三差耦合的深部铀矿井氡析出机理与排氡风量计算模式的研究

As the rapid development of nuclear power in China, the demand of natural uranium rocketed, underground mining uranium mine will speed up to go deeper, with mining depth of 600-1000 meters, uranium deep mining will face a series of complex technical problems; The high temperature surrounding rock caused by deep geothermal heat will enlarge the radon diffusion coefficient and the radon exhalation rate. Three differential mechanism of radon exhalation which is driven by poor concentration, pressure difference and temperature difference will become more complicated. Convection radon exhalation temperature difference will be strengthened, and further study on the three difference coupling relations of radon emanation is needed, then adaptive radon ventilation air volume calculation method and calculation model should be proposed, so that, a scientific basis for design of uranium mine ventilation and radon exhaust in deep mining of uranium mine will be provided. This topic is proposed by typical high temperature uranium mine field test and indoor radon exhalation three difference coupling simulation test. Based on the analysis and prediction of the temperature field distribution rule of high temperature surrounding rock, we utilize nonlinear prediction theