已提出的模型进行了改进。由于我国铀矿资源较分散，地下开采系统中存在大量的长距离独头掘进巷道，鉴于压抽混合式通风兼有压入式和抽出式的优点［８］，铀矿井排氡及通风技术规范（ＥＪ／Ｔ３５９２００６）（以下简称排氡规范）作了明确规定当掘进距离大于２００ｍ，可考虑压抽混合的通风方式［９］。目前，我国对采用压抽混合式通风的长距离独头掘进内氡及氡子体浓度的分布规律缺少系统的研究，这类巷道内排氡通风与辐射防护设计缺少科学的依据，通风效果较差且管理较困难。为此，本文以采用压抽混合式通风方式的独头巷道为研究对象，建立巷道内氡活度浓度及氡子体α潜能浓度的分布的计算模型，并研究其分布规律，旨在为独头巷道通风排氡设计提供可靠的依据。１风流中氡子体α潜能积累方程的数学描述在铀矿井下独头巷道内存在着氡气，由于氡是放射性气体，随着时间的推移，氡会衰变成一系列的新核素。由于镭Ｃ ′ 的半衰期很短，一般认为镭Ａ、镭Ｂ、镭Ｃ这三种子体的α能量之和就是氡子体的α潜能。若在最初时刻通风气流中只有０２２氡，且初始氡浓度为Ｃ０，不考虑氡子体的沉降和附壁效应，则在ｔｓ积累时间后，气流中由氡衰变产生的镭Ａ、镭Ｂ和镭Ｃ的α 潜能浓度分别为Ｅ α Ａ＝ｆａλａ λａ－λ （ｅ－ λ ｔ－ｅ－λ ａｔ）Ｃ０（１）Ｅ α Ｂ＝ｆｂλａλｂｅ－ λ ｔ（ λａ－λ）（λｂ－λ）－ｅ－ λ ｔ（ λａ－λ）（λｂ－λａ）＋ｅ－ λ ｔ（ λｂ－λ）（λｂ－λａ烄烆烌烎）Ｃ０（２）Ｅ α Ｃ＝ｆｃλａλｂλｃｅ－λ ｃｔ－ｅ－ λ ｔ（ λ－λａ）（λ－λｂ）（λ－λｂ）＋ｅ－λ ｃｔ－ｅ－λ ａｔ（ λａ－λ）（λａ－λｂ）（λａ－λｃ）＋ｅ－λ ｃｔ－ｅ－λ ｂｔ（ λｂ－λ）（λｂ－λａ）（λｂ－λｃ烄烆烌烎）Ｃ０（３）气流中氡子体α潜能浓度Ｅ为Ｅα＝Ｅ α Ａ＋Ｅ α Ｂ＋Ｅ α Ｃ（４）式中Ｃ０通风气流中初始氡浓度，ｋＢｑ／ｍ３； λ、 λａ、λｂ和λｃ分别为氡、镭Ａ、镭Ｂ和镭Ｃ的衰变常数， λ＝２．１１０－６ｓ－１， λａ＝３．７９１０－３ｓ－１， λｂ＝４．３１１０－４ｓ－１， λｃ＝５．８６１０－４ｓ－１；ｔ气流流动的时间（即氡积累时间），ｓ；Ｅ α Ａ、Ｅ α Ｂ和Ｅ α Ｃ分别为镭Ａ、镭Ｂ和镭Ｃ的α潜能浓度， μ Ｊ／ｍ３；Ｅα氡子体的α潜能浓度， μ Ｊ／ｍ３；ｆａ、ｆｂ和ｆｃ分别为镭Ａ、镭Ｂ和镭Ｃ的α潜能换算系数；其中ｆａ＝０．５７９μＪ／ｋＢｑ，ｆｂ＝２．８６μＪ／ｋＢｑ，ｆｃ＝２．１２μＪ／ｋＢｑ。由于式（４）表达形式较复杂，在实际中难以得到应用。为此，利用式（４）计算纯氡经过１０ｓ、３０ｓ、６０ｓ、１２０ｓ、１８０ｓ、２４０ｓ、３００ｓ、６００ｓ、１２００ｓ、１８００ｓ、２４００ｓ、３０００ｓ、３６００ｓ、７２００ｓ、１０８００ｓ、１２０００ｓ和１４４００ｓ衰变后累积的氡子体α潜能浓度，并对计算结果进行指数非线性回归拟合，获得氡子体的α潜能浓度的曲线方程为Ｅα＝β（１－ｅ－λ ｅｔ）Ｃ０（５）式中Ｅα氡子体α潜能浓度， μ Ｊ／ｍ３； β转换常数， β＝５．