一种控制地下铀矿山采场爆破铀矿堆氡渗流的系统及方法与流程

本发明属于地下铀矿山采场爆破铀矿堆氡渗流控制技术领域，特别涉及一种控制地下铀矿山采场爆破铀矿堆氡渗流的系统及方法。

背景技术

在铀矿开采中，矿井空气中的氡及氡子体是铀矿职工职业照射的的主要源项，由于矿石堆存在氡及氡子体的扩散和迁移，其已成为铀矿井空气中氡及氡子体的主要来源。对于使用留矿采矿法的铀矿山，每次落矿后通过底部放矿漏斗口放出约1/3的崩落矿量，从而造成矿房内暂存的矿石较多，矿石的暴露面积较大。工人的作业时间大部分都是在矿堆上，由于矿石堆的渗透性较好，矿石的暴露面积较大，堆放的时间较长，在单位时间内析出的氡气比目前铀矿山应用的其他采矿方法都多，从而使工人的健康受到极大的危害。

为了使铀矿井下采场等作业场所的通风质量达到国家标准，现行的铀矿通风设计方法主要采用加大通风风量或采用传统局部风机强制抽排矿堆产生氡的方法，未考虑采场矿堆堆存量和堆内气体渗流对氡析出量的影响，也未能考虑矿堆堆存高度的变化对采场通风量和通风阻力的影响。现行的这种加大通风风量或强制抽排矿堆产生氡的方法不仅增大了通风风量，而且也增大了整个采场向外的排氡量，不能满足节能减排的要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种控制地下铀矿山采场爆破铀矿堆氡渗流的局部机械通风系统及方法，采用变频风机作为通风动力，控制矿堆内的氡渗流，最小化矿堆的渗流氡析出量，进而减少采场的通风量；并使变频风机输出风量和工作效率达到合理需求，节约能源，有利于降低采场矿堆的氡析出量、矿井的通风成本以及整个铀矿井向外环境的氡释放量，同时对于传统局部机械通风方式来说更加灵活，适应范围更加广泛。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种控制地下铀矿山采场爆破铀矿堆氡渗流的系统，其特点是包括终端调控器、第一温压传感器、第二温压传感器、变频风机、风筒、气压差调控风门、流量计，其中风筒包括相连的柔性风筒和刚性风筒，第一温压传感器、第二温压传感器和流量计的输出端均与终端调控器电连接，变频风机、气压差调控风门的输入端均与终端调控器电连接；风筒设于回风巷内；沿脉运输巷远离风筒的一端设有挡板封口；

变频风机出口与风筒下端相连，气压差调控风门设于刚性风筒下段，流量计设于刚性风筒上段，第一温压传感器设于回采空间内且与风筒出口相对，第二温压传感器设于沿脉运输巷内，且第二温压传感器与第一温压传感器在同一垂直直线上；

或者，

变频风机出口与风筒上端相连，气压差调控风门设于刚性风筒上段，流量计设于刚性风筒下段，第一温压传感器设于回采空间内且与变频风机入口相对，第二温压传感器设于沿脉运输巷内，且第二温压传感器与第一温压传感器在同一垂直直线上。

终端调控器具有三监测两调控的功能，其中第一温压传感器、第二温压传感器、流量计(监测变频风机的风量)所测得的数据通过传感原件可在终端调控器显示，终端调控器通过传感原件可调节变频风机的频率、调节气压差调控风门的开合度。本发明通过变频风机和气压差调控风门控制采场通风量和铀矿堆上下表面的气体压差，最小化矿堆产生的氡通过渗流向采场作业空间的析出量，使矿堆内的气体渗流速度接近为零，降低整个矿井向外界环境空气的氡释放量，灵活方便，风机运行效率高，适用范围更加广泛，提高了采场通风的稳定性和可靠性。

进一步地，气压差调控风门设于刚性风筒下段，且以气压差调控风门安装位置为分界点的刚性风筒上下长度之比为5：1；流量计设于刚性风筒上段，且以流量计安装位置为分界点的刚性风筒上下长度之比为1：5；

