铀矿山井底车场巷道内氢及其 子体浓度分布规律研究
洪昌寿，李向阳²，胡鹏华3，李先杰”，叶勇军”，谢东”
2.南华大学环境保护与安全工程学院，湖南衡阳421001： （1.中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙410083：3.核工业北京化工冶金研究院，北京101149）
摘要：基于井底车场风流风路基本为巷道整通风空间的事实，本文开展了车场巷道内氧及其子体浓度分布规律的研究，从分析稳态时氧析出均匀的理想巷道内氧及其子体浓度分布出发，进面引人正票、负票的假定和氧及其子体浓度增长的叠加原理，推导出稳态时氧析出不均匀卷道内氧及其子体浓度分布方程，结合工程实践，对计算式进行了简化、分析和讨论.研究结果表明，限制卷道周整氧的析出、保证稳 定的通风量及较好的人风风质能达到有效控氧的效果.
关键调：铂矿山：井底车场：氧及其子体：浓度分布
中图分类号：X936：X946
Study onRegularity ofRadon andIts Daughters'Concentration Distribution in Uranium MineShaft Station
HONG Chang-shou' LI Xiang-yang* HU Peng-hus? L1 Xian-jie′ YE Yong-jun² XIE Dong
(1. School of Resoures and Safety Engineering Central South University Changsha of Human Prov. 410083 Chine 2. Schoel of Environmental Protetioe snd Safety Engineering University of South China Hengyang of Hunan Prov. 421001. Chins3. Beijing Resrarch Iastitute of Chemical Engineering and Metallurgy CNNC Beijing 101149 Chisa)
the roadway type ventilation space study on the regularity of radon and its daughters' Abstract :Based on the fact that airflow path in the shaft station generally pertained toconcentration distribution in shaft station was carried out. Beginning with analysis ofradon and its daughters’ concentration distribution in the steady state of ideal roadwayradon and its daughters’ concentration were deduced when radon emanation rate of with a homogeneous radon exhalation rate the steady-state distribution equations of
roadway was inhomogeneous on the assumption of positive/negative source and superposition principle of radon and its daughters’ concentration growth. Associatedwith engineering practice simplification analysis and discussion on relevantmathematic equations were launched. The study results indicated that minimizing theradon exhalation of rock face and ensuring a stable wind quantity with better intake air quality could effectively achieve the aim to radon control.
Key werds: uranium mine; shaft station; radon and its daughters; concentrationdistribution
巷运输的枢纽，更是经由井筒流人的新鲜风向模型，研究其变化规律，为车场巷道通风降氧设各需风段供风的主要人风通道，井底车场风质计提供科学依据，的好坏将直接关系到相应开采水平工作面作业环境质量的好坏，从而影响井下作业人员的工 作效率、生产安全与人身健康.因此，核工业行业标准《铀矿井排氧及通风技术规范》（EJ/T359一2006）就矿井人风流风质提出了明确要求.
我国多数在役轴矿山井底车场风质基本满足国家允许的标准，但仍有部分矿山井底车场氯及其子体浓度高于甚至远远超过标准要求.笔者通过对A、B、C三座矿山部分生产中段进行现场实测发现，60%以上的实测中段井底 车场末端风流氧浓度超过200Bq/m'，且较马头门人风风流氧浓度增长了11.4%～121.0%.另外，考虑到当岩壁氧析出进入矿井及人风风流带人氧后，由于氧子体半衰期很短，因面氧子 体a潜能浓度的增长比氧浓度的增长更快”.
基于上述认识，井底车场作为矿井通风系统人风的重要通道，其风流污染问题应引起足够重视，通常，轴矿山井底车场循环往复的列车到达流与卸载流必然使车场存有数量随机动 态变化、排队等待提升的重车，其所载松散袖矿石由于比表面积的大幅增加，氯的析出较岩矿体面言更加容易，这将对车场风质造成不可忽间，其氧的析出源除重车所装载的松散铀矿 视的影响0.井底车场可视为巷道型通风空石外，还有岩矿体暴露表面、底板上未及时清理的酸碎矿石（矿渣）、矿坑水以及马头门入风风流.但截至目前，国内外尚未有学者单就对轴深人探究.本文以典型铀矿山井底车场为研究重车所载松散轴矿石连续、均匀地析出氧.
