14.4. Радиационная обстановка в подземных сооружениях

14.4.1. Радиационная обстановка при разработке радиоактивных руд

Специфической особенностью механизма радиоактивной загрязненности рудничной атмосферы является непрерывное поступление радона ( ) в воздушную струю по мере прохождения ее по горным выра­боткам к рабочим местам и, вследствие распада его, накопление скрытой энергии. Анализ данных по радиационной обстановке в выработках урановых рудников показал, что основными источниками, определяющими характер её формирования являются урановые руды, причем степень их влияния зависит от содержания урана в руде. Соотношение между величинами доз, вызванными внешним и внутренним облучением, зависит от количества воздуха с динамикой относительного увеличения дозы внешнего облучения с 20% до 50-60% при повышении его расхода.

Интенсивность выделения радона в рудничную атмосферу зависит в основном от физических свойств пород и руд и содержания в них радия; скрытая энергия, кроме того, зависит от времени нахождения радона в горных выработках (времени воздухообмена). Даже неэманирующие выработки, если по ним движется воздух, обогащенный радоном, не могут рассматриваться просто как воздуховоды, так как и в этом случае скрытая энергия будет расти.

Это определяет специфику обеспечения радиационной безопасности: необходимо не только свести до минимума поступление радона в руднич­ную атмосферу, но и максимально сократить время нахождения его в горных выработках, в том числе в неэманирующих, т.е. должна учиты­ваться вся вентиляционная сеть в целом.

Все сказанное выше относится также к двум другим изотопам радона: торону - продукту распада тория и актиону - продукту распада актиния. Как и для радона, основная радиационная опасность торона и актинона связана с накопле­нием короткоживущих продуктов их распада ThВ ( ), ThC ( ) и АсВ ( ), АсС ( ). Однако ни торон, ни актинон вследствие малого периода полураспада (54,5 и 3,92 с соответственно) не успевают в значительных количествах выделиться в рудничную атмосферу. Для сравнения: средняя продолжительность жизни атомов радона составляет 5,5 сут. Кроме того, содержание актиноурана ( ) в смеси изотопов природного урана составляет всего 0,71%.

Содержание торона в рудничной атмосфере может быть соизмеримо с содержанием радона только в очень слабо проветриваемых выработках или при содержании тория в руде, превышающем содержание урана. Однако и в этом случае обеспечение радиационной безопасности не пред­ставляет больших затруднений, так как уже при времени воздухообмена в выработке, равном 10 мин, скрытая энергия продуктов распада торона не превысит 0,01 равновесной. Поэтому в дальнейшем основные законо­мерности формирования радиационной обстановки рассматриваются только для радона и короткоживущих продуктов его распада .

Основными источниками выделения радона в рудничную атмосферу являются:

1) массив пород и руд в действующих выработках и выработанных пространствах;

2) разрыхленная горная масса (отбитая и замагазинированная руда, закладочный материал, породы в обрушенном пространстве);

3) рудничные воды.

Количество радона, поступающего из этих источников, зависит от ряда причин, определяемых геолого-геофизическими и горно-техническими условиями разработки. Так, например, поступление радона из массива пород и руд в общем балансе рудника может составлять 20-80%, из разрыхленной горной массы 10–60%, из рудничных вод 0–30%.

При правильной организации горных работ (изоляция выработанных пространств, отсутствие подсосов загрязненного радоном воздуха из зон обрушений и т.д.) основным источником поступления радона в рудничную атмосферу является массив пород и руд, окружающий действующие проветриваемые выработки.

Процесс поступления радона из массива пород состоит из двух после­довательных ступеней: первой ступенью является выделение радона в пустоты породы (поры, трещины) благодаря явлению отдачи при распаде радия, второй – распространение выделившегося в поры радона по законам газовой диффузии или конвекции и зависит от температуры, влажности и давления.

Эманирующая способность минералов и пород зависит от многих фак­торов7, которые можно объединить в две группы: природа образца, его состав, степень сохранности; температура и влаж­ность.

Анализ данных показывает, что определяющими факторами первой группы являются структура и плотность. Чем плотнее образец, тем, как правило, меньше коэффициент эманирования. При этом отмечено, что величина удельной поверхности существенной роли не играет.

