通风管道长度变化对铀矿井下氡浓度影响的模拟研究

苏晓书，冀 东，刘 颖，李元岗

(中核第四研究设计工程有限公司，河北 石家庄 050021)

铀矿开采属于天然放射性物质开采的开放型作业，放射性物质向环境释放，会对环境、公众产生影响。因此，必须在铀矿开采过程中采取有效的防护措施，对井下主要危害因素：长寿命气溶胶、γ射线、氡及其子体进行防治[1]。其中，氡及氡子体的内照射对井下工作人员辐射危害最大。据统计，矿工职业照射剂量中由氡及氡子体引起的照射剂量占89.8%，氡及其子体的内照射是防治重点[2-5]。因此，掌握氡在铀矿山井下介质中传输规律以及影响氡浓度迁移分布的因素是提高防护水平，控制井下氡浓度不超过国家标准限值的重要前提[6]。

目前，国内外未见针对井下通风管道长度变化对氡浓度影响的研究，但英国、荷兰、印度等国对土壤、混凝土、大理石等材料的氡析出率有较深入研究，且利用流体动力学计算模块(CFD)模拟了地下室氡迁移全过程以及室内222Rn、220Rn及其子体的浓度与三维分布。另外，我国研究者也研究了温湿度、孔隙度、含水量、风压等氡析出率影响因素，井下防氡措施的种类及效果，井下通风方式、通风量对氡浓度的影响，这对本研究一些定性分析有指导意义[7-12]。

本研究在完成软件模拟井下风场现状，筛选空气流动性较差位置等前期工作的基础上，有针对性的改变相应位置处通风管道的长度，分析管道长度变化对氡浓度的影响，判断此措施能否起到降低井下氡浓度，为后续工程实施提供理论参考。

1 软件简介

ANSYS是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，内嵌上述各模块所需的数学模型。本研究使用的流体模块，自带质量、动量、能量守恒方程，以及标准k-ε模型、RNGk-ε模型等湍流数学模型。该软件由ANSYS公司开发，能与多数计算机辅助设计(CAD)软件接口，实现数据的共享和交换，是现代产品设计中最为广泛使用的计算机辅助工程(CAE)工具之一，ANSYS Workbench15.0是ANSYS公司出品的新一代仿真平台，可满足多种工程的仿真需要[13]。

本研究利用ANSYS Workbench15.0中流体动力学计算模块(CFD)对矿井进行建模，然后经网格划分、参数设置、模型运算后，观察改变井下通风管长度后对氡运移的影响。

2 铀矿井下模型建立

2.1 模型建立

本研究以江西某矿井的一个中段为模型进行模拟分析，以开采图纸为基准，按照1∶1的比例在坐标系中创建模型，绘图时保证所有巷道均连通。该中段有1个中段车场，1条主巷道，9条主穿，2个采场，详细参数列于表1，平面布置及关注点位情况示于图1。

理论及前期国内外研究成果表明[7-12]，风速、风压、温度、湿度均会对井下氡析出率产生影响，预计本研究中通风管道的变化会对井下整个风场产生影响，进而影响氡浓度。因此，在工程实施前利用ANSYS Workbench15.0软件验证管道变化对氡浓度影响的效果。该中段共有9根通风管，本研究建立的模型调整了其中5根通风管的长度，详细调整方式列于表2。

表1 某矿井中段车场、巷道、主穿参数Table 1 Middle section of a mine yard, roadway, the main wear parameters

图1 铀矿井某中段平面布置及模拟点位图Fig.1 A mid-section uranium mine layout and simulation of bitmap

名称长度变化前/mm长度变化后/mm通风管直径/mm主穿1通风管53 13085 000300主穿2通风管46 37084 000300主穿3通风管62 22096 000300主穿5通风管161 000155 000300主穿7通风管47 78044 000300

2.2 网格划分

由于该中段尺寸较大，故在模型建立过程中，对巷道内流体流动影响较小的巷道壁面的凸起、凹陷、折边等进行光滑化处理。

进行巷道内氡浓度扩散模拟计算时，湍流模型采用k-ε模型。对于本模型，采用非结构化网格的计算结果与采用结构化网格的计算结果相差不大，在可接受范围内，考虑到计算量及计算资源，采用较为简单的非结构化网格进行计算。由于通风管道与巷道尺寸有一定差距，因此对通风管壁面区域进行加密。通风管道长度变化后的模型中一共有3 738 933个节点，17 541 147个网格元素，模型网格质量最小为0.162 7，最大为1，平均值为0.832 62，满足网格质量最小不低于0.1，网格质量平均值高于0.80的要求，可进行数值模拟计算，通风管道长度变化后模型网格划分情况示于图2。

