一种氡析出模拟装置及氡析出率测量方法与流程

本发明涉及氡析出环境模拟与氡析出测试装置，尤其涉及一种氡析出环境模拟装置及氡析出率测量方法。

背景技术：

氡及子体是危害人类健康的主要天然放射源，而氡由于外部条件影响导致含铀矿石的异常析出是深部铀矿开采的主要安全隐患因素；含铀的矿石产生的氡气可通过迁移进入矿床开采巷道中，如果开采巷道的通风措施采用不当则会造成井下工作人员的上呼吸道和肺损害，甚至引发肺癌。因此，氡的辐射防护得到了各国政府的高度重视。

国内外很多科研机构与学者开展了环境氡的调查和析出机理的系统研究，研究表明，岩石破裂之前矿物晶格间会存在大量微裂隙，进而检测到氡析出量显著上升的现象，通常认为氡异常与受到机械振动作用条件下产生的微裂隙有关，在铀矿井下采掘作业中，峒室大爆破产生的主振频率一般为7～20hz，采割机、掘进机等作业机器载荷的频率为11～30hz，以上作业载荷频率均属于低频振动的范围；此外岩石在受力破裂前，地震和火山活动产生的地壳振动对岩石会产生许多的微振动，而这类震动频率通常都在超声振动的范围；在地壳运动中矿岩的温度随着开采深度的增加而提高，通常平均地温变化率为5℃/100m，深部铀矿井地温升高导致围岩温度一般超过了30℃，而广东、江西某铀矿井井下围岩温度达到30～36℃以上。

目前我国铀矿山通风方式主要为抽出式与压入式，抽出式通风使矿井空气处于负压状态，外界置换风量在负压作用下进入矿井巷道，污染风量由主扇风机排出矿井外，氡渗流方向指向井巷道；压入式通风使铀矿井空气流通处于正压状态，主扇风机将外界置换风量压入，污染风量在正压作用下排出铀矿井，氡的渗流方向指向矿岩壁。

随着新时期铀矿井开采深度的不断增加，研究模拟耦合因素条件下真实铀矿巷道氡析出机理情况变得愈加迫切，机械振动或地质构造变化可能造成铀矿围岩的破裂进而导致氡析出量的异常上升，其中铀矿岩的氡异常析出与其在受到超声与机械作用条件下导致岩石破裂产生的微裂隙特征有关，专利2017110910596公开了一种基于低频振动的氡析出模拟装置和氡析出率测量方法，该专利可以模拟低频振动下的类铀矿岩氡析出并获取实验数据，为研究低频扰动荷载作用下铀矿岩连续氡析出率变化的规律提供数据基础。该专利中试样的设置以及回路的布置等均不能真实的模拟铀矿巷道氡析，而且该专利仅仅研究了低频振动对氡析出的模拟，由于单因素分析存在变量控制困难，模拟效果差等局限性，没有定量的研究超声振动、低频振动、温度梯度、压力梯度等综合影响因素对铀矿岩氡析出规律的影响，因此基于压入式通风能明显抑制和减少矿岩中氡析出的特点，开展不同压力梯度、温度、超声振动、低频振动频率作用下铀矿岩氡析出机理的耦合实验研究室十分有必要的。

技术实现要素：

本发明所要解决的第一个技术问题在于提供一种能够真实的模拟铀矿巷道氡析出的氡析出模拟装置。

本发明所要解决的第二个技术问题在于提供一种采用上述模拟装置的氡析出率测量方法。

为解决上述第一个技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种氡析出模拟装置，包括氡析出罐、测氡仪以及低频振动模块，所述低频振动模块用于对氡析出罐施加低频振动载荷，

所述氡析出罐内封装有类铀矿岩试样，所述类铀矿岩试样内形成有集氡空间，集氡空间包括进气端和出气端，测氡仪的进气口与所述出气端连通，测氡仪的出气口与所述进气端连通，形成气流回路；

