1.2.4 Выделение радона в рудничную атмосферу.

ЭМАНАЦИЯ –Em, название, часто употребляемое применительно к любому из природных изотопов радона (²¹⁹Rn - актинон,²²⁰Rn - торон,²²²Rn - "истинный" радон).

Ранее эманацией называли сам химический элемент радон.

ЭМАНИРОВАНИЕ –эманирующая способность, выделение в окружающую среду твёрдыми веществами, содержащими радий, радиоактивного газа радона (эманации).

В геологии эманацию иногда также характеризуют количеством радона, выделяемого 1 г горной породы за определённое время; в этом случае при прочих равных условиях эманации, температура выше, чем больше радия в образце. Поэтому, сравнивая эманацию исследуемой породы и образца, концентрация радия в котором известна, можно оценить содержание радия в анализируемой горной породе.

На измерении эманации основан эманационный метод исследования твёрдых веществ, а также метод поиска радиоактивных руд и минералов. С. С. Бердоносов.

Исследования процесса выделения радона из горных пород проводятся уже несколько десятков лет, а библиография насчи­тывает сотни наименований. Неослабевающий интерес к этой проблеме объясняется тем, что эксхаляция радона с земной по­верхности создает повышенную радиационную опасность для значительной части населения Земли.

Что касается радиационной обстановки в руднике, то она главным образом зависит от интенсивности выделения радона в рудничную атмосферу.

Вместе с тем уверенное прогнозирование дебита радона ос­тается сложнейшей задачей, которая решается более или менее успешно только на основе метода аналогий и при условии, что по месторождению собран значительный объем эксперимен­тальных данных. Главные трудности связаны с большим числом факторов, влияющих на процесс радоновыделения и с вариабельностью геолого-геофизических и горнотехнических условий разработки месторождений.

Уже в первых работах, посвященных проблеме радона в руд­никах, были сделаны попытки найти обобщенные показатели, которые можно было бы использовать для прогнози­рования радоновыделения в горные выработки. А.В. Быховский предложил, а Л.Д. Салтыков и другие развили и применили на практике понятие "удельного эквивалентного радоновыделения" (УЭР), характеризующего дебит радона с единицы "эквивалентно эманирующей поверхности" (ЭЭП), т.е. с единицы обнаженной поверхности горной выработки, приведенной к содержанию урана в руде, равному 1 %, и коэффициентам сдвига радиоактив­ного равновесия между ураном и радием и эманирования, рав­ным единице:

(1.5)

где D_i - дебит радона с участка горной выработки, Бк/с с пло­щадью обнаженной поверхности S_выр, м², средним содержанием урана в стенках C_U, %, при значении коэффициента сдвига радио­активного равновесия K_рр и коэффициента эманирования К_эм, отн. ед.

Понятие УЭР широко применялось в течение многих лет для характеристики интенсивности радоновыделения и для прогноза дебита радона в рудничную атмосферу. Однако по мере накопления экспериментальных данных выяснилось, что значе­ния УЭР меняются в очень широком диапазоне даже в пределах одного рудника.

В частности, установленные Л.Д. Салтыковым и другими на одном из рудников значения УЭР находились в диапазоне от nּ10² Бк/(см²ּ%) на верхних горизонтах до nּ10^-1 Бк/(сּм²ּ%) на нижних горизонтах. Экспери­ментально было подтверждено непостоянство дебита радона во време­ни. Так, в одном из рудных штреков дебит радона изменялся в диапазоне от 40 до 380 кБк/с в зависимости от положения вен­тиляционных дверей, изменявшего перепад давления воздуха между данным штреком и другими горными выработками. Зависимость дебита радона от количества, подаваемого в рудник воздуха, отмечается во многих работах.

Все эти данные свидетельствуют о том, что фильтрационный механизм переноса радона в горном массиве играет существенную роль. Косвенным образом об этом говорит и сравнение фактических значений УЭР, Бк/(сּм²ּ%), с теоретическими, рассчитанными по формуле (1.5), полученной для дебита радона из плоской "бесконечной" стенки при чисто диффузионном процессе радоновыделения:

(1.6)

где К_Д- кажущийся (без учета пористости) коэффициент диффузии радона в массиве, см²/с;λ- постоянная распада радона, равная 2,1ּ10^-6с^-1;δ- объемная масса горных пород (руд), г/см³.