３７１２μ Ｊ／ｋＢｑ；λｅ氡子体的等效衰减常数， λｅ＝３．３０５１０－４ｓ－１。对式（４）和式（５）的计算结果进行分析，在累积时间为０～１８０ｓ，拟合值与理论之间的相对误差在１０％～２０％，在１８０～１４４００ｓ均低于１０％，拟合曲线与理论值之间总的相关系数为０．９９９，说明曲线拟合方程计算结果和理论计算结果很接近，为此本文将式（５）取代理论公式（４）用于工程实际。从式（５）可知，当没有母体氡时，总α潜能浓度为Ｅα０的氡子体的衰减规律近似为Ｅα＝Ｅα０ｅ－λ ｅｔ（６）式中Ｅα０氡子体的初始α潜能浓度， μ Ｊ／ｍ３。２压抽混合式通风独头巷道风流中氡及氡子体α潜能浓度的数学计算模型２．１压抽混合式通风气流静压变化对岩壁氡析出率的影响通风气流沿着井巷流动时，由于井巷岩壁的摩擦作用，将会导致通风气流静压的变化，由氡的渗流－扩散迁移理论可知，静压的变化将对巷道岩壁的氡析出率造成影响。因此，为了建立压抽混合式通风独头巷道风流中氡浓度及氡子体α潜能浓度的数学计算模型，有必要对巷道内的静压变化进行研究。对于一条巷道，通风阻力由摩擦阻力和局部阻力组成。井巷中通风气流的摩擦阻力的计算公式为［１０］ｈｆ＝ α１ｐＬＳ３Ｑ２（７）式中 α１巷道摩擦阻力系数，Ｎｓ２／ｍ４；Ｓ巷道断面面积，ｍ２；ｐ巷道横断面周长，ｍ；Ｑ风量，Ｑ＝ＳＶ，ｍ３／ｓ；Ｌ独头巷道的长度，ｍ。巷道横断面的周长可按下式计算ｐ＝槡ＣＳ（８）式中Ｃ断面形状系数，无量纲，梯形Ｃ＝４．１６；三心拱Ｃ＝３．８５；半圆拱Ｃ＝３．９０。当独头巷道采用压抽混合式通风时，通风示意图如图１所示。将压抽混合式通风独头巷道的风流分布分为Ｌ１、Ｌ２和Ｌ３三段，并令其起点分别为Ａ、Ｂ、Ｃ。在计算巷道内空气静压时，以独头巷道入口为起点和静压参考点，可依据伯努利方程分别建立计算点与Ａ、Ｂ和Ｃ三点之间的能量方程。１２２图１独头巷道压抽混合式通风示意图Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｆｏｒｃｅｄ－ｅｘｈａｕｓｔｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎｉｎｂｌｉｎｄｒｏａｄｗａｙＰＡ＋ρ Ｖ２２＝ＰＬ＋ρ Ｖ２２＋ｈＡ－Ｌ（９）ＰＢ＋ ρＶ２２２＝ＰＬ＋ ρＶ２２２＋ｈＢ－Ｌ（１０）ＰＣ＋ ρＶ２３２＝ＰＬ＋ ρＶ２３２－ｈＬ－Ｃ（１１）式中ＰＡ、ＰＢ、ＰＣ和ＰＬ分别为Ａ、Ｂ、Ｃ和Ｌ点处的空气压力，Ｐａ；Ｖ、Ｖ２和Ｖ３分别为Ｌ１、Ｌ２和Ｌ３段的风速，ｍ；ｈＡ－Ｌ、ｈＢ－Ｌ和ｈＬ－Ｃ分别表示Ａ点、Ｂ点和Ｃ点分别与计算点Ｌ之间的摩擦阻力。根据式（９）、式（１０）和式（１１）可知，处于Ｌ１段、Ｌ２段和Ｌ３段的计算点Ｌ相对于独头巷道入口处静压的变化可分别按式（１２）、式（１３）和式（１４）计算。