降低铀矿气态流出物对周边环境危害的优化方法

摘要

一种降低铀矿气态流出物对周边环境危害的优化方法，在铀矿回风井的井口加装一个锥形喷嘴，通过减小铀矿气态流出物出口的截面积，以增大出口流速和有效释放高度的方式来实现降低周边环境近地空气中污染物浓度的目的。锥形喷嘴出口直径的确定是利用回风井下风方向中心轴线处近地表气态流出物浓度与回风井井口直径D

说明书

技术领域

本发明涉及铀矿开采技术领域，特别是一种在铀矿开采过程中降低铀矿气态流出物对周边环境危害的优化方法。

背景技术

在铀矿开采过程中会产生大量的放射性核素氡及其子体、铀矿尘等有害物质，这些铀矿工业废气、矿尘通过建在岩体2中的回风井1排放到大气中，排放到大气中的这些铀矿工业废气、矿尘会严重污染铀矿周边环境且危害工作人员或附近居民的健康。目前，对铀矿山气态流出物大多采用从回风井1近地表排放，因此铀矿回风井1周边地区一定范围内气态排放物浓度明显高于其他地区，致使矿区工作人员或附近居民受照剂量显著增高。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种降低铀矿气态流出物对周边环境危害的优化方法，通过改变铀矿回风井口径大小，增加气态流出物的有效释放高度来降低废气对周边环境的危害并确保回风井周边居民附加受照辐射剂量处于国家规定的剂量限值以内。

本发明所采用的技术方案是：一种降低铀矿气态流出物对周边环境危害的优化方法，在铀矿回风井的井口加装一个锥形喷嘴，通过减小铀矿气态流出物出口的截面积，以增大出口流速和有效释放高度的方式来实现降低周边环境近地空气中污染物浓度的目的。

研究表明：铀矿回风井气态污染物主要集中于井口周边2000米范围内，在此区域外受污染程度较低；平坦地形下污染物迁移扩散距离最远，且沿回风井下风方向中心轴上的污染物浓度最高。

以高斯烟羽模型为基础推导在通风量和污染物排放量不变的情况下回风井的直径与近地空气污染物浓度的计算公式，通过该公式对回风井的井口进行优化设计，并利用该公式针对平坦地形回风井下风方向中心轴线2000米范围内的近地空气污染物水平进行优化。

首先推导出平坦地形回风井的井口直径与矿井下风方向中心轴线上近地表气态流出物浓度之间的理论公式，理论公式推导过程如下：根据回风井井口加锥形喷嘴前后气态流出物与锥形喷嘴直径之间的关系公式：

                                                                         （1）

式（1）中：S₁为回风井井口的截面积，S₂为锥形喷嘴嘴口的截面积，单位为m²；V₁为加锥形喷嘴前的气态流出物出口速度，V₂为加锥形喷嘴后的气态流出物出口速度，单位为m/s。

根据式（1）求出加锥形喷嘴之后的气态流出物出口流速，再将求得的气态流出物出口流速表达式以及测量得到的气态流出物平均浓度代入气态流出物释放率公式：

                         （2）

式（2）中：Q为释放率，单位为Bq·s^-1；C₀为气态流出物平均浓度，单位为Bq/m³；P为井口气态流出物流率，单位为m³/s；S为回风井和锥形喷嘴任一监测面的截面积，单位为m²；V是回风井和锥形喷嘴任一监测面气态流出物的平均流速，单位为m/s。

根据式（2）求得气态流出物释放率与井径之间的关系：

                              （3）

式（3）中：Di为回风井井口直径，单位为m。

已知烟羽有效释放高度h与回风井井径以及气态流出物出口流速三者之间的关系：

                              （4）

式（4）中：h为回风井烟羽有效释放高度，单位为m；u_s 是回风井井口高度处平均风速，单位为m/s； h_s为回风井井口离地面高度，单位为m。

将（3）式中V的表达式代入（4）式中，即求得烟羽有效释放高度与回风井井径两者之间的关系：

                            （5）

最后将烟羽有效释放高度公式代入回风井下风方向中心轴线处的高斯烟羽扩散模型公式中：

                        （6）

式（6）中：X（x,0,0）表示回风井下风方向中心轴线x米处的矿井气态流出物浓度，单位为Bq·m-3 ； 是纵向扩散参数，单位为m；u是烟羽有效释放高度处风速，单位为m/s；根据式（6）推导出回风井下风方向中心轴线上气态流出物浓度与回风井井径之间的表达式：

     （7）

根据布里格斯方法并由公式：

                  （8）

                   （9）

求出（7）式中的参数。

令 、并代入（7）中可得下式：

                  （10）

该式即为简化后的回风井下风方向中心轴线处近地表气态流出物浓度与回风井井口直径D_i之间的理论公式。

利用（10）式计算出回风井下风方向中心轴上2000米范围内近地空气污染物浓度的分布，通过减小井口直径D_i来降低井口周边空气污染物浓度，当污染物浓度不再随井口直径D_i的减小有较大变化时，即能得到最优化的回风井井口直径D_i，该井口直径D_i即为锥形喷嘴出口直径，从而实现铀矿回风井周边气态污染物防控的优化。

本发明与现有技术相比具有如下特点：

（1）本方法在不改变矿山运行工况和增加通风量的情况下，采用在回风井井口添加锥形喷嘴的方式就达到降低铀矿周边环境中气态流出物浓度的目的。因此该方法不仅具有较强的可行性，还具备良好的经济性，其广泛适用于各类矿山回风井污染物防治。

（2）本方法通过建立喷嘴口径与回风井周边近地空气气态流出物浓度的理论计算公式，可方便快速预测不同井径下矿井周边任意位置的气态流出物浓度水平，实现对锥形喷嘴出口直径的优化。