С учетом числовых значений λ = 2,1ּ10^-6с^-1иδ= 2,5 г/см³имеем УЭР, кБк/(сּм²ּ%):

(1.7)

Поскольку коэффициент диффузии радона даже в наиболее пористых и трещиноватых породах не превышает 5ּ10^-2см²ּс^-1, а чаще всего лежит в диапазоне 10^-5–10^-3см²с^-1, ожидаемые в соответствии с (1.6) значения УЭР находятся в основном в пределах 0,02–0,15 кБк/(см²ּ%) и принципиально не могут быть выше 1 кБк/(сּм²ּ%). Между тем экспериментально определенные среднерудничные значения УЭР обычно близки к 2 кБк/(сּм²ּ%), а в отдельных случаях достигают даже 150 кБк/(см²ּ%).

Следовательно, фильтрационные потоки воздуха в горном массиве, возникающие под действием перепада давления воздуха между горными выработками, значительно увеличивают интенсивность радоновыделения, и это обстоятельство необходимо учитывать при прогнозировании дебита радона.

Аэродинамическое сопротивление пор и микротрещин в отдельностях трещиноватого рудного массива (тем более если они насыщены водой) во много раз выше, чем аэродинамическое сопротивление макротрещин, а фильтрационные потоки воздуха внутри отдельностей обычно пренебрежимо малы.

В общем процессе выделения радона в рудничную атмосферу можно выделить три этапа.

1 этап. Происходит эманирование радона,т.е. выделение его из кристаллической решетки минерала в свободное состояние в поры горных пород. Как правило, выделяется не весь радон, а только его определенная часть. Доля высвободившегося радона характеризуется коэффициентом эманирования Кэм. Кэм для горных пород(граниты, кварцы, песчаники, известныки) лежит в пределах 0,11 – 0,22.

Кэм для урановых рудников находится в широких пределах 0,08 – 0,76.

По-видимому, в основе процесса эманирования лежит радиоактивная отдача ядер радона в момент испускания ими альфа-частиц. За счет энергии отдачи (порядка 10⁵эВ) атомы радона вырываются из кристаллической решетки минерала. Часть из них пересекает на своем пути поры и капилляры породы. Дальнейший процесс выделения радона из рудного массива зависит от размеров «отдельностей» руды, ее общей пористости, диаметра и конфигурации пор и капилляров, температуры, коэффициента диффузии и т.д.

2 этап. На втором этапе радон диффундирует в порах и микротрещинах «отдельностей» рудного массива. За время диффузии часть радона распадается, поэтому в макротрещины между «отдельностями» породы попадает только часть свободного радона. Доля радона, который выделился в макротрещины, зависит от коэффициента диффузии радона в «отдельностях» и от их размеров.

3 этап. На этом этапе происходит фильтрационно-диффузное распространение радона по макротрещинам. Происходит дальнейший распад радона. Доля окончательно высвободившегося из горных пород радона зависит от:

-состава породы,

-скорости фильтрации радона по трещинам,

-проницаемости пород,

-перепада давления воздуха между горными выработками (от движения воздушных масс в выработке, обусловленного вентиляцией рудника).

Следует отметить, что второй и третий этапы процесса радоновыделения взаимосвязаны, так как концентрация радона в макротрещинах массива оказывает влияние на процесс диффуз­ного распространения радона в отдельностях массива (см. разд. 2.3). Поэтому значение коэффициента β_Мдает суммарную количест­венную характеристику второму и третьему этапам процесса, а коэффициентβ_Киспользуется для промежуточных расчетов, а также для оценки радоновыделения из массива отбитой и замагазинированной руды, в котором скорость фильтрации воздуха настолько велика, что распадом радона в межкусковом простран­стве можно пренебречь.