ＰＬ－ＰＡ＝－ａ１ｐＶ２ＬＳ（１２）ＰＬ－ＰＡ＝－ａ１ｐＶ２ｂ２Ｓ［（２ｂ－１）Ｌ１＋（ｂ－１）２Ｌ］（１３）ＰＬ－ＰＡ＝－ａ１ｐＶ２ｂ２Ｓ［（ｂ２＋１）Ｌ１＋（２＋ｂ２－２ｂ）Ｌ２－Ｌ］（１４）式中Ｌ风流流动方向上某点距独头巷道口的距离，ｍ； ρ独头巷道中空气的密度，ｋｇ／ｍ３；Ｌ风流流动方向上某点距独头巷道口的距离，ｍ；Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３分别为巷道中三个分段的长度，ｍ；ｂ抽出式风机的吸入风量与压入式风机的压出风量比值，一般ｂ＝１．２～１．３。假定独头巷道的断面形状为三心拱，断面积Ｓ＝５ｍ２，巷道各段长度Ｌ１＝２００ｍ、Ｌ２＝２０ｍ、Ｌ３＝３００ｍ，抽出式风机的吸入风量与压入式风机的压出风量比值ｂ＝１．２５，巷道壁裸露无支护，巷道摩擦阻力系数α １在０．００８～０．０１２Ｎｓ２／ｍ４，本文取０．０１Ｎｓ２／ｍ４。当通风风量Ｑ＝４ｍ３／ｓ时，独头巷道内各处相对巷道入口Ａ点的静压如图２所示。图２独头巷道相对静压分布图Ｆｉｇ．２Ｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｒｅｌａｔｉｖｅｓｔａｔｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｉｎｂｌｉｎｄｒｏａｄｗａｙ由图２可知，采用压抽混合式通风的平直独头巷道，在本文假设的条件下，巷道内高静压点和低静压点的静压差不超过２．５Ｐａ。因此，对于致密岩壁的平直独头巷道，通风风流静压变化对独头巷道岩壁氡析出率的影响很小。为此，本文对通风方式一定的独头掘进巷道，采用巷道岩壁的平均氡析出率进行理论计算。２．２压抽混合式通风独头巷道风流中氡浓度的数学计算模型由图１可知，混合式通风的巷道，新鲜风流从巷道入口进入，一部分风流经过Ｌ１段和Ｌ２段后由抽出风机抽出；另一部分经过Ｌ１段后被压入风机送往工作面，风流冲刷独头掘进工作面后再由抽出风机抽出。巷道内氡的来源有三个（１）入风风流带入的氡；（２）独头巷道壁析出的氡；（３）独头巷道掘进工作面堆积矿石析出的氡。为了建立简化的混合式通风方式下独头巷道风流中氡浓度的数学计算模型，作如下几点假设（１）独头巷道形状规则且断面均匀；（２）巷道岩壁氡析出率是一个定值；（３）独头巷道内风流稳定，且不存在漏风现象。根据假设条件，以独头巷道入口为起点，则独头巷道中Ｌ１、Ｌ２、和Ｌ３段的氡浓度可分别按式（１５）、式（１６）和式（１７）计算。２２２ＣＬ１＝Ｃ０ｅ－λ ＬＶ＋ ∫ Ｌ０ｅ－λ Ｌ－ｘ１ＶＪｐｄｘ１Ｑ＝Ｃ０ｅ－λ ＬＶ＋Ｊｐ λ Ｓ１－ｅ－λ （）ＬＶ（１５）ＣＬ２＝Ｃ０ｅ－λ Ｌ１Ｖ＋Ｌ－Ｌ１ｂ－１ｂ（）Ｖ＋ ∫ Ｌ１０ｅ－λ Ｌ１－ｘ１Ｖ＋Ｌ－Ｌ１ｂ－１ｂ（）ＶＪｐｄｘ１Ｑ＋ ∫ ＬＬ１ｅ－λ Ｌ－ｘ２ｂ－１ｂＶＪｐｄｘ２ｂ－１ｂＱ＝Ｃ０ｅ－λ ｂＬ－Ｌ１（ｂ－１）Ｖ＋Ｊｐ λ Ｓ１－ｅ－λ ｂＬ－Ｌ１（ｂ－１）（）Ｖ（１６）ＣＬ３＝Ｃ０ｅ－λ Ｌ１Ｖ＋Ｌ２＋Ｌ３ｋＶｂ＋Ｌ０－Ｌ（）Ｖｂ＋ ∫ Ｌ１０ｅ－λ Ｌ１－ｘ１Ｖ＋Ｌ２＋Ｌ３ｋＶｂ＋Ｌ０－Ｌ（）ＶｂＪｐｄｘ１Ｑ＋ ∫ Ｌ０Ｌｅ－λ ｘ３－ＬＶｂＪｐｄｘ３Ｑｂ＋ＡＱｂｅ－λ Ｌ０－ＬＶｂ＝Ｃ０ｅ－λ Ｌ１Ｖ＋Ｌ２＋Ｌ３ｋＶｂ＋Ｌ０－Ｌ（）Ｖｂ＋Ｊｐ λ Ｓｅ－λ Ｌ２＋Ｌ３ｋＶｂ＋Ｌ０－Ｌ（）Ｖｂ１－ｅ－λ Ｌ１（）Ｖ＋Ｊｐ λ Ｓ１－ｅ－λ Ｌ０－Ｌ（）Ｖｂ＋ＡＱｂｅ－λ Ｌ０－ＬＶｂ（１７）式中ＣＬ１、ＣＬ２、ＣＬ３压抽混合式通风独头巷道Ｌ１、Ｌ２、和Ｌ３段风流中氡的浓度，ｋＢｑ／ｍ３，ｋＢｑ／ｍ３；Ｊ岩壁的氡析出率，ｋＢｑ／（ｍ２ｓ）；Ｌ０独头巷道三个分段长度之和，ｍ；ｋ独头巷道断面积Ｓ与风筒面积Ｓ０的比值；Ａ独头巷道作业面堆积矿石析出的氡量，ｋＢｑ／ｓ。由于氡的衰变常数为２．１１０－６ｓ－１，抽出式风机的吸入风量与压入式风机的压出风量比值ｂ在１．２～１．３之间，独头巷道断面积Ｓ与风筒面积Ｓ０的比值ｋ大于１，且独头巷道长度一般不会超过１ｋｍ，依据金属非金属矿山安全规程规定掘进巷道内风流速度应不小于０．２５ｍ／ｓ，因此， λ Ｌ／Ｖ、 λ Ｌ１／Ｖ、λｂＬ－Ｌ１Ｖ（ｂ－１）、 λ Ｌ０－ＬＶ／ｂ和λ ｂ（Ｌ２＋Ｌ３）ｋＶ都远小于１，所以，式（１５）、式（１６）和式（１７）可分别简化为式（１８）、式（１９）和式（２０）ＣＬ１＝Ｃ０＋ＪｐＬＱ（１８）ＣＬ２＝Ｃ０＋Ｊｐ（ｂＬ－Ｌ１）Ｑ（ｂ－１）（１９）ＣＬ３＝Ｃ０＋ｂＡ＋Ｊｐ（ｂ（Ｌ０－Ｌ）＋Ｌ１）Ｑ（２０）２．３压抽混合式通风独头掘进巷道风流中氡子体α潜能浓度的数学计算模型在风流稳定的情况下，独头掘进巷道内氡子体的来源有４个（１）入风风流带入氡衰变产生的氡子体；（２）巷道壁析出的氡衰变产生的氡子体；（３）入风风流带入氡子体衰变残余的氡子体；（４）作业面堆积矿石析出的氡衰变产生的氡子体。独头巷道风流中氡子体α潜能浓度的为这四种来源作用叠加，Ｌ１、Ｌ２和Ｌ３段风流中氡子体α潜能浓度的计算示意图分别如图３、图４和图５所示。当Ｌ分别处于Ｌ１段、Ｌ２段和Ｌ３段时，Ｌ处氡子体α潜能浓度分别可按式（２１）、式（２２）和式（２３）计算。图３独头巷道壁内Ｌ１段氡子体总α潜能浓度计算示意图Ｆｉｇ．３ＴｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｈｅｐｏｔｅｎｔｉａｌａｌｐｈａｅｎｅｒｇｙｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｒａｄｏｎｄａｕｇｈｔｅｒｓｉｎｔｈｅｓｅｃｔｉｏｎｏｆＬ１３２２图４独头巷道壁内Ｌ２段氡子体总α潜能浓度计算示意图Ｆｉｇ．４ＴｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｈｅｐｏｔｅｎｔｉａｌａｌｐｈａｅｎｅｒｇｙｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｒａｄｏｎｄａｕｇｈｔｅｒｓｉｎｔｈｅｓｅｃｔｉｏｎｏｆＬ２图５独头巷道壁内Ｌ３段氡子体总α 潜能浓度计算示意图Ｆｉｇ．５ＴｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｈｅｐｏｔｅｎｔｉａｌａｌｐｈａｅｎｅｒｇｙｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｒａｄｏｎｄａｕｇｈｔｅｒｓｉｎｔｈｅｓｅｃｔｉｏｎｏｆＬ３ＥＬ１＝Ｅα １＋Ｅα２＋Ｅα３＝β１－ｅ－λ ｅ（）ＬＶＣ０＋ ∫ Ｌ０ β１－ｅ－λ ｅＬ－ｘ１（）ＶＪｐｄｘ１Ｑ＋Ｅα０ｅ－λ ｅＬＶ＝β１－ｅ－λ ｅ（）ＬＶＣ０＋Ｌ－Ｖ λｅ１－ｅ－λ ｅ（）（）ＬＶＪｐ［］Ｑ＋Ｅα０ｅ－λ ｅＬＶ（２１）ＥＬ２＝Ｅα １＋Ｅα２＋Ｅα３＝β１－ｅ－λ ｅＬ１Ｖ＋Ｌ－Ｌ１ｂ－１ｂ（）（）ＶＣ０＋∫ Ｌ１０β１－ｅ－λ ｅＬ１－ｘ１Ｖ＋Ｌ－Ｌ１ｂ－１ｂ（）（）ＶＪｐｄｘ１Ｑ＋ ∫ ＬＬ１ β１－ｅ－λ ｅＬ－ｘ２ｂ－１ｂ（）（）ＶＪｐｄｘ２ｂ－１ｂ熿燀燄燅Ｑ＋Ｅα０ｅ－λ ｅＬ１Ｖ＋Ｌ－Ｌ１ｂ－１ｂ（）Ｖ＝β１－ｅ－λ ｅｂＬ－Ｌ１（ｂ－１）（）ＶＣ０＋ｂＬ－Ｌ１ｂ－１－Ｖ λｅ１－ｅ－λ ｅｂＬ－Ｌ１Ｖ（ｂ－１（）（））Ｊｐ［］Ｑ＋Ｅα０ｅ－λ ｅｂＬ－Ｌ１（ｂ－１）Ｖ（２２）ＥＬ３＝Ｅ α１＋Ｅα２＋Ｅα３＋Ｅα４＝β１－ｅ－λ ｅＬ１Ｖ＋Ｌ２＋Ｌ３ｋＶｂ＋Ｌ０－Ｌ（）（）ＶｂＣ０＋ ∫ Ｌ１０β１－ｅ－λ ｅＬ１－ｘ１Ｖ＋Ｌ２＋Ｌ３ｋＶｂ＋Ｌ０－Ｌ（）（）ＶｂＪｐｄｘ１Ｑ＋ ∫ Ｌ０Ｌβ １－ｅ－λ ｅｘ３－Ｌ（）ＶｂＪｐｄｘ３Ｑ熿燀燄燅ｂ＋Ｅα０ｅ－λ ｅＬ１Ｖ＋Ｌ２＋Ｌ３ｋＶｂ＋Ｌ０－Ｌ（）Ｖｂ＋β１－ｅ－λ ｅＬ０－ＬＶ／（）（）ｂＡＱ／ｂ＝β１－ｅ－λ ｅＬ１Ｖ＋Ｌ２＋Ｌ３ｋＶｂ＋Ｌ０－Ｌ（）（）ＶｂＣ０＋Ｌ１＋ｂ（Ｌ０－Ｌ）＋Ｖ λｅｅ－λ ｅＬ１Ｖ＋Ｌ２＋Ｌ３ｋＶ／ｂ＋Ｌ０－ＬＶ／（）ｂ－ｅ－λ ｅＬ２＋Ｌ３ｋＶ／ｂ＋Ｌ０－ＬＶ／（）ｂ＋１－ｅ－λ ｅｂ（Ｌ０－Ｌ）烄烆烌烎熿燀燄燅ＶＪｐＱ＋Ｅα０ｅ－λ ｅＬ１Ｖ＋Ｌ２＋Ｌ３ｋＶｂ＋Ｌ０－Ｌ（）Ｖｂ＋β１－ｅ－λ ｅＬ０－ＬＶ／（）ｂＡＱ／ｂ（２３）式中Ｅα０独头巷道入风口起始氡子体α潜能浓度， μ Ｊ／ｍ３；Ｅα１入风氡衰变产生的氡子体α潜能４２２浓度， μ Ｊ／ｍ３；Ｅα２巷道壁析出氡衰变产生的氡子体α潜能浓度， μ Ｊ／ｍ３；Ｅα３入风风流带入氡子体氡衰变残余的氡子体α潜能浓度， μ Ｊ／ｍ３；Ｅα４作业面堆积矿石析出的氡衰变产生的氡子体α潜能浓度， μ Ｊ／ｍ３。３计算模型的应用由式（１８）、式（１９）、式（２０）、式（２１）、式（２２）和式（２３）可知，当Ｃ０、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｊ、ｂ、ｋ、Ａ、ｐ、Ｑ以及Ｅ０和Ｓ确定后，就能获得压抽混合式通风作用下整个独头巷道内氡浓度及氡子体α潜能浓度分布。