压抽混合式通风独头巷道内氢及子体 浓度的计算模型及其分布规律研究
叶勇军1，王立恒，丁德馨²，周星火，李向阳，钟永明，王淑云
（1.南华大学环境保护与安全工程学院，期南衡阳421001：2.南华大学轴矿冶生物技术国防重点学科实验室，潮南衡阳421001）
要：压抽湿合式通风是长距离独头提进卷道内控制氧及氧子体浓度重要的道风方式，研究该种通风方式下卷道风流中氧及氧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，根据氧与氧子体之间的衰变关系，建立了风说中氧子体a潜能旅度与氧活度浓度之润的简化数学计算模显； 接着，分析了独头卷道受限空间内氧及氧子体的来源，并基于卷道风流的紊流传质理论，建立了压抽湿合式通风方式下风流中氧活度浓度与氧子体a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氧析出率对整个港道内氧浓度和氧子体a潜能浓度分布的影响，同时提出 了独头巷道内降低氧及氧子体致工作人员剂量的防护措施.
关键调：独头巷道：氧及氧子体：压抽混合式通风：计算槟型
中图分类号：TF302文章标志码：A文章编号：0258-0918（2014)02-0219-09
Radon Concentration and Its Progenies Concentration inBlind Study on Calculation Models and Distribution Rules of the RoadwaywithForced-exhaustVentilation
YE Yong-jun' WANG Li-heng' DING De-xin° ZHOU Xing-huo² LI Xiang-yang’ ZHONG Yong-ming’ WANG Shu-yun
(1. School of Emsironmet Protection and Safety Engineering Univerity of South China Hemgrang of Hunan Pros. 421001 Chinas2. Key Discipline Labortory for National Defense for Bioterhnology in Uranium Mining and Hydrometallurgy*University of South China Hengyang of Hunen Prox. 421oo1 China)
Abstract ; The forced-exhaust ventilation is an important way to control the concentration of radonand its progenies in long-distance blind driving roedway. It is of great significance for guiding thedesign of ventilation and radiation protection to study distribution characteristics of the
concentration of radon and its progenies in the wind of roedway adopting the forced-exhaustventilation. Therefore acording to the decay rciationship of radon and its progenies a simplifiedmathematical calculation model was built which relates to the radon activity concentration andthe potential alpha concentration of radon progenies. The paper also analyzed the sources of radonand its progenies in the limited space of the blind rondway. Then based on the turbulence mass transfer theory of ventilation air flow the peper established mathematical caleulation models ofdistribsution characteristics of the radon activity concentration and the potential alpha concentrationof radon progenies in blind rodway with forced-exhaust ventilation respectively. Finally thepaper applied the caleuiation models to a special blind roadway and discussed the infiuence of the ventilation air infiow and the radon exhalation rate of rock wall on the distribution of radonconcentration and the potential alpha concentration of radon progenies in the roedway.Meanwhile some protective mcasurements were put forward to reduce the radistion dose ofworker caused by radon and its progenies in the blind roecway.
Key words: blind roadway; radon and its progenies; forced-exhaust ventilation; calculation model
重威胁着作业人员的身体健康，其中放射性危进行了改进.由于我国铺矿资源较分散，地下害最大的是氧及氧子体的内照射，我国矿工人的个人剂量水平在核工业中是最高的，在世界铺矿山中也是较高的.因此，开展铺矿 井下作业场所排氧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通风方式，目前，我国对采用压抽混合式通风网络风流中氧浓度的动态模拟，2010年， 加拿大的学者CristianF.Gherghel等建立了通风网络中氧及氧子体浓度的计算模型，并提出了矿井通风调整策略，2011年，埃及学者M.M.Ei-Fawal建立了矿井通风网络中风量、风压以及氧与子体浓度的联合解算模型，并实 现了对矿井巷道、作业面的氧及氧子体浓度的预测.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氧及氧子体浓度计算方法的研究，但并未深人开展矿井具体生产究，独头巷道是轴矿井下广泛存在的作业场 作业场所内氧及氧子体浓度分布的规律的研所，也是氧及氧子体产生和聚集的重要地点.
