李先杰，張 哲，胡鵬華

(1.核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149；2.核工業(yè)湖南礦冶局，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

中國自1958年開始建設(shè)鈾礦山至今已有60多年，鈾礦通風(fēng)降氡技術(shù)研究也持續(xù)了約60年。中國通風(fēng)降氡技術(shù)經(jīng)歷了從學(xué)習(xí)前蘇聯(lián)的壓入式通風(fēng)降氡方式到抽出式通風(fēng)降氡方式的自主研發(fā)和應(yīng)用，從全巷動(dòng)態(tài)法礦井氡析出測(cè)量到氡滲流-擴(kuò)散析出理論的提出，從單一中段開采的簡(jiǎn)單通風(fēng)降氡網(wǎng)絡(luò)到多中段同時(shí)開采的復(fù)雜通風(fēng)降氡網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，從充填法與留礦法開采到無軌開采與原地爆破浸出開采的氡析出控制等研究階段。中國鈾礦通風(fēng)降氡技術(shù)研究可以說是從零開始，支撐了鈾礦山的建設(shè)與發(fā)展。

在鈾礦井通風(fēng)降氡技術(shù)和管理能力不斷提高、井下采掘作業(yè)面氡濃度持續(xù)下降、作業(yè)輻射環(huán)境得到明顯改善[1]的情況下，重提鈾礦通風(fēng)降氡技術(shù)研究，是為了提高中國鈾礦通風(fēng)降氡技術(shù)研究的系統(tǒng)性和有效性。

1 中國鈾礦通風(fēng)降氡技術(shù)研究現(xiàn)狀

中國鈾礦通風(fēng)降氡走過了60多年的發(fā)展歷程，做了許多開創(chuàng)性的工作，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，鈾礦通風(fēng)防護(hù)取得了明顯的進(jìn)步，同時(shí)也為今后鈾礦通風(fēng)降氡理論取得突破性進(jìn)展做了具體準(zhǔn)備。

1.1 通風(fēng)降氡技術(shù)研究成果

中國鈾礦通風(fēng)降氡技術(shù)研究始于20世紀(jì)60年代初，前蘇聯(lián)專家撤走之后，鈾礦通風(fēng)降氡面臨“壓入式通風(fēng)漏風(fēng)嚴(yán)重和礦井氡析出測(cè)量值變化巨大”2個(gè)重大問題。1966年，為了解決壓入式通風(fēng)漏風(fēng)嚴(yán)重的問題，核工業(yè)第三研究設(shè)計(jì)院開展了抽出式通風(fēng)方式研究[2]。20世紀(jì)60年代開始，中國鈾礦通風(fēng)設(shè)計(jì)大規(guī)模采用抽出式通風(fēng)方式，雖然解決了漏風(fēng)問題；但鈾礦通風(fēng)降氡并未得到明顯的改善，特別是隨著礦井向深部延伸，生產(chǎn)中段增多，抽出式通風(fēng)帶來入風(fēng)氡污染嚴(yán)重等諸多問題。

為了解釋礦井氡析出測(cè)量值變化巨大的問題，20世紀(jì)60—80年代，第六研究所對(duì)鈾礦井氡析出率測(cè)量和氡析出機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)研究[3-5]，提出了氡滲流-擴(kuò)散析出原理。

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著國內(nèi)鈾礦開采業(yè)的復(fù)興和對(duì)鈾礦山通風(fēng)降氡和輻射防護(hù)的重視，國內(nèi)學(xué)者又開始了對(duì)鈾礦山通風(fēng)降氡和輻射防護(hù)的研究。周星火等提出了鈾礦山氡滲流預(yù)測(cè)和控制的方法[6]。李先杰探討了原地爆破浸出采場(chǎng)氡析出總量的規(guī)律和其特殊性[7]。鄧文輝提出了無軌開采氡串聯(lián)污染控制方法[8]。李先杰等提出了鈾礦井通風(fēng)方式的判別方法[9]。盡管針對(duì)遇到的問題開展了相關(guān)研究，鈾礦工平均個(gè)人劑量也從2004年的12.26 mSv/a降至2015年的6.83 mSv/a；但2015年中國鈾礦井下空氣中的平均氡活度濃度及氡子體α潛能濃度為3.7 kBq/m3和6.9 μJ/m3，依然處于較高水平，與發(fā)達(dá)國家鈾礦山平均氡活度濃度小于400 Bq/m3存在較大差距。

1.2 通風(fēng)降氡理論突破具備的基礎(chǔ)

1.2.1 思想準(zhǔn)備

對(duì)巖石氡析出的“滲流-擴(kuò)散”解釋已經(jīng)為礦井通風(fēng)降氡技術(shù)人員基本接受。在解決礦井通風(fēng)降氡問題的過程中，不僅注重風(fēng)量稀釋排出作用，也注重風(fēng)壓對(duì)巖石氡析出的抑制-促進(jìn)作用。