由于铀矿山井下的独头巷道长度、断面形状和尺寸、抽出式风机的吸入风量与压入式风机的压出风量比值以及风筒的直径是可事先确定的，因此，对于一个给定长度的巷道，风流中氡浓度及氡子体α潜能浓度分布情况主要受到通风量Ｑ、岩壁氡析出率Ｊ和掘进面堆积矿堆量的影响。为此，本文假定独头巷道的断面形状为三心拱，巷道各段长度Ｌ１＝２００ｍ、Ｌ２＝２０ｍ、Ｌ３＝３００ｍ，断面积Ｓ＝５ｍ２，抽出式风机的吸入风量与压入式风机的压出风量比值ｂ＝１．２５，风筒直径Ｄ＝４００ｍｍ，通过本文提出的计算模型研究通风量Ｑ和岩壁氡析出率Ｊ对整个巷道内氡浓度和氡子体α潜能浓度的影响。依据排氡规范对作业点入风氡浓度和氡子体α潜能浓度的规定，取Ｃ０＝１ｋＢｑ／ｍ２、Ｅα０＝２μＪ／ｍ３。由于独头巷道作业面堆积矿石量是动态变化的，本文只考虑一次爆破后堆积矿石产生的最大氡量，Ａ按下式计算［１１］。Ａ＝２．５６２１０－６ ρ １ＵＫＰＳｅｌＳ（２４）式中 ρ １铀矿石的密度，ｋｇ／ｍ３；Ｕ铀矿石的铀品位，％；Ｋｐ铀镭平衡系数；Ｓｅ射气系数，％；ｌ独头巷道一次爆破掘进长度，ｍ。式（２４）中各参数的取值如下爆破矿石密度ρ １＝２．７１０３ｋｇ／ｍ３，Ｕ＝０．１％、Ｋｐ＝１，Ｓｅ＝１２．７％和ｌ＝２ｍ。利用式（１６）计算得到Ａ＝０．０８７９ｋＢｑ／ｓ。（１）当Ｑ＝４ｍ３／ｓ，Ｊ分别取０．５Ｂｑ／（ｍ２ｓ）、１Ｂｑ／（ｍ２ｓ）、２Ｂｑ／（ｍ２ｓ）和３Ｂｑ／（ｍ２ｓ）时，压抽混合式通风独头巷道内氡及氡子体的浓度随着Ｌ变化的曲线图分别如图６和图７所示。图６独头巷道内氡浓度随Ｌ和Ｊ的变化曲线Ｆｉｇ．６ＴｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｃｕｒｖｅｏｆｒａｄｏｎｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｗｉｔｈＬａｎｄＪｉｎｔｈｅｂｌｉｎｄｒｏａｄｗａｙ图７独头巷道内氡子体α潜能浓度随Ｌ和Ｊ的变化曲线Ｆｉｇ．７ＴｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｃｕｒｖｅｏｆｔｈｅｐｏｔｅｎｔｉａｌａｌｐｈａｅｎｅｒｇｙｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｒａｄｏｎｄａｕｇｈｔｅｒｓｗｉｔｈＬａｎｄＪｉｎｔｈｅｂｌｉｎｄｒｏａｄｗａｙ由图６和图７可知（１）采用压抽混合式通风的独头巷道，独头巷道入口处氡浓度和氡子体α潜能浓度均最低，在Ｌ１段和Ｌ２段氡浓度和氡子体α潜

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压抽混合式通风独头巷道内氡及氡子体浓度的计算模型及其分布规律研究.pdf

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