或者，气压差调控风门设于刚性风筒上段，且以气压差调控风门安装位置为分界点的刚性风筒上下长度之比为1：5；流量计设于刚性风筒下段，且以流量计安装位置为分界点的刚性风筒上下长度之比为5：1。

作为一种优选方式，第一温压传感器设于回采空间内且与风筒出口相对，第一温压传感器距离风筒出口6m；

或者，第一温压传感器设于回采空间内且与变频风机入口相对，第一温压传感器距离变频风机入口6m。

第一温压传感器位于回采空间的气流稳定位置。

作为一种优选方式，所述采场为留矿法采场。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种利用所述控制地下铀矿山采场爆破铀矿堆氡渗流的系统进行控制的方法，包括以下步骤：

步骤一，将气压差调控风门打开至与水平面成45°角；

步骤二，求第一温压传感器与第二温压传感器之间的垂直高度δh；

步骤三，终端调控器控制变频风机打开；同时第一温压传感器、第二温压传感器将检测结果传送至终端调控器，得到第一温压传感器检测到的气压为pa、检测到的气体温度为ta，第二温压传感器检测到的气压为pb、检测到的气体温度为tb；

步骤四，求平均温度t＝(ta+tb)/2，获得温度为t的饱和湿空气密度ρa；

步骤五，终端调控器控制变频风机由低档向高档调节，第一温压传感器、第二温压传感器将测得的空气静压数值反馈给终端调控器，终端调控器通过调节变频风机的工作频率以使得pb-pa＝ρagδh，其中，g为重力加速度；

步骤六，回采空间作业完毕后，撤出回采空间中的作业人员，关闭变频风机并开始放矿作业；带放矿作业结束后，加长风筒至采场，同时相应调整第一温压传感器的位置；重复步骤一～步骤五，重新开始回采空间的作业。

进一步地，步骤五中，当终端调控器通过调节变频风机的工作频率以使得pb-pa＝ρagδh时，变频风机的转速为n0，流量计监测到此时变频风机的运行风量为q0；判断采场所需风量与q0之间的大小关系，

若采场所需风量为q0，则气压差调控风门的开合度维持原状；

若采场所需风量为q2，且q2＞q0：根据变频风机转速为n0对应的风机特性曲线和变频风机运行风量q0，确定变频风机实际运行的工况点a(q0，p0)，依据p＝k·q²得到风筒阻力系数k0及对应的局部风筒特性曲线；在风机特性曲线图上找出运行工况为(q2，p0)对应的变频风机转速n2，依据p＝k·q²得到风筒阻力系数k2及对应的局部风筒特性曲线；比较k0与k2之间的大小关系，终端调控器缓慢调节气压差调控风门的开合度，同时通过流量计监测到变频风机的运行风量，直到变频风机的运行风量为q2；此时停止对气压差调控风门的调节，变频风机运行工况点b(q2，p0)，a点和b点之间的静压差满足铀矿堆内无氡渗流要求，风量也满足采场设计或需风量要求。

若采场所需风量为q1，且q1＜q0：根据变频风机转速为n0对应的风机特性曲线和变频风机运行风量q0，确定变频风机实际运行的工况点a(q0，p0)，依据p＝k·q²得到风筒阻力系数k0及对应的局部风筒特性曲线；在风机特性曲线图上找出运行工况为(q1，p0)对应的变频风机转速n1，依据p＝k·q²得到风筒阻力系数k1及对应的局部风筒特性曲线；比较k0与k1之间的大小关系，终端调控器调节气压差调控风门的开合度，同时通过流量计监测到变频风机的运行风量，直到变频风机的运行风量为q1；此时停止对气压差调控风门的调节，变频风机运行工况点c(q1，p0)，a点和b点之间的静压差满足铀矿堆内无氡渗流要求，风量也满足采场设计或需风量要求。

进一步地，在通风前得知矿石密度、矿石铀品位u、铀镭平衡系数kp、矿岩射气系数se、爆破矿堆内氡的扩散长度hk、矿堆表面积s、通风空气入风带入氡量mr、原岩暴露面析出的氡量my、采场入风氡浓度c0；

计算单位体积崩落矿堆产生可运移氡的能力α：α＝2.562×10^-3ρukpse，计算纯扩散条件下表面积为s的爆破铀矿堆氡析出量md：

当矿堆实际高度h≤hk时，md＝αhs；

当矿堆实际高度h＞hk时，md＝αhks；

式中：hk为爆破矿堆内氡的扩散长度，λ＝2.1×10^-6s^-1为氡的衰变系数，d为扩散系数；

计算总排氡量mp：mp＝md+mr+my；mr为通风空气入风带入氡量；

计算理论排氡通风量qs：cl为采场氡浓度限值，c0为采场入风氡浓度；

采场所需风量q＝1.2qs。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

第一，可控制矿堆内的渗流速度接近为零，最小化矿堆产生的氡通过渗流向采场作业空间的析出量，降低了井下作业场所中氡对作业人员的危害。

第二，本发明利用局部机械通风方法，相对于原有的集中通风系统，可根据每个采场铀品味的变化，不同采场纯扩散条件下的表面积不同，调节风机风量，应对不同条件下的采场风量需求，合理有效的控制采场的通风量，达到节能的目的。

第三，减少了排风空气中的氡浓度值，降低了整个矿井向外界环境空气的氡释放量，从而减少了矿井排氡对排风井周围环境造成的辐射危害。

第四，采用变频风机调速实现风压、风量控制，提高了采场通风的稳定性和可靠性，系统完善的监控性能和高可靠性提高了工作效率，减少了检修和维护的工作量，节约了设备的维修费。

附图说明

图1为安装变频风机和风筒前地下采场上行通风示意图。

图2为安装变频风机和风筒前地下采场下行通风示意图。

图3为采用本发明所述系统的上行通风示意图。

图4为采用本发明所述系统的下行通风示意图。

图5为刚性风筒截面图。

图6为风筒特性曲线和风机特性曲线图。

其中，1为回风巷，2为回采空间，3为第一温压传感器，4为风筒，5为柔性风筒，6为爆破铀矿堆，7为气压差调控风门，8为刚性风筒，9为变频风机，10为第二温压传感器，13为沿脉运输巷，14为挡板，17为渗流方向，w为终端调控器，m为流量计，p为风压；q为风量，曲线k0、k1、k2为风筒特性曲线，l0、l1、l2为风机特性曲线，n0、n1、n2分别为对应的转速，a、b、c点为风机的实际工况点。

具体实施方式

本发明的目的是为了解决如附图1、附图2所示的地下铀矿山留矿法采场通风方法在控制采场爆破铀矿堆中氡渗流方面的问题。由于顺路井在送风过程中存在压力损失，导致爆破铀矿堆6上下表面有着较大的压差，矿堆内部存在气流通过(渗流方向17如图所示)，加大了矿堆内氡的析出量。本发明是通过局部机械通风方法，调控爆破铀矿堆6上下表面的气压差，使矿堆内的气体渗流速度接近为零，最小化矿堆产生氡向采场作业空间的析出量、降低采场通风风量，进而减少通风成本以及矿井向外环境的氡释放量。

如图1所示，当矿井使用上行通风方式时，在采场原有的通风系统下，由于顺路井中通风阻力hca的存在，导致矿堆6上下表面存在一定的压力差，使得爆破铀矿堆6内部形成气体渗流。在通风气流的作用下，铀矿堆6内存在氡的渗流，加大了采场表面氡的析出，导致矿堆6析出的氡进入回采空间。若能通过调节矿堆6上下表面气压差控制爆破铀矿堆6内部的渗流速度为零，则可大大减少矿堆表面氡的析出。

如图2所示，当矿井使用下行通风方式时，在采场原有的通风系统下，由于顺路井中通风阻力hca的存在，导致矿堆6上下表面存在一定的压力差，使得爆破铀矿堆6内部形成气体渗流。在通风气流的作用下，铀矿堆6内存在氡的渗流，加大了存留铀矿堆氡的析出，导致存留矿堆6中的氡进入沿脉运输巷13。若能通过调节矿堆6上下表面气压差控制爆破铀矿堆6内部的渗流速度为零，则可大大减少矿堆内部氡的析出。