1.2.2 組織準(zhǔn)備

設(shè)置了專業(yè)的通風(fēng)降氡研究機(jī)構(gòu)——中國鈾業(yè)有限公司鈾礦井通風(fēng)防護(hù)技術(shù)支持中心，南華大學(xué)等高等院校也成為研究的主力，人力資源相當(dāng)雄厚，特別是核物理、水文地質(zhì)、放射性物理勘探等專業(yè)的加入，改變了采礦專業(yè)單打獨(dú)斗的局面。

1.2.3 技術(shù)準(zhǔn)備

先進(jìn)的快速氡活度濃度和氡子體α潛能測(cè)量設(shè)備，以及氡析出研究實(shí)驗(yàn)室、氡析出模型的建立為鈾礦通風(fēng)降氡技術(shù)研究做了技術(shù)準(zhǔn)備。一些鈾礦通風(fēng)降氡技術(shù)專著可為后續(xù)發(fā)展提供指導(dǎo)。

2 鈾礦通風(fēng)降氡技術(shù)研究面臨的問題

目前中國鈾礦通風(fēng)降氡設(shè)計(jì)還沒有建立完整的技術(shù)和理論系統(tǒng)。中國鈾礦噸金屬通風(fēng)量與世界鈾礦山相比基本相當(dāng)，平均為0.46～1.13 m3/(s·t)；但井下氡活度濃度及氡子體α潛能濃度比澳大利亞和俄羅斯高3～5倍[10]。這就是說，中國鈾礦通風(fēng)降氡的投入產(chǎn)出比只有國外鈾礦的20%～30%。

中國鈾礦通風(fēng)降氡技術(shù)研究基本是“頭疼醫(yī)頭腳疼醫(yī)腳”，面臨的問題主要有：1)對(duì)井下氡的釋放規(guī)律和氡濃度分布變化規(guī)律認(rèn)識(shí)不足，導(dǎo)致氡的源項(xiàng)分析不準(zhǔn)確；2)已有的鈾礦通風(fēng)降氡技術(shù)研究“碎片化”，未形成以氡滲流-擴(kuò)散理論為基礎(chǔ)的系統(tǒng)性思維；3)理論與實(shí)際結(jié)合不緊密，未根據(jù)鈾礦生產(chǎn)的實(shí)際變化對(duì)理論進(jìn)行補(bǔ)充和深化。

中國鈾礦通風(fēng)降氡技術(shù)研究已經(jīng)發(fā)展到了應(yīng)該有1個(gè)全面發(fā)展計(jì)劃的階段。全面分析中國鈾礦通風(fēng)降氡的發(fā)展過程，其重要意義是明確當(dāng)前存在的和預(yù)計(jì)將要出現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)問題，以便建立全面的鈾礦通風(fēng)降氡技術(shù)發(fā)展計(jì)劃，合理分配資源，提高研究效率，迅速增強(qiáng)中國鈾礦通風(fēng)降氡的主動(dòng)性[11]。

3 通風(fēng)降氡技術(shù)研究方向

3.1 系統(tǒng)認(rèn)識(shí)井下大氣氡濃度變化規(guī)律

中國早期鈾礦通風(fēng)降氡設(shè)計(jì)理念源于前蘇聯(lián)，并針對(duì)一些具體問題對(duì)前蘇聯(lián)的設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。研究表明鈾礦通風(fēng)可以采用抽出式通風(fēng)方式，并通過實(shí)測(cè)確定了單位當(dāng)量氡析出率等。

中國鈾礦開發(fā)技術(shù)進(jìn)步較快，但鈾礦通風(fēng)降氡相對(duì)落后，這主要是由于對(duì)礦井中氡運(yùn)移規(guī)律缺乏足夠的認(rèn)識(shí)。在“711礦東礦帶壓入改抽出的試驗(yàn)總結(jié)”中，出現(xiàn)了在氡析出量分析中缺乏對(duì)地下水氡析出量分析的漏項(xiàng)。中國鈾礦通風(fēng)堅(jiān)持使用抽出式通風(fēng)方式，但對(duì)抽出式通風(fēng)方式使用條件的研究不足，沒有研究礦井發(fā)展過程中通風(fēng)條件的變化規(guī)律和通風(fēng)方式的變化情況。這就使得鈾礦通風(fēng)降氡技術(shù)規(guī)范的內(nèi)涵缺乏厚度，給鈾礦通風(fēng)降氡管理帶來一些困難。

云錫公司老廠七區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)改造運(yùn)用氡析出的滲流-擴(kuò)散理論分析了抽出式通風(fēng)造成礦井氡濃度不降反升的現(xiàn)象，將通風(fēng)系統(tǒng)改造為壓抽聯(lián)合式通風(fēng)方式，取得了降低氡濃度和降低通風(fēng)成本的研究成果[12]。壓抽聯(lián)合式通風(fēng)方式在云際礦井也取得較好效果。