还包括对集氡空间内风压大小进行调节的风压调节模块，所述风压调节模块包括驱动件、送风管和出风管，所述送风管与所述进气端连通，所述出风管与所述出气端连通，所述集氡空间内设有用于监测集氡空间内风压变化的压力传感器，所述驱动件为设置在送风管上的鼓风机或设置在所述出风管上的负压风机。

进一步的，所述类铀矿岩试内形成有贯通两端的中空通道，所述中空通道的两端通过进气端盖和出气端盖密封形成集氡空间。

进一步的，还包括对氡析出模块进行加热的加热模块，所述加热模块包括水浴桶，所述氡析出罐容置在所述水浴桶的内腔中，所述水浴桶的侧壁内形成有水浴腔，所述水浴腔内设有电加热器，所述类铀矿岩试样内设有温度传感器。

进一步的，所述氡析出罐滑动设置在所述水浴桶内，所述低频振动模块包括激振器、振动杆和压电式传感器，所述激振器连接有扫频信号发生器以及功率放大器，所述振动杆设置在所述激振器与氡析出罐之间且与所述氡析出罐滑动方向平行，所述压电式传感器设置于所述振动杆。

进一步的，所述氡析出罐的底部设有滚轮。

进一步的，连接所述测氡仪的出气口与所述进气端盖的管道上设有第一干燥器以及第一阀门；连接所述测氡仪的进气口与所述出气端盖的管道上设有第一干燥器和第二阀门。

进一步的，所述风压调节模块还包括氮气瓶，所述氮气瓶通过氮气输送管与所述送风管连通，所述氮气输送管上设有第三阀门以及气压表，所述送风管位于所述氮气输送管的两侧设有第四阀门和第五阀门，所述出风管上设有第六阀门。

进一步的，所述氡析出罐包括顶部开口的筒体和密封盖合在所述筒体开口端的顶盖，所述筒体的底部设有固定座，所述进气端盖与所述顶盖相抵接，所述出气端盖与所述固定座相抵接。

进一步的，所述类铀矿岩试样匹配安装在所述氡析出罐内。

进一步的，还包括对氡析出模块施加超声载荷的超声振动模块，所述超声振动模块包括超声波发生器以及均布于所述水浴桶底部的超声波振子，各所述超声波振子的频率不同、功率相同，各所述超声波振子均与所述超声波发生器电连接。

进一步的，所述出气端盖以及进气端盖与所述类铀矿岩试样之间设有密封圈。

进一步的，所述类铀矿岩试样呈圆柱形。

进一步的，所述氮气输送管上设有第二流量计，所述出风管上设有第一流量计。

进一步的，所述进风管上设有干燥器。

为解决上述第二个技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种氡析出率测量方法，使用上述装置，包括如下步骤：

步骤一：将类铀矿岩试样放置于氡析出罐内，通过低频振动模块对试样施加试验激振频率、通过风压调节模块将集氡空间内的风压调整至试验风压进行多维耦合因素下氡析出率模拟测试；

步骤二：获取测氡仪在所述氡析出模拟测试过程中采集的随时间累计的氡浓度cn；

步骤三：利用步骤二中获取的氡浓度cn计算出多维耦合因素下下的氡析出率j；

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明中通过在类铀矿岩试样中设置中空通道形成集氡空间，模拟铀矿巷道，通过风压调节模块调节集氡空间内风压大小并通过压力传感器检测风压大小，通过低频振动模块用于对氡析出模块施加低频振动载荷，模拟铀矿巷道围岩机械振动，实现铀矿巷道采用压入式通风条件下的真实模拟。

2、本发明能够定量的研究超声振动、低频振动、温度梯度、压力梯度等影响因素对铀矿围岩氡析出规律的影响，通过获取实验数据，得出超声扰动、高温梯度、压力梯度差、低频扰动荷载作用下铀矿岩连续氡析出率变化的规律，为未来铀矿井下开采氡辐射防治提供理论依据，该装置具有模拟数据真实可靠的特点。

3、本发明采用水浴加热方式进行加热，超声振动经过水浴桶内的水后作用于类铀矿岩试样，不仅加热均匀，而且能够更加真实的模拟地壳振动传播。

附图说明

图1为本发明的轴侧图；

图2为本发明的主视图；

图3为本发明的侧视图；

图4为本发明的析出罐结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1-图4，一种氡析出模拟装置，包括氡析出罐1、测氡仪2以及低频振动模块，低频振动模块用于对氡析出罐1施加低频振动载荷。

氡析出罐1内封装有类铀矿岩试样3，类铀矿岩试样3内形成有集氡空间。需要说明的是，类铀矿岩试样3不仅包含含铀矿岩，也可以为混凝土等现有能够析出氡的材料。具体的，类铀矿岩试样3内形成有贯通两端的中空通道4，中空通道4的两端通过进气端盖5和出气端盖6密封形成集氡空间，测氡仪2的进气口与出气端盖6上的第一出气口连通，测氡仪2的出气口与进气端盖5上的第一进气口连通，形成气流回路；

本实施例模拟装置还包括对集氡空间内风压大小进行调节的风压调节模块，风压调节模块包括气流驱动件7、送风管8和出风管9，送风管8与出气端盖6上的第二出气口连通，送风管8与进气端盖5上的第二进气口连通，集氡空间内设有用于监测集氡空间内风压变化的压力传感器10，在送风管8上还可以设置干燥器11。当集氡空间内通风方式压入式方式时，驱动件7为设置在送风管8上的鼓风机7，当采用抽出式通风时，驱动件7为设置在出风管9的负压风机7。

下面将结合压入式通风方式，对本实施例的工作过程作详细说明：通过在类铀矿岩试样3中设置中空通道形成集氡空间，模拟铀矿巷道，鼓风机鼓入的气流通过送风管8输送至集氡空间内，并通过出风管9从集氡空间另一端流出，从而模拟铀矿山压入式通风方式，通过鼓风机调节风压大小并通过压力传感器10实现风压检测，通过低频振动模块用于对类铀矿岩试样施加低频振动载荷，模拟铀矿巷道围岩实际机械振动，析出的氡通过测氡仪2进行测量，从而可以模拟不同风压条件下机械振动对铀矿巷道内氡析出率的影响。

作为发明的一种优选方案，本实施例模拟装置还包括对氡析出模块进行加热的加热模块，加热模块包括水浴桶12，氡析出罐1容置在水浴桶12的内腔中，水浴桶12的侧壁内形成有水浴腔，水浴腔内设有电加热器13及测温传感器14，类铀矿岩试样3内设有温度传感器15，通过电加热器13对水浴腔内的水进行加热，并通过热传导的方式对氡析出罐1内的试样进行加热，并通过温度传感器15实时监测试样的温度，实现不同温度条件下氡析出的模拟。采用水浴加热不仅可以防止反射性元素向外辐射，影响操作人员安全，而且也可以使得析出罐内的试样受热均匀。

具体的，水浴桶12的内径为190mm、外径为250mm、长为700mm，外壁为保温隔热层，内填保温石棉，厚度为8mm，水浴桶12桶身布置有上进水管和下出水管，每次实验开始前纯净水沿进水方向进入桶内，每次实验结束后，打开出水管，沿着出水方向排出实验用水。

需要说明的是，在实际设计中，氡析出罐1滑动设置在水浴桶12内，低频振动模块包括激振器16、振动杆17和压电式传感器18，激振器16连接有扫频信号发生器19以及功率放大器20，振动杆17设置在激振器16与氡析出罐1之间且与氡析出罐1滑动方向平行，压电式传感器18设置于振动杆17。氡析出罐1的底部设有滚轮21，激振器16工作时，滚轮滚动带动氡析出罐1在水浴桶12内滑动，实现机械振动的模拟。

具体的，连接测氡仪2的出气口与第一进气口的管道上设有第一干燥器21以及第一阀门22，通过第一干燥器21对析出的氡进行干燥，连接测氡仪2的进气口与第一出气口的管道上设有第二阀门23和第二干燥器(图中未示出)，测氡仪2用于测量累计氡浓度，气流通过第一阀门22及第一进气口途经集氡空间内由第一出气口流出，氡气由第二阀门23流出，经由第二干燥器返回测氡仪2，形成氡子体测试循环。具体的，测氡仪2采用静电采集原理，通过内置泵将干燥后的无子体微粒的氡气气流抽入一个0.7l的半球形腔体内之后，氡气衰变产生的子体在静电场中被收集在半导体探测器表面，测氡仪就是通过测量这些子体产生的α粒子而得出氡浓度，在sniff模式下，其测氡的灵敏度为0.2cpm/(37bq.m-3)。本实施例中选择5min为一个测量周期，即每个5min测量出氡浓度。本实施例选用rad-7测氡仪。

优选的，氡析出罐1包括顶部开口的筒体101和密封盖合在筒体开口端的顶盖102，筒体101的底部设有固定座24，进气端盖5与顶盖102相抵接，出气端盖6与固定座24相抵接，类铀矿岩试样3呈圆柱主体状且匹配安装在氡析出罐内。为防止辐射，氡析出罐1以及顶盖102采用亚克力板制作，氡析出罐1罐壁表面覆盖锡箔纸，筒体101底部设有底座，底座采用304不锈钢材质制作，底座25上设有滚轮26，进气端盖5和出气端盖6采用不易吸附氡的pvc材质制作。析出罐内壁涂有液体耦合剂，液体耦合剂为水和机油耦合剂。

可以想到的是，在实际应用中，为检验氡析出罐的密封性，风压调节模块还可以包括氮气瓶27，氮气瓶27通过氮气输送管28与送风管8连通，氮气输送管28上设有第三阀门29以及气压表30，送风管8位于氮气输送管28的两侧设有第四阀门31和第五阀门32，出风管9上设有第六阀门33，氮气输送管28上设有第二流量计34，出风管9上设有第一流量计35。通过关闭第四阀门31和第六阀门33，开启第三阀门29、第五阀门32，开启氮气瓶27经由压力表向闭合回路中加压，关闭第三阀门29，观察一段时间，若压力表的数值没有发生变化，则证明装置气密性良好可以开始实验。

鼓风机打开后向风箱36中通气，第四个阀门31打开后，进气风8通过调节阀进入集氡空间，由出气管9流出集氡空间，气流通过第一流量计35，经第六阀门33流出，此为压力梯度循环。

作为本发明的另一优选方案，本实施模拟装置还包括对氡析出模块施加超声载荷的超声振动模块，超声振动模块包括超声波发生器37以及均布于水浴桶底部的超声波振子38，各超声波振子38的频率不同、功率相同，各超声波振子38均与超声波发生器37电连接。超声振动发生器37、各传感器、流量计、电加热器13、扫频信号发生器19以及鼓风机等部件均与计算机控制系统39连接形成控制电路，至于控制电路的具体结构均为现有公知技术，不是本发明改进的重点，在此不再赘述。本实施例中，超声波振子38发出的超声波进过水浴桶后进入氡析出罐内，不仅可以有效防止超声的损失，而且因为实际巷道围岩底部存在蓄水层，地质波通过外围蓄水层作用于围岩，而本实施例中超声波也是通过蓄水层后进入析出罐内，因此模拟更加真实。

为进一步提高密封性能，在出气端盖9以及进气端盖8与类铀矿岩试样3之间设有密封圈，氡析出的气流回路上的各连接管及阀门均采用pvc材质制作，以防止氡在连接管的管壁上吸附聚集，提高测算精度。