以下结合附图和具体实施方式对本发明的详细结构作进一步描述。

附图说明

附图1为现有铀矿回风井口的排放示意图；

附图2为加锥形喷嘴后铀矿回风井口排放示意图；

附图3为锥形喷嘴出口直径分别为1米、2米和3米时，A回风井下风向中轴线上3000米范围内各监测点近地空气中附加氡浓度曲线图。

具体实施方式

一种降低铀矿气态流出物对周边环境危害的优化方法，在铀矿回风井1的井口加装一个锥形喷嘴3，通过减小铀矿气态流出物出口的截面积，以增大出口流速和有效释放高度的方式来实现降低周边环境近地空气中污染物浓度的目的。

研究表明：铀矿回风井气态污染物主要集中于井口周边2000米范围内，在此区域外受污染程度较低；平坦地形下污染物迁移扩散距离最远，且沿回风井1下风方向中心轴上的污染物浓度最高。

以高斯烟羽模型为基础推导在通风量和污染物排放量不变的情况下回风井1的直径与近地空气污染物浓度的计算公式，通过该公式对回风井1的井口进行优化设计，并利用该公式针对平坦地形回风井1下风方向中心轴线2000米范围内的近地空气污染物水平进行优化。

首先推导出平坦地形回风井1的井口直径与矿井下风方向中心轴线上近地表气态流出物浓度之间的理论公式，理论公式推导过程如下：根据回风井1井口加锥形喷嘴3前后气态流出物与锥形喷嘴3直径之间的关系公式：

                          （1）

式（1）中：S₁为回风井1井口的截面积，S₂为锥形喷嘴3嘴口的截面积，单位为m²；V₁为加锥形喷嘴3前的气态流出物出口速度，V₂为加锥形喷嘴2后的气态流出物出口速度，单位为m/s。

根据式（1）求出加锥形喷嘴3之后的气态流出物出口流速，再将求得的气态流出物出口流速表达式以及测量得到的气态流出物平均浓度代入气态流出物释放率公式：

                         （2）

式（2）中：Q为释放率，单位为Bq·s－1；C₀为气态流出物平均浓度，单位为Bq/m3；P为井口气态流出物流率，单位为m³/s；S为回风井1和锥形喷嘴3任一监测面的截面积，单位为m²；V是回风井1和锥形喷嘴3任一监测面气态流出物的平均流速，单位为m/s。

根据式（2）求得气态流出物释放率与井径之间的关系：

                              （3）

式（3）中：Di为回风井1井口直径，单位为m。

已知烟羽有效释放高度h与回风井1井径以及气态流出物出口流速三者之间的关系：

                              （4）

式（4）中：h为回风井1烟羽有效释放高度，单位为m；u_s 是回风井1井口高度处平均风速，单位为m/s； h_s为回风井1井口离地面高度，单位为m。

将（3）式中V的表达式代入（4）式中，即求得烟羽有效释放高度与回风井1井径两者之间的关系：

                            （5）

最后将烟羽有效释放高度公式代入回风井1下风方向中心轴线处的高斯烟羽扩散模型公式中：

                        （6）

式（6）中：X（x,0,0）表示回风井1下风方向中心轴线x米处的矿井气态流出物浓度，单位为Bq·m-3 ； 是纵向扩散参数，单位为m；u是烟羽有效释放高度处风速，单位为m/s；根据式（6）推导出回风井1下风方向中心轴线上气态流出物浓度与回风井1井径之间的表达式：

     （7）

根据布里格斯方法并由公式：

                  （8）

                   （9）

求出（7）式中的参数。

令 、并代入（7）中可得下式：

                  （10）

该式即为简化后的回风井1下风方向中心轴线处近地表气态流出物浓度与回风井1井口直径D_i之间的理论公式。

利用（10）式计算出回风井1下风方向中心轴上2000米范围内近地空气污染物浓度的分布，通过减小井口直径D_i来降低井口周边空气污染物浓度，当污染物浓度不再随井口直径D_i的减小有较大变化时，即能得到最优化的回风井1井口直径D_i，该井口直径D_i即为锥形喷嘴3出口直径，从而实现铀矿回风井1周边气态污染物防控的优化。

利用本发明对某铀矿山A回风井气态流出物氡的排放进行优化设计，在A回风井流出氡释放率、流量和风速等参数不变的情况下，分别加装出口直径为1米、2米、3米、5米、5米、7米、9米的锥形喷嘴，并利用本发明的理论公式，计算出以铀矿A回风井为中心3000米范围内下风方向中心轴线上各监测点近地空气中的氡附加浓度，化设计中采用该回风井参数进行计算，如表一所示：

表一  计算参数

利用公式（10）计算出3000米范围内在不同锥形喷嘴直径下回风井下风方向中心轴线上各监测点近地空气中附加氡浓度，算结果如表二和表三所示：

表二  不同井径下回风井流出氡的迁移扩散模拟结果

 表三  不同井径下回风井流出氡的迁移扩散模拟结果

从表二和表三看出，A回风井流出氡在大气中的迁移扩散对井径变化十分敏感，特别是从100米～500米距离范围内，口内径越小下风向各点近地空气附加氡浓度越低。

附图3是锥形喷嘴出口直径分别为1米、2米和3米时，A回风井下风向中轴线上3000米范围内各监测点近地空气中附加氡浓度曲线图。

结果表明：当加装的锥形喷嘴后，A回风井周边近地空气氡浓度将明显降低；当喷嘴直径为1米时，回风井周边3000米范围内下风方向中心轴线上近地空气中附加氡浓度均低于国家规定的限值（约20Bq/m3），该结果达到优化的目标且满足辐射防护安全的要求。