3.2 開展系統(tǒng)專業(yè)的研究

中國鈾礦通風(fēng)降氡技術(shù)研究一直與改善礦井通風(fēng)狀況相結(jié)合，研究報(bào)告和發(fā)表的論文多是對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的描述。1982年以后，國內(nèi)才開始運(yùn)用氡析出的“滲流-擴(kuò)散”理論解釋鈾礦通風(fēng)降氡中的某些現(xiàn)象。由于理論研究較薄弱和分散，以及理論研究和實(shí)踐的結(jié)合不緊密；理論研究成果不能得到實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，更沒有機(jī)會(huì)指導(dǎo)實(shí)踐，以至于對(duì)實(shí)驗(yàn)成果的認(rèn)識(shí)不深刻，甚至出現(xiàn)片面性。直到現(xiàn)在，鈾礦通風(fēng)降氡的合理通風(fēng)方式仍是熱門的討論話題。

中國鈾礦通風(fēng)降氡的另一重要問題是對(duì)礦井氡析出量的基本參數(shù)缺乏系統(tǒng)的實(shí)測(cè)資料。按照《鈾礦井排氡及通風(fēng)技術(shù)規(guī)范》(EJ/T 359—2016)，使用全巷動(dòng)態(tài)法測(cè)量同一座礦井的當(dāng)量氡析出率，測(cè)量結(jié)果的最大值與最小值相差達(dá)4～5倍。這樣的實(shí)測(cè)結(jié)果給使用單位造成極大困難。中國鈾礦通風(fēng)降氡設(shè)計(jì)只是為通風(fēng)防護(hù)提供了1個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，具體的防護(hù)效果很大程度上取決于礦山經(jīng)營(yíng)者的具體操作。

南華大學(xué)對(duì)巖石模型進(jìn)行的氡析出實(shí)驗(yàn)室研究[13-14]和對(duì)礦井氡析出量變化的實(shí)驗(yàn)觀察[15]是系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)工作。云錫老廠七區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)改造經(jīng)驗(yàn)表明，在礦井通風(fēng)降氡理論的指導(dǎo)下，鈾礦通風(fēng)降氡的可靠性和經(jīng)濟(jì)性會(huì)有大幅提升。

3.3 采用理論聯(lián)系實(shí)際的研究方式

礦井通風(fēng)降氡基本方程是礦井通風(fēng)降氡物理過程的反映，是分析通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)量變化和風(fēng)壓分布規(guī)律的基本依據(jù)，是設(shè)計(jì)通風(fēng)降氡措施的理論基礎(chǔ)?，F(xiàn)有的礦井通風(fēng)降氡基本方程，是根據(jù)老廠七區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)改造經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合礦井氡析出規(guī)律和實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果建立的假設(shè)模型。礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)由入風(fēng)段、用風(fēng)段和回風(fēng)段順序連接組成。入風(fēng)段和回風(fēng)段巖體滲流方向由井下與地面之間巖層中的通風(fēng)壓力梯度控制，用風(fēng)段巖體內(nèi)的滲流方向由入風(fēng)道與回風(fēng)道之間的壓力梯度控制。入風(fēng)段和用風(fēng)段之間的空氣動(dòng)力聯(lián)系構(gòu)成了礦井通風(fēng)降氡基本方程。入風(fēng)段和用風(fēng)段的氡析出規(guī)律則隱藏在方程的背后。

現(xiàn)有的通風(fēng)降氡基本方程可以作為開展“鈾礦通風(fēng)降氡理論和技術(shù)體系研究”的起手式。根據(jù)礦井的巖石條件、水文地質(zhì)條件、礦山發(fā)展過程，建立與礦井通風(fēng)降氡相匹配的試驗(yàn)方法和解釋方法，強(qiáng)化礦井通風(fēng)降氡的獨(dú)立學(xué)術(shù)地位，在強(qiáng)化通風(fēng)降氡可靠性的同時(shí)降低通風(fēng)成本，是提高礦山經(jīng)濟(jì)效益的方向之一。

鈾礦通風(fēng)降氡理論研究的合適場(chǎng)所是現(xiàn)場(chǎng)。在采場(chǎng)氡析出量計(jì)算中，對(duì)采礦作業(yè)平臺(tái)松散體的氡析出量計(jì)算過程包含的不確定因素最多。松散體的氡析出份額變化大，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較少。松散體的氡析出份額及滲流速度，灑水防塵對(duì)減少松散體氡析出量的效果，以及巖礦體濕度的變化及其對(duì)巖礦體滲透率和擴(kuò)散系數(shù)的影響等，都是具體規(guī)劃礦井通風(fēng)防護(hù)的必要參數(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量、模型模擬之間的差別也是鈾礦通風(fēng)研究的薄弱環(huán)節(jié)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整進(jìn)行通風(fēng)降氡的研究，是發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的途徑。

4 結(jié)語

中國鈾礦通風(fēng)降氡研究取得一定成果，已建立了礦井通風(fēng)降氡基本方程。采取理論聯(lián)系實(shí)際的方法，開展系統(tǒng)專業(yè)的研究，依靠現(xiàn)有的研究力量完全有能力豐富和完善中國鈾礦通風(fēng)降氡理論和技術(shù)體系。