袖矿山井底车场不仅是连接井简提升与大对象，建立巷道内氧及其子体浓度分布的计算
1相关认识和必要假设
轴矿山井底车场是联结井筒和主要运输大线、调车线、绕道、信号羽室、变电利室、水泵房、是人风重要通道，并且承担着重列车运输、存敢 水仓等，其中重车线介于井筒与石门连接处，的任务，而重列车所载松散轴矿石氧的析出将对车场风质造成不可忽视的影响，因此，基于辐射防护最优化的原则和要求，本文论述的井底车场巷道即为对车场风质会产生显著影响的 重车线巷道，为讨论方便，文中仍以井底车场巷道代为表述该段巷道，通常，受车场巷道各处参数的不均匀性、人出风形式、人风参数、氧的析出源强度及其位置的影响，巷道内实际气流井底车场通风稳定状态下氯及其子体浓度分布 分布形式异常复杂，为便于间题的讨论，以建立的理想计算模型，面作如下假设：
（1）井底车场为立井环形式，巷道为平直的理想三心拱断面单轨布置，且各处断面积 相同.
（2）人风风流为稳定流，人风参数（位置、风质和风量）保持不变，风流沿着一维的巷道连续地流动.
（3）井底车场巷道内风流属于完全紊流状态，人风流从井底车场前端流人，出风流从井底车场末端排出，且风流在巷道中均匀流动.
（4）忽略井底车场巷道内人员活动和机械矿山井底车场氧及其子体浓度分布规律进行过扰动对风流的影响，认为通风空间暴露表面和
失.井底车场巷道内温湿场分布均匀，且温度 （5）忽略风流中氧子体的沉降和附壁损和湿度对氧析出的影响不作考虑.
依据文献[6]，对于铺矿山井底车场巷道（如图1），其风流沿途x.处的某一断面，可将 其视为体积元dV→0的极限情形，在风流达到稳定状态之前，氧及其子体通过风流的亲流扩散作用稀释和排放，dV内氯及其子体浓度是随
停放的井底车场巷道视为氧析出均匀的巷道， 此外，在给定假设条件的基础上，将无重车而有若干数目重车停放的井底车场巷道则视为氧析出不均匀的巷道，且将其视作由若干段氧析出均匀的巷道申联而成的一条风路.简言之，将井底车场巷道分为氧析出均匀和氧析出 不均匀两种情况进行讨论.
2氧析出均匀的井底车场巷道内 氧及其子体浓度分布
氯析出均匀的井底车场巷道即为无重车停
巷道内的氧析出密度为.，则
图1井底车场巷道示意图Fig. 1 Schematic of shaft station roadway （a）通风稳定状志前：（b）通风稳定秋志后
图2氧析出均匀的卷道内氧及其子体浓度变化计算示意图Fig. 2 Calculation of roadway with a homogeneous radon emanation rate
通风时间：变化的函数，即该断面处氧及其子 体浓度分别记作C（x，t）、E （xo，r）；当通风时间：足够长，风流达到稳定状态，dV内氯及其子体浓度的变化不再随通风时间：变化，而仅与位置x.相关，即该断面处氧及其子体浓 度分别记作C（x）、E，（x.），本文考虑的是通风稳定状态下巷道内氯及其子体浓度的分布规律.
粗糙管内的流动，即风流为亲流状态，氧不能与 故的情形，卷道内受限风流的流动如同流体在通风空间内全部气流均匀混合，但在风流沿程的任一断面上，风流与该处产生的氧能完全混合均匀，相邻体积元沿风流方向逐步置换.
积为S，m²横断面周长为P，m.氧析出均匀 若已知井底车场巷道长为L，m；横断面面分布，沿巷道风流方向建立与坐标方向一致的一维计算坐标系，风流中氧及其子体浓度变化的计算如图2所示.
式中：J为巷道周壁氧析出率，Bq/（m²s）；S为巷道周整面积，m；其他符号意义同前.
2.1浓度分布方程的建立和求解
式中：aA= xC.- ax-a ；C为人风风流中RaA浓度，Bq/m².
考虑巷道中的某一体积元dV中氧活度的变化，其中体积元的体积为dV-Sdr，m'.若通风量为Q，m²/s:人风风流中氯浓度为C.，Bq/m；则风流速度即为v=Q/S，m²/s；时间微元dr=（S/Q）dr，s.在稳定、连续的通风 量Q下巷道内氧浓度是距离x的连续函数，记为C（z），Bq/m².据给定假设条件，可知井底车场巷道内氧的析出源包括：马头门人风风流变、连续性方程和素流传质理论，建立车场 带人的氯及巷道周整析出的氧.依据放射性衰巷道内沿风流方向氯浓度分布的基本方程：
同理可得，RaB浓度分布方程为：
(8)
式中：a aA AAbAAs-A As-AA C=C-abs" C为人风风流中RaB浓度，Bq/m².