图2 通风管道长度变化后模型网格划分图Fig.2 Model grid division diagram after ventilation duct length change

2.3 边界条件

根据现场情况及相关实测数据，结合数学模型和Fluent数值模拟方法，对区域网格进行自适应等调试，数值模拟参数设定如下：湍流模型采用k-ε模型，系统压力为105 400 Pa；入口边界为velocity inlet类型(速度入口)，入口速度为1.8 m/s，代表风流以一定速度吹进巷道内；水力直径(等效直径)为2 m，湍流强度为3.32%；出口边界为pressure outlet类型(压力出口)，代表排风井出口为压力排出，表压为0 Pa；采场和巷道为mass flow inlet类型，代表氡以一定的析出速率进入计算模型(氡初始浓度为0)。由于采场壁面和巷道壁面的析出率有较大差异，因此依据图1中31个点位处分别设置，不同温湿度下，矿样及岩样氡析出率实测数据：采场1处，氡析出率取值0.58 Bq·m-2·s-1(温度21.5 ℃)，采场2处，氡析出率取值0.55 Bq·m-2·s-1(温度16.8 ℃)，对于围岩处(以10点位为例)氡析出率取值0.005 Bq·m-2·s-1(温度18 ℃)。另外，由于井下壁面较粗糙，采用面积展平法对壁面进行光滑处理，避免氡析出量数值偏小，但该尺度下壁面是否光滑对整体风场影响较小。

混合物材料设置为氡气在空气中扩散，物质输送的问题在物质模型(species model)面板设置，选择组分传输模型。在软件的材料库中，自定义氡气的输入参数(1 Bq氡相当于1.77×10-16g)。在材料面板选取自定义的氡气作为计算材料。

3 模拟结果及分析

3.1 模拟结果

根据现场调研资料和监测数据，经过多次调试，最终将通风管入口的边界条件设置为风扇入口，压力为200 Pa，出口为自然流出边界，通风管中的空气经通风管出口后进入巷道内。

参数设置完全后，通过ANSYS Workbench15.0软件CFD模块计算，通风管长度变化后氡浓度变化情况列于表3。巷道内31个点位氡浓度在通风管道长度变化后也发生了变化。其中，氡浓度降低幅度较大的典型点位，如10点位、20点位的计算结果示于图3。

表3 通风管长度变化后氡浓度变化Table 3 The changes in radon concentration after ventilation

3.2 结果分析

本次研究设置31个预测点位，基本均匀分布于主巷内，有采场的支巷加密预测点位，详见图1。由表4中统计结果可知，当通风管道长度发生变化时，有29个点位氡浓度降低，仅有2个点位氡浓度升高，整体降氡效果较好。

a——10点位通风管长度变化前氡质量分数；b——10点位通风管长度变化后氡质量分数；c——20点位通风管长度变化前氡质量分数;d——20点位通风管长度变化后氡质量分数图3 典型模拟点位氡浓度变化情况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%点位个数2688421

结果表明，更改通风管长度可有效降低井下氡浓度。其理论基础是井下通风措施优化导致风场发生变化，进而优化了井下通风效果，降低了氡浓度。本研究提供的方法仅是降氡措施的一种，其他如改变井下通风量，局部涂抹防氡涂料等都会对降氡有一定效果，具体降低数值需要建模计算，可在工程优化措施实施之前对其进行模拟论证，确保工程优化措施有效性。

4 结论

首次利用ANSYS Workbench15.0软件对某铀矿山一个中段通风管道长度变化前后的氡浓度情况进行了模拟分析，通过中段整体建模、通风管道模型、网格划分、参数设置、运行计算等，得到了通风管道变化前后的氡浓度模拟结果。经分析，在其他条件不变的情况下，排风管长度变化可有效降低井下氡浓度，该方法可在工程优化措施实施前论证其有效性，可为后期实施提供有效依据。

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