蘇曉書，冀 東，劉 穎，李元崗

(中核第四研究設(shè)計工程有限公司，河北 石家莊 050021)

鈾礦開采屬于天然放射性物質(zhì)開采的開放型作業(yè)，放射性物質(zhì)向環(huán)境釋放，會對環(huán)境、公眾產(chǎn)生影響。因此，必須在鈾礦開采過程中采取有效的防護(hù)措施，對井下主要危害因素：長壽命氣溶膠、γ射線、氡及其子體進(jìn)行防治[1]。其中，氡及氡子體的內(nèi)照射對井下工作人員輻射危害最大。據(jù)統(tǒng)計，礦工職業(yè)照射劑量中由氡及氡子體引起的照射劑量占89.8%，氡及其子體的內(nèi)照射是防治重點[2-5]。因此，掌握氡在鈾礦山井下介質(zhì)中傳輸規(guī)律以及影響氡濃度遷移分布的因素是提高防護(hù)水平，控制井下氡濃度不超過國家標(biāo)準(zhǔn)限值的重要前提[6]。

目前，國內(nèi)外未見針對井下通風(fēng)管道長度變化對氡濃度影響的研究，但英國、荷蘭、印度等國對土壤、混凝土、大理石等材料的氡析出率有較深入研究，且利用流體動力學(xué)計算模塊(CFD)模擬了地下室氡遷移全過程以及室內(nèi)222Rn、220Rn及其子體的濃度與三維分布。另外，我國研究者也研究了溫濕度、孔隙度、含水量、風(fēng)壓等氡析出率影響因素，井下防氡措施的種類及效果，井下通風(fēng)方式、通風(fēng)量對氡濃度的影響，這對本研究一些定性分析有指導(dǎo)意義[7-12]。

本研究在完成軟件模擬井下風(fēng)場現(xiàn)狀，篩選空氣流動性較差位置等前期工作的基礎(chǔ)上，有針對性的改變相應(yīng)位置處通風(fēng)管道的長度，分析管道長度變化對氡濃度的影響，判斷此措施能否起到降低井下氡濃度，為后續(xù)工程實施提供理論參考。

1 軟件簡介

ANSYS是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，內(nèi)嵌上述各模塊所需的數(shù)學(xué)模型。本研究使用的流體模塊，自帶質(zhì)量、動量、能量守恒方程，以及標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNGk-ε模型等湍流數(shù)學(xué)模型。該軟件由ANSYS公司開發(fā)，能與多數(shù)計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中最為廣泛使用的計算機(jī)輔助工程(CAE)工具之一，ANSYS Workbench15.0是ANSYS公司出品的新一代仿真平臺，可滿足多種工程的仿真需要[13]。

本研究利用ANSYS Workbench15.0中流體動力學(xué)計算模塊(CFD)對礦井進(jìn)行建模，然后經(jīng)網(wǎng)格劃分、參數(shù)設(shè)置、模型運算后，觀察改變井下通風(fēng)管長度后對氡運移的影響。

2 鈾礦井下模型建立

2.1 模型建立

本研究以江西某礦井的一個中段為模型進(jìn)行模擬分析，以開采圖紙為基準(zhǔn)，按照1∶1的比例在坐標(biāo)系中創(chuàng)建模型，繪圖時保證所有巷道均連通。該中段有1個中段車場，1條主巷道，9條主穿，2個采場，詳細(xì)參數(shù)列于表1，平面布置及關(guān)注點位情況示于圖1。

理論及前期國內(nèi)外研究成果表明[7-12]，風(fēng)速、風(fēng)壓、溫度、濕度均會對井下氡析出率產(chǎn)生影響，預(yù)計本研究中通風(fēng)管道的變化會對井下整個風(fēng)場產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響氡濃度。因此，在工程實施前利用ANSYS Workbench15.0軟件驗證管道變化對氡濃度影響的效果。該中段共有9根通風(fēng)管，本研究建立的模型調(diào)整了其中5根通風(fēng)管的長度，詳細(xì)調(diào)整方式列于表2。

表1 某礦井中段車場、巷道、主穿參數(shù)Table 1 Middle section of a mine yard, roadway, the main wear parameters

圖1 鈾礦井某中段平面布置及模擬點位圖Fig.1 A mid-section uranium mine layout and simulation of bitmap

名稱長度變化前/mm長度變化后/mm通風(fēng)管直徑/mm主穿1通風(fēng)管53 13085 000300主穿2通風(fēng)管46 37084 000300主穿3通風(fēng)管62 22096 000300主穿5通風(fēng)管161 000155 000300主穿7通風(fēng)管47 78044 000300

2.2 網(wǎng)格劃分

由于該中段尺寸較大，故在模型建立過程中，對巷道內(nèi)流體流動影響較小的巷道壁面的凸起、凹陷、折邊等進(jìn)行光滑化處理。

進(jìn)行巷道內(nèi)氡濃度擴(kuò)散模擬計算時，湍流模型采用k-ε模型。對于本模型，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的計算結(jié)果與采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的計算結(jié)果相差不大，在可接受范圍內(nèi)，考慮到計算量及計算資源，采用較為簡單的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行計算。由于通風(fēng)管道與巷道尺寸有一定差距，因此對通風(fēng)管壁面區(qū)域進(jìn)行加密。通風(fēng)管道長度變化后的模型中一共有3 738 933個節(jié)點，17 541 147個網(wǎng)格元素，模型網(wǎng)格質(zhì)量最小為0.162 7，最大為1，平均值為0.832 62，滿足網(wǎng)格質(zhì)量最小不低于0.1，網(wǎng)格質(zhì)量平均值高于0.80的要求，可進(jìn)行數(shù)值模擬計算，通風(fēng)管道長度變化后模型網(wǎng)格劃分情況示于圖2。