Влияние температуры на коэффициент эманирования может быть до­статочно большим, особенно для вторичных урановых минералов. Например, для торбернита при нагревании от 20 до 100° С значение коэффициента эманирования увеличилось в 1,7 раза. По другим источникам, при таком же нагревании некоторых минералов наблюдается уменьшение коэффициента эманирова­ния, объясняемое авторами потерей гигроскопической воды. Общим для всех исследований является увеличение коэффициента эманирования при высоких температурах (около 400°С), что связывается с изменением кристаллической структуры минерала.

Влияние влажности на коэффициент эманирования изучено недостаточ­но. Известно лишь, что незначительное повышение влажности, как правило, увеличивает коэффициент эманирования, а при большой влажности он уменьшается, что связывается с поглощением радона водой. По другим данным, во влажном воздухе эманирование увеличивается в 1,3–1,5 раза, что объясняется образованием жидкой пленки на поверхности эманирующего тела с растворением в ней радия. Эманирование – процесс, для которого большое зна­чение имеет, в каком состоянии находится в образце радий – в кристаллической решетке минерала или адсорбирован поверхностью пустот и трещин породы. В последнем случае коэффициент эманирования может быть достаточно высоким. Характерно, что, несмотря на значительные колебания коэффициентов эманирования для отдельных образцов гор­ных пород и руд (от 0,01 до 100%), средняя величина эманирования является довольно постоянной величиной. Так, для кислых магматических пород средний коэффициент эманирования колеблется от 15 до 30%, а для осадочных и метаморфических пород – от 10 до 25%. Более высокий коэффициент эманирования (более 30%) наблюдается, как правило, в рудных образованиях. Диффузия радона происходит в воздухе и воде, заполняющей поры и трещины пород. Многократные измерения коэффициента диффузии радона показали, что для воздуха он достигает 0,1 см²/с, а для воды - 1 • 10^-5 см²/с. Следует отметить, что из-за близких атомных масс изото­пов радона коэффициенты диффузии их в одних и тем же средах практически одинаковы.

Одним из существенных факторов яв­ляется пористость (включая макро- и микротрещиноватость) среды. В общем случае с увеличением пористости возрастает и коэффициент диффузии, Проникновение радона через скальные, ненарушенные породы происходит медленнее, чем в сыпучих или искусственно измельченных, и, следовательно, характеризуется меньшими значениями коэффициента диффузии.

При увеличении влажности примерно до 6% коэффициент диффузии практически не меняется. Так, для сухого песка коэффициент диффузии составляет 0,065-0,070 см²/с, а для песка влажностью 6% - 0,060-0,065 см²/с. При большем увлажнении коэффициент диффузии резко уменьшается и при влажности 17% равен всего 0,01–0,005 см /с.

Конвекционный перенос радона. Исследования показывают, что рас­пространение радона в природных условиях в большой степени зависит от влияния конвекции, возникающей под действием барометрического давления, разности температур и т.п. На интенсивность конвекционного переноса радона значительное влияние может оказывать движение воздуха над поверхностью пород. Так, например, отмечалось резкое понижение активности почвенного воздуха (до десятикратных значений) после длительного и сильного ветра4.

Проведенные на ряде урановых рудников исследования показывают, что в результате непрерывной работы вентиляторов в окружающих выработку породах могут создаваться условия для конвекционного перемещения радона. Как известно, движение воздуха по выработкам происходит вследствие создания в них разности давления по отношению к атмосферному. В случае всасывающего проветривания выработки рудника находятся под некоторым разрежением, а в случае нагнетательного проветривания - под давлением. И в том и в другом случае абсолютная величина давления в различных выработках и участках выработок не будет одинаковой, и, следовательно, в массиве пород, окружающих выработки, может возникнуть движение порового воздуха в направлении от участков с большим давлением к участкам с меньшим давлением. Осо­бенно это относится к сильно пористым или трещиноватым породам. Так, например, на интенсивность радоновыделения оказывают влияние вариации атмосферного давления. В количественном отношении такое перемещение порового воздуха очень мало по сравнению с дебитом воздушной струи, проходящей по выра­ботке. В то же время при такой скорости конвекционного переноса интенсивность выделения радона будет значительно выше, чем при только диффузионном.