如图3和图4所示，控制地下铀矿山留矿法采场爆破铀矿堆氡渗流的系统包括终端调控器w、第一温压传感器3、第二温压传感器10、变频风机9、风筒4、气压差调控风门7、流量计m，其中风筒4包括相连的柔性风筒5和刚性风筒8，第一温压传感器3、第二温压传感器10和流量计m的输出端均与终端调控器w电连接，变频风机9、气压差调控风门7的输入端均与终端调控器w电连接；风筒4设于回风巷1内；沿脉运输巷13远离风筒4的一端设有挡板14封口。

如图3所示，当采用上行通风方式时，变频风机9(设于沿脉传输巷13左端)出口与风筒4下端相连，气压差调控风门7设于刚性风筒8下段，流量计m设于刚性风筒8上段，第一温压传感器3设于回采空间2内且与风筒4出口相对，第二温压传感器10设于沿脉运输巷13内，且第二温压传感器10与第一温压传感器3在同一垂直直线上。

优选地，气压差调控风门7于刚性风筒8下段，且以气压差调控风门7安装位置为分界点的刚性风筒8上下长度之比为5：1；流量计m设于刚性风筒8上段，且以流量计m安装位置为分界点的刚性风筒8上下长度之比为1：5。

优选地，第一温压传感器3设于回采空间2内且与风筒4出口相对，第一温压传感器3距离风筒4出口6m处回采空间2的气流稳定位置。

如图4所示，当采用下行通风方式时，变频风机9(设于爆破铀矿堆6上表面左侧处)出口与风筒4上端相连，气压差调控风门7设于刚性风筒8上段，流量计m设于刚性风筒8下段，第一温压传感器3设于回采空间2内且与变频风机9入口相对，第二温压传感器10设于沿脉运输巷13内，且第二温压传感器10与第一温压传感器3在同一垂直直线上。优选地，气压差调控风门7设于刚性风筒8上段，且以气压差调控风门7安装位置为分界点的刚性风筒8上下长度之比为1：5；流量计m设于刚性风筒8下段，且以流量计m安装位置为分界点的刚性风筒8上下长度之比为5：1。

优选地，第一温压传感器3设于回采空间2内的气流稳定位置且与变频风机9入口相对，第一温压传感器3距离变频风机9入口6m处回采空间2的气流稳定位置。

终端调控器w具有三监测两调控的功能，其中第一温压传感器3、第二温压传感器10、流量计m(监测变频风机的风量)所测得的数据通过传感原件可在终端调控器w显示，终端调控器w通过传感原件可调节变频风机9的频率、调节气压差调控风门7的开合度。本发明通过变频风机9和气压差调控风门7控制采场通风量和爆破铀矿堆上下表面的气体压差，最小化矿堆产生的氡通过渗流向采场作业空间的析出量，使矿堆内的气体渗流速度接近为零，降低整个矿井向外界环境空气的氡释放量，灵活方便，风机运行效率高，适用范围更加广泛，提高了采场通风的稳定性和可靠性。

本发明所述控制地下铀矿山留矿法采场爆破铀矿堆氡渗流控制方法，包括以下步骤：

步骤一，初始时，将气压差调控风门7打开至与水平面成45°角。

步骤二，当回采空间2需要作业时，根据回采空间2的采掘生产进度，求第一温压传感器3(设于a点)与第二温压传感器10(设于b点)之间的垂直高度δh。

步骤三，终端调控器w控制变频风机9打开；同时第一温压传感器3、第二温压传感器10将检测结果传送至终端调控器w，得到第一温压传感器3检测到的气压为pa、检测到的气体温度为ta，第二温压传感器10检测到的气压为pb、检测到的气体温度为tb。

步骤四，求a点和b点间空气的平均温度t＝(ta+tb)/2，由于井下采场空气湿度近似为100％，获得温度为t的饱和湿空气密度ρa。

步骤五，终端调控器w控制变频风机9由低档向高档缓慢调节，第一温压传感器3、第二温压传感器10将测得的空气静压数值通过数据传感线反馈给终端调控器w，终端调控器w通过调节变频风机9的工作频率以使得pb-pa＝ρagδh，其中，g为重力加速度；此时变频风机9的转速为n0，矿堆内无渗流。

步骤六，流量计m监测到此时变频风机9的运行风量为q0；判断采场所需风量与q0之间的大小关系，

若采场所需风量为q0，则风量满足要求，气压差调控风门7的开合度维持原状；

若采场所需风量为q2，且q2＞q0：根据变频风机9转速为n0对应的风机特性曲线l0和变频风机9运行风量q0，确定变频风机9实际运行的工况点a(q0，p0)，依据p＝k·q²得到风筒4阻力系数k0及对应的局部风筒特性曲线；在风机特性曲线图上找出运行工况为(q2，p0)对应的变频风机9转速n2，依据p＝k·q²得到风筒4阻力系数k2及对应的局部风筒特性曲线；比较k0与k2之间的大小关系，终端调控器w缓慢调节气压差调控风门7的开合度，同时通过流量计m监测到变频风机9的运行风量，直到变频风机9的运行风量为q2；此时停止对气压差调控风门7的调节，变频风机9运行工况点b(q2，p0)，a点和b点之间的静压差满足铀矿堆内无氡渗流要求，风量也满足采场设计或需风量要求。

若采场所需风量为q1，且q1＜q0：根据变频风机9转速为n0对应的风机特性曲线l0和变频风机9运行风量q0，确定变频风机9实际运行的工况点a(q0，p0)，依据p＝k·q²得到风筒4阻力系数k0及对应的局部风筒特性曲线；在风机特性曲线图上找出运行工况为(q1，p0)对应的变频风机9转速n1，依据p＝k·q²得到风筒4阻力系数k1及对应的局部风筒特性曲线；比较k0与k1之间的大小关系，终端调控器w缓慢调节气压差调控风门7的开合度，同时通过流量计m监测到变频风机9的运行风量，直到变频风机9的运行风量为q1；此时停止对气压差调控风门7的调节，变频风机9运行工况点c(q1，p0)，a点和b点之间的静压差满足铀矿堆内无氡渗流要求，风量也满足采场设计或需风量要求。

步骤七，回采空间2作业完毕后，撤出回采空间2中的作业人员，关闭变频风机9并开始放矿作业；带放矿作业结束后，加长风筒4至采场，同时相应调整第一温压传感器3的位置；重复步骤一～步骤五，使pb-pa≈ρagδh，同时风量满足要求，重新开始回采空间的作业。

每次打开变频风机9之前，均应把气压差调控风门7打开至与水平面成45°角的位置。

在通风前，需知晓得知矿石密度ρ(kg/m³)、矿石铀品位u(％)、铀镭平衡系数kp、矿岩射气系数se、爆破矿堆内氡的扩散长度hk、矿堆表面积s(m²)、通风空气入风带入氡量mr、原岩暴露面析出的氡量my、采场入风氡浓度c0。

本发明中，变频风机9风量的选择原理如下：

爆破铀矿堆6表面氡析出率包括渗流析出率和扩散析出率两部分，计算公式：

其中，j为爆破铀矿堆6表面氡析出率，单位bq/(m²·s)；jd为爆破铀矿堆6表面扩散氡析出率，单位bq/(m²·s)；jv为是爆破铀矿堆6表面渗流氡析出率，单位bq/(m²·s)；η为爆破铀矿堆6的孔隙率；d为爆破铀矿堆6内氡的扩散系数，m²/s；c为爆破铀矿堆6的孔隙氡浓度，单位bq/m³；为哈米尔顿算符；k为介质的渗透率，单位m²；μ为流体的黏滞系数，单位pas；p为压强，单位pa；ρa为饱和湿空气的密度，单位kg/m³；g为重力加速度，单位m/s²。