本实施例中测氡仪的测量原理和专利2017110910596中一致，在此不再赘述。

通过集氡空间测量介质表面上的氡析出，集氡空间的氡浓度变化情况可用式(1)来表示，由于存在多因素对氡析出的影响，引入氡的因素影响变化率g。

式中：c为测量氡体积浓度；j为待测介质表面氡析出率；v为集氡室体积；s为集氡室底面积；λ为氡衰变常量；t为集氡时间。

其中：

s＝2πr

式中：h为集氡空间高度；r为试样内径。则有：

令初始氡浓度为c0，即t0＝0时刻，式(1)的解为：

令若两次氡的测量时间间为t，第n次测量的氡浓度为cn，第n-1次测得的氡浓度为cn-1，则有氡析出率为：

其中g为集氡空间内实验温度变化量δt、集氡空间实验压力梯度δp、超声振动实验变化量δw和低频振动实验变化量δh的引起的氡浓度变化率。

在δt、δp、δw和δh为定值的条件下，g值为：

本发明基于上述装置以及上述测氡仪的测量原理，一种氡析出率测量方法，包括如下步骤：

步骤一：将类铀矿岩试样放置于氡析出罐内，通过低频振动模块对试样施加试验激振频率、通过加热模块将试样加热至试验温度、通过超声振动模块对试验施加试验频率、通过风压调节模块将集氡空间内的风压调整至试验风压进行多维耦合因素下氡析出率模拟测试；

步骤二：获取测氡仪在所述氡析出模拟测试过程中采集的随时间累计的氡浓度cn；

步骤三：利用步骤二中获取的氡浓度cn计算出多维耦合因素下下的氡析出率j；相邻两侧测量时间间隔为δt；

其中，氡析出率j按照如下公式进行计算：

其中：r为类铀矿岩试样的内半径；h为集氡空间高度；λ为氡衰变常量；δt为氡的采样时间间隔；cn为第n次取样时的氡浓度，cn-1为第n-1次取样时的氡浓度；g为氡的因素影响变化率。

具体测试实验：

正交实验设计是一种用于多维因素分析试验的科学研究方法，它是从全面海量实验小组中挑选具有代表性的点来进行科学分析试验，从而避免重复实验对资源的浪费提高研究效率，这些点具有均匀整齐的特点。通常正交设计实验在水平值较少的情况下具有很高的效率，经常用于对典型实验进行统筹安排，进而找出实验中各个因素对实验结果的影响程度。

采用优选的四因素(多孔射气介质所处温度、巷道前后分段压力梯度、超声振动作用、低频激振作用)，根据相关文献和工程实际情况每个因素设定五个水平方案，深部铀矿井矿岩温度范围：30℃～50℃；等比例巷道模型压力梯度设定：50～250pa，超声振动振子设定功率范围：100w～500w；低频激振作用范围：0～40hz。详细正交设计配比见表1。

表1耦合实验正交设计表

鉴于铀矿原岩辐射较大且现场采样困难，不利于开展有关室内试验，因此无法满足大批量实验所具备的要求，因此基于正交实验设计的方法制备类铀矿岩试块。选取的材料以筛选颗粒大小为2mm的铀矿砂与粒径为0.60～4.75mm的石英砂为骨料，微硅粉与精铁粉为辅料，水泥为胶结材料，早强剂与减水剂为改性外加剂。其中铀矿砂选取自我国南方某铀矿，其镭比活度为8.47×103bq/kg，铀品位为0.153％，铀镭平衡系数为1.04，石英砂规格为40～70目，精铁粉纯度fe≥99.999％，模拟对象为南方某铀矿花岗岩型铀矿岩。具体配比为水灰比0.28、砂胶比1.2、微硅粉0.12、精铁粉0.25，确定配比之后将骨料、摻合料和外加剂按照配比倒入搅拌机内，待混合均匀后加入一定量的蒸馏水，待湿料搅拌成型后停止搅拌，随后将湿料倒入自制模具内(规格为内径80mm，外径为150mm，长为300mm)，利用空压机脱模，试块在制作完成后存放于yh-40b型标准恒温恒湿养护箱内进行为期28d的养护并且在试验开始前密封24h。

测量时采用密闭腔体法，析出罐中固定安装的中空圆柱体型试块的封闭中空部分为集氡空间。超声波发生器采用kmd-m1可调节超声波发生器，其超声波作用频率范围为20khz至于40khz区间范围内且连续可调节，系统中采用的超声波振子为专门定做的工作频率范围为10khz至50khz不同频率的振子，且各个振子的功率(100w)相同。实验振动过程中利用hy5872a功率放大器和ye1311扫频信号发生器获取激振器振动的振幅、频率等参数，既为进一步研究不同类型振动频率(正弦波、方波、三角波等波形)对试块影响提供依据，也为后续多维因素条件下低频振动的氡析出率研究提供参考，采用jzk-30型电动式模态激振器向类铀矿岩试块提供不同频率的激振力，激振力实时监控采用cl-yd系列压电式传感器，其具有测量频率范围宽，动态范围大，体积小等特点，测量量程为±10kn。析出罐与加热桶中的温度传感器采用型号pt100型，连接温度控制模块与计算机后可实时有效监控装置中温度变化情况。

具体操作步骤如下所述：

1)取铀尾矿砂、石英砂、精铁粉、微硅粉、水泥、早强剂、减水剂根据配比为水灰比0.28、砂胶比1.2、微硅粉0.12、精铁粉0.25制成两侧开设圆孔的具有空腔的中空圆柱体型类铀矿岩试块(9)，然后将试块完全浸泡于纯净水中48h制成饱和含水率试块；

2)取出类铀矿岩试块擦干表面水分并用表面具有通孔的进气端盖8和出气端盖9将类铀矿岩试块3两端密封并在端盖上安装测氡仪的进气管40及出气管41，鼓风机7的送风管8与出风管9，将试块安装于析出罐内的固定座24上。

3)关闭第四阀门31和第六阀门33，开启第三阀门29、第五阀门32，开启氮气瓶27经由压力表30向闭合回路中加压，关闭第三阀门29，观察一段时间，若压力表30的数值没有发生变化，则证明装置气密性良好可以开始实验。

4)打开超声波发生器38，根据正交实验项目调节实验频率直到与所选的超声波振子的工作频率相一致，闭合超声波发生器38的控制阀门，选择与实验项目要求相符数目的振子，实验测定超声波振子功率范围为：100w、200w、300w、400w、500w，打开水浴桶进水阀与出水阀，让纯净水从水浴桶中等速流进与流出。

5)打开水浴桶12中的电加热器13，根据正交实验方案调节电加热器功率，实验中温度调节范围为五档：30℃、35℃、40℃、45℃、50℃，利用水浴桶12中的测温传感器14监控温度上升趋势，在集氡空间内的温度传感器15显示达到实验测量温度后温度控制模块42将加热模式切换为恒温模式。

6)实验开始前调节功率放大器20与扫频信号发生器19，根据正交实验项目设计设置实验的频率数值：0hz、10hz、20hz、30hz、40hz，测试时的激振振动波形为正弦波、方波、三角波，通过电源线将两者与激振器连接，实验开始对三者进行提前热机，时间设定为30min，通过压电式压力传感器10在计算机上记录析出罐与集氡空间内的压强和其产生的激振力随时间的变化规律曲线，比较不同波形振幅条件下中空圆柱体型试块受到的激振力及压强的大小。

7)关闭第三阀门29，打开第四阀门31、第五阀门32、第六阀门33，打开鼓风机7，经过风箱向装置内送风，风量由送风管8进入集氡空间内，由出风管9流出，经由第一流量计35排出装置外，设定压力梯度范围为：50pa、100pa、150pa、200pa、250pa，打开测氡仪2上的排泄阀，净化20min，将仪器中残留的氡气排出并使仪器内空气湿度降低到10％以下，关闭排泄阀，打开第一阀门22、第二阀门23，将测氡仪2设置为“sniff”模式，用来跟踪集氡空间内快速变化的氡浓度，一个实验周期根据正交实验设计项目结果分为25个实验周期，将每次测量时间设定为5min，累计测量循环次数为120次，共计10h，将测量完成的累计氡浓度cn代入到氡析出率计算公式中获得该正交实验组的氡析出率。

8)测定完成后关闭所有阀门和超声波发生器38、激振器16、功率放大器20、扫频信号发生器19、鼓风机7、电加热器13，使试块氡析出重新恢复平衡。

9)重复上述步骤，调节不同的超声频率、压力梯度、温度、低频振动频率，测量累积氡析出浓度值。

上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。