RaC浓度分布方程为：
(2)
(9)
dx=dC（x），另将dr=（S/Q）dx代人，则式 因函数C（x）连续且可导，知C'（x）（2）可化作：
式中：ac gag bn AcBac-A bc” c-A Cc" ac-dc=Ca-ac-bc-cc- arRaC浓度，Bq/m².
(3)
取边界条件：x=0处，C（0）=C.，Bq/m²，解式 （3）微分方程可得：
从辐射防护角度定义的氧子体仅指氧的短寿命子体，即铀系中的Po、²Pb、Bi和" Po.氧及其子体的有关特性参数列于表1.
(4)
式中：Y（x)-Cexp-），表示仅由入风风质决定的氧浓度分布：Z（x)-[1-exp（-示仅由巷道周壁氧析出决定的氧浓度分布.
表1家及其子体的放射性特征Table 1 Radioactive characteristics ofraden and its daughters
被素名称 养号 半期7 变常数 衰变射线能量Rn 1. 825 4 2.1×10-4 a/s-1 美型E/MeV 5.49RaA Po 3. 06 min 3.79×10-1 6 09RaB 16.8 nsin 4.31X10* 0. 78*子 体 RC 19.7 min 5.86×10- 3.17*RaC' Po1.64X10-s4.23×10 7.68
2.2氧子体α潜能浓度分布方程的建立和 求解
井底车场巷道内氧子体的来源有：马头门入风风流带人的氯子体：马头门人风风流带人的氯衰变产生氧子体：巷道周壁析出的氯寰变产生氧子体.依据放射性衰变、连续性方程和 素流传质理论，首先建立车场巷道内沿风流方向RaA浓度分布的基本方程：
能景值. 注：衰变释放的射线需量是连续的，表中所给为最大
(5)
考虑到氧子体中的RaC'的半衰期只有1.64×10-s 其寿命仅2.37×10s.因面，巷道风流中RaC的活度与RaC相同，但对于单独存在的RaC，原子数目极少，故而在实际应用中，RaC的a潜能不于考虑.那么，氧 子体a潜能浓度即为：
简化之，得：
(6)
联立式（4）和式（6），解微分方程，可得：
(7)
E （x）=2.1888×10-C（x)/A1.2288×
由式（10）可知，人风风流中氧子体a潜能浓度为
面对于人风风流，引人表征氧及其子体平衡状态的平衡因子F（，则：
联立式（11）、式（12），可得：
通常，在不失一般性的基础上，可以假定0. 104 0C=0. 513 2Cg=0. 377 4C=FC/3 铺矿山F取值0.33，据此，联立式（7）～式（10），可得：
式中：Y （x）-E.1. 192 9× 10-exp6.640 0exp（-）-4.3138exp（-）]，表示仅由人风决定的氧子体a潜能浓度分布；2.（r）=g
的氧析出密度记为.，由重列车所载松散矿 对于停车段，由巷道周壁氧的析出所决定石氧的析出所决定的氯析出密度记为d，则： -JS-J(PnLo)
(O1)
(11)
(12)
(13)
E（x）=Y （x）Z （x），μJ/m²（14)
图3氧析出不均匀的巷道内氯及其子体浓度变化计算示意图Fig. 3 Calculation of roadway with an inhomogemeous radon exhalstion rate
(15)
10.4143exp -3.396 4 × 10exp0.1114exp 4.237 6×10-²exp（-）10.3458]，表示仅由道周壁析出的氧衰变决定的氧子体a潜能浓度分布.
3 氧析出不均匀的井底车场巷道 内氧及其子体浓度分布
通常，在矿井正常生产期间，井底车场停存有若干数量的重车，此时便将井底车场港道视为均匀巷道.另外，因重列车本身占有一定的空 由三段氧析出均匀的巷道串联而成的氧析出不间，使井底车场巷道通风空间体积减小，为便于计算，将其等效为断面与原卷道相同的一段巷道.
若已知井底车场排队等待提升的重车数目（以下简述为重车数目）为#台：矿车特征长度 为L，m；矿车横断面面积为S，m²；停车段等效长度L，且L.=（1-S./S）nL，m；则井底车场巷道等效长度为L'，且L'=L-（S./S）nL.，m.另外，假设井底车场前端至重列车前 端距离为L，m.氧析出均匀分布，风流中氯浓度变化的计算如图3所示.
式中：V为停车段实际通风空间体积，m：J.为矿堆氧析出率，Bq/（m²s）;S.为矿车散口 面积，m；其他符号意义同前.那么，停车段等效氧析出密度a，为：
(16)
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