在铀矿的开采过程中，井下除了存在一氧了始矿井下通风风流中氯及氧子体浓度的计算化碳、粉尘等有毒有害物质外，还存在氧及氧子模型，并解决了压人式通风独头巷道内氧及氧体、长寿命.气溶胶等放射性核素，这些因素严子体浓度的预测问题，目前对已提出的模型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人式和抽出式的优点，《铀矿井排氧及通风技术规范》（EJ/T 359-2006）（以下简称《排氧规范3）作了明确规定：当掘进距离大于200m，可考虑压抽混合的风的长距离独头掘进内氯及氯子体浓度的分布规律缺少系统的研究，这类巷道内排氧通风与 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，建立巷道内氧活度浓度及氯子体a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氧设计提供可靠的依据.
1风流中氧子体a潜能积累方程 的数学描述
在铀矿井下独头巷道内存在着氧气，由于氧是放射性气体，随着时间的推移，氧会衰变成一系作为铺矿井下特殊的受限空间，压人式、抽出式列的新核素.由于罐C的半衰期很短，一般认为中得到了广泛的应用，2011年，叶勇军等提出子体的潜能，若在最初时刻通风气流中只有
氧，且初始氧浓度为C，不考虑氧子体的沉降和 附壁效应，则在rs积累时间后，气流中由氧衰变产生的锂A、镭B和镭C的a潜能浓度分别为：
气流中氯子体a潜能浓度E为：
式中：C.一通风气流中初始氧浓度，kBq/m²；、A.、A，和A，一分别为氧、镭A、镭B和镭C的衰变常数，x=2.1×10-s-，-3.79×10-1s =4.31×10s，x=5.86×10s；一气流流动的时间（即氧积累时间），s；E、 E和E一分别为镭A、镭B和镭C的a潜能浓度，/m：E.一氧子体的a潜能浓度，μJ/m'：f.、f.和f.-分别为镭A、镭B和镭C的a潜能换算系数；其中f.=0.579xJ/kBq，f =2.86μJ/kBq，f=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）计算纯氧经过10s、30 s 60 s、120 s 180 s 240 s 300 s 600 s、1 200 s、1 800 s 2 400 s 3 000 s 3 600 s 7 200 s 10 800 s、 12000s和14400s衰变后累积的氧子体a潜能浓度，并对计算结果进行指数非线性回归报合，获得氧子体的a潜能浓度的曲线方程为：
式中：E.-氧子体a潜能浓度，J/m一转换 常数，3-5.3712uJ/kBq；A.一氧子体的等效衰减常数，x =3.305×10s.
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
(1)
C.（2）
(3)
(4)
(5)
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，
浓度为E的氧子体的衰减规律近似为： 从式（5）可知，当没有母体氧时，总α潜能
式中：E.一氧子体的初始a潜能浓度，J/m²，
2压抽混合式通风独头巷道风流 中及子体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氧 析出率的影响
的摩擦作用，将会导致通风气流静压的变化，由 通风气流沿着井巷流动时，由于井卷岩氧的渗流-扩散迁移理论可知，静压的变化将对巷道岩壁的氧析出率造成影响，因此，为了建立压抽泥合式通风独头巷道风流中氧浓度及氧道内的静压变化进行研究. 子体.潜能浓度的数学计算模型，有必要对巷
对于一条巷道，通风阻力由摩擦阻力和局部阻力组成，井卷中通风气流的摩擦阻力的计算公式为[
式中：a-巷道摩擦阻力系数，Ns²/mS-巷道断面面积，m：p一巷道横断面周长，m：Q一风量，Q=SV.m²/sL-独头巷道的长度，m，
卷道横断面的周长可按下式计算：
式中：C一断面形状系数，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，通风道的风流分布分为LL和L三段，并令其起 示意图如图1所示.将压抽混合式通风独头巷点分别为A、B、C.在计算巷道内空气静压时，以独头巷道人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，
(6)
(7)
(8)
图1独头卷道压抽混合式通风示意图Fig. 1 The schemstic of forced-exheustventilation in blind roadway
式中：PA、P、Pc和P一分别为A、B、C和L点处的空气压力，Pa；V、V和V一分别为L、L和L段的风速，mha-L、hg-和h-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、L：段和L段的计算点L相对于独头巷道人口处静压的变化可分别按式（12）、式（13）和式（14）计算.