圖2 通風(fēng)管道長度變化后模型網(wǎng)格劃分圖Fig.2 Model grid division diagram after ventilation duct length change

2.3 邊界條件

根據(jù)現(xiàn)場情況及相關(guān)實測數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)學(xué)模型和Fluent數(shù)值模擬方法，對區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行自適應(yīng)等調(diào)試，數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)定如下：湍流模型采用k-ε模型，系統(tǒng)壓力為105 400 Pa；入口邊界為velocity inlet類型(速度入口)，入口速度為1.8 m/s，代表風(fēng)流以一定速度吹進(jìn)巷道內(nèi)；水力直徑(等效直徑)為2 m，湍流強(qiáng)度為3.32%；出口邊界為pressure outlet類型(壓力出口)，代表排風(fēng)井出口為壓力排出，表壓為0 Pa；采場和巷道為mass flow inlet類型，代表氡以一定的析出速率進(jìn)入計算模型(氡初始濃度為0)。由于采場壁面和巷道壁面的析出率有較大差異，因此依據(jù)圖1中31個點位處分別設(shè)置，不同溫濕度下，礦樣及巖樣氡析出率實測數(shù)據(jù)：采場1處，氡析出率取值0.58 Bq·m-2·s-1(溫度21.5 ℃)，采場2處，氡析出率取值0.55 Bq·m-2·s-1(溫度16.8 ℃)，對于圍巖處(以10點位為例)氡析出率取值0.005 Bq·m-2·s-1(溫度18 ℃)。另外，由于井下壁面較粗糙，采用面積展平法對壁面進(jìn)行光滑處理，避免氡析出量數(shù)值偏小，但該尺度下壁面是否光滑對整體風(fēng)場影響較小。

混合物材料設(shè)置為氡氣在空氣中擴(kuò)散，物質(zhì)輸送的問題在物質(zhì)模型(species model)面板設(shè)置，選擇組分傳輸模型。在軟件的材料庫中，自定義氡氣的輸入?yún)?shù)(1 Bq氡相當(dāng)于1.77×10-16g)。在材料面板選取自定義的氡氣作為計算材料。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 模擬結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研資料和監(jiān)測數(shù)據(jù)，經(jīng)過多次調(diào)試，最終將通風(fēng)管入口的邊界條件設(shè)置為風(fēng)扇入口，壓力為200 Pa，出口為自然流出邊界，通風(fēng)管中的空氣經(jīng)通風(fēng)管出口后進(jìn)入巷道內(nèi)。

參數(shù)設(shè)置完全后，通過ANSYS Workbench15.0軟件CFD模塊計算，通風(fēng)管長度變化后氡濃度變化情況列于表3。巷道內(nèi)31個點位氡濃度在通風(fēng)管道長度變化后也發(fā)生了變化。其中，氡濃度降低幅度較大的典型點位，如10點位、20點位的計算結(jié)果示于圖3。

表3 通風(fēng)管長度變化后氡濃度變化Table 3 The changes in radon concentration after ventilation

3.2 結(jié)果分析

本次研究設(shè)置31個預(yù)測點位，基本均勻分布于主巷內(nèi)，有采場的支巷加密預(yù)測點位，詳見圖1。由表4中統(tǒng)計結(jié)果可知，當(dāng)通風(fēng)管道長度發(fā)生變化時，有29個點位氡濃度降低，僅有2個點位氡濃度升高，整體降氡效果較好。

a——10點位通風(fēng)管長度變化前氡質(zhì)量分?jǐn)?shù)；b——10點位通風(fēng)管長度變化后氡質(zhì)量分?jǐn)?shù)；c——20點位通風(fēng)管長度變化前氡質(zhì)量分?jǐn)?shù);d——20點位通風(fēng)管長度變化后氡質(zhì)量分?jǐn)?shù)圖3 典型模擬點位氡濃度變化情況a——10 point ventilation pipe length before the change in radon mass fraction; b——10 point ventilation pipe length change;c——20 point ventilation pipe length before the change in radon mass fraction; d——20 point ventilation pipe length changeFig.3 Typical simulated point radon concentration changes

降低幅度<00%～10%10%～20%20%～30%30%～40%40%～50%>50%點位個數(shù)2688421

結(jié)果表明，更改通風(fēng)管長度可有效降低井下氡濃度。其理論基礎(chǔ)是井下通風(fēng)措施優(yōu)化導(dǎo)致風(fēng)場發(fā)生變化，進(jìn)而優(yōu)化了井下通風(fēng)效果，降低了氡濃度。本研究提供的方法僅是降氡措施的一種，其他如改變井下通風(fēng)量，局部涂抹防氡涂料等都會對降氡有一定效果，具體降低數(shù)值需要建模計算，可在工程優(yōu)化措施實施之前對其進(jìn)行模擬論證，確保工程優(yōu)化措施有效性。

4 結(jié)論

首次利用ANSYS Workbench15.0軟件對某鈾礦山一個中段通風(fēng)管道長度變化前后的氡濃度情況進(jìn)行了模擬分析，通過中段整體建模、通風(fēng)管道模型、網(wǎng)格劃分、參數(shù)設(shè)置、運行計算等，得到了通風(fēng)管道變化前后的氡濃度模擬結(jié)果。經(jīng)分析，在其他條件不變的情況下，排風(fēng)管長度變化可有效降低井下氡濃度，該方法可在工程優(yōu)化措施實施前論證其有效性，可為后期實施提供有效依據(jù)。

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