当爆破铀矿堆6上下表面气压差为ρagδh(δh为以0—0为基准面a点的垂直高度)时，jv＝0。则式(1)变为：

在铀矿的回采过程中，爆破铀矿堆6的高度会逐渐上升直至一定的高度，此时爆破铀矿堆6表面的扩散氡析出率也不断变化，爆破铀矿堆氡浓度分布其变化过程满足如下公式：

式(3)中：α为单位体积崩落矿堆产生可运移氡的能力，单位为bq/(m³·s)；λ＝2.1×10^-6s^-1为氡的衰变系数，x为矿堆表面向矿堆内的长度，单位为m。

单位体积崩落矿堆产生可运移氡的能力α可按公式(4)计算：

α＝2.562×10^-3ρukpse(4)

由于氡在扩散过程中存在衰变过程，纯扩散条件下表面积为s(单位m²)的爆破铀矿堆6氡析出量md按下式计算：

当矿堆实际高度h≤hk时，md＝αhs(5)

当矿堆实际高度h＞hk时，md＝αhks(6)

式中：hk为爆破矿堆内氡的扩散长度，d为扩散系数。

爆破铀矿堆6内氡的扩散系数d小于或等于ηda(da为空气中氡的扩散系数，为1.05×10^-5m²/s)，设计计算时爆破铀矿堆6内氡的扩散系数按d＝ηda(η取0.33)。则扩散长度hk＝1.28m，扩散系数也可按实际测量结果进行计算。

采场内除爆破铀矿堆6析出的氡量md外，还有通风空气入风带入氡量mr和原岩暴露面析出的氡量my，故采场总排氡量mp为：

mp＝md+mr+my(7)

为了保证采场作业环境辐射安全，必须保证排风氡浓度不超过氡浓度控制值。

计算理论排氡通风量qs(单位为m³/s)：

cl为采场氡浓度限值(设为2.7kbq/m³)，c0为采场入风氡浓度(设计中可按1.0kbq/m³计算，也可实测确定)。

在一定时期，爆破铀矿堆6的暴露面积一定，由于控制了矿堆的渗流氡析出量，矿堆析出氡量将大幅度减少，采场析出氡量md也将大幅降低。依据公式(8)，在保证矿井通风质量不变的前提下，即(cl-c0)保持不变，则采场排氡通风量qs也将大幅减少。

为确保一定的安全裕量，采场所需风量，即变频风机9风量(单位m³/s)：

q＝1.2qs(9)

在实际设计中，也可采用实测采场进风的氡浓度和氡量、矿堆产生的氡浓度和氡量，计算确定采场总排氡量mp，进而按公式(8)和(9)确定变频风机的风量。

本发明中，变频风机9风压的选择原理如下：

变频风机9全压的计算主要考虑风机自身的风阻和风机外所需克服的通风阻力，包括沿程阻力hy和局部阻力hj，风机将风经过风筒4送至指定位置所需克服的通风阻力可按下式计算：

式(10)中：hf为通风阻力，单位为pa；hy为沿程阻力，单位为pa；hj为局部阻力，单位为pa；sl为风筒的等效断面面积，单位为m²；l为风筒的等效周长，单位为m；ρa为饱和湿空气的密度，单位为kg/m³；ε为摩擦阻力系数，单位为n·s²/m⁴；ξ为局部阻力系数，无因次；l为送风沿程长度，单位为m；q0为风机运行风量，单位为m³/s。

令则公示(10)可化简为：

hf＝hy+hj＝k·q0²(11)

在铀矿的回采过程中，爆破铀矿堆6也将不断增高直至一定的高度，在这个过程中需要不断调节送风筒4的高度，这也将导致变频风机9送风过程中阻力的增大，则需不断调节变频风机9频率以满足pb-pa＝ρagδh(pa为a点的压强，pb为b点的压强)。

图3中，上行通风满足如下公示：

pc+p-hf＝pa+ρagδh(12)

式中：pc为c点的压强；p为风机提供的压力。

为使a、b两点间渗流速度为零，使得pb-pa＝ρagδh，且pb≈pc，则满足以下公式：

p＝hf＝k·q0²(13)

图4中，下行通风，为使a、b两点间渗流速度为零，使得pb-pa＝ρagδh，且pb≈pc，则也应满足公式(13)。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是局限性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。