式中：L一风流流动方向上某点距独头巷道口的距离，m；p-独头巷道中空气的密度，kg/m²；L一风流流动方向上某点距独头巷道口的距离， m；LL、L一分别为巷道中三个分段的长度，mb一抽出式风机的吸人风量与压人式风机的压出风量比值，-般b=1.2~1.3.
积S=5m²，巷道各段长度L，=200m、L= 假定独头巷道的断面形状为三心拱，断面
(9)
(10)
(11)
(12)
(13)
(14)
20m、L=300m，抽出式风机的吸人风量与压人式风机的压出风量比值6=1.25，巷道壁裸无支护，巷道摩擦阻力系数a在0.008~0.012Ns²/m，本文取0.01Ns²/m.当通风风量Q=4m²/s时，独头巷道内各处相对 巷道人口A点的静压如图2所示.
图2独头巷道相对静压分布图Fig 2The distribution of relativestatic pressure in blind roadway
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，巷道内高静此，对于致密岩的平直独头巷道，通风风流 压点和低静压点的静压差不超过2.5Pa，因静压变化对独头巷道岩壁氧析出率的影响很小，为此，本文对通风方式一定的独头揭进论计算. 巷道，采用巷道岩壁的平均氧析出率进行理
2.2压抽混合式通风独头巷道风流中氧浓度 的数学计算模型
由图1可知，混合式通风的巷道，新鲜风流从巷道人口进人，一部分风流经过L：段和L： 段后由抽出风机抽出：另一部分经过L段后被压人风机送往工作面，风流冲刷独头掘进工作面后再由抽出风机抽出，巷道内氧的来源有三个：（1）人风风流带入的氧：（2）独头巷道壁析 出的氧；（3）独头巷道掘进工作面堆积矿石析出的氯.为了建立简化的混合式通风方式下独头巷道风流中氯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）巷道岩壁氧析出率是一个定值：（3）独头 巷道内风流稳定，且不存在漏风现象.根据假设条件，以独头卷道入口为起点，则独头巷道中L、L：、和L段的氧浓度可分别按式（15）、式（16）和式（17）计算.
式中：C、C、C，一压抽混合式通风独头巷道L、L、和L段风流中氧的浓度，kBq/m²， kBq/m²；J-岩壁的氧析出率，kBq/（m²s）；L一独头巷道三个分段长度之和，m；k一独头港道断面积S与风简面积S.的比值；A-独头卷道作业面堆积矿石析出的氧量，kBq/s.
由于的衰变常数为2.1×10s，抽出式风机的吸人风量与压人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S的比值k大于1.且独头巷道长度一般不会超进卷道内风流速度应不小于0.25m/s，因此，L/ 过1km，依据《金属非金属矿山安全规程》规定掘VL/V 6L-LL-L b（LL）V(b-1)V/b 和 kV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）：
(18)
图3独头巷道壁内L段氧子体总a潜能浓度计算示意图Fig. 3 The calculation schematic of the potential slphs energy concentration ofradon dsughters in the section of L
2.3压抽混合式通风独头掘进巷道风流中氧 子体a潜能浓度的数学计算模型
在风流稳定的情况下，独头据进港道内氧子体的来源有4个：（1）入风风流带人氧衰变产生的家子体：（2）卷道壁析出的氧衰变产生 的氧子体：（3）人风风流带人氧子体衰变残余的氧子体；（4）作业面堆积矿石析出的氯衰变产生的氧子体，独头港道风流中氧子体a潜能浓度的为这四种来源作用叠加，L、L和L段 风流中氧子体a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L段、L段和L段时，L处氧子体a潜能浓度分别可按式（21）、式（22）和式（23）计算.
(15)
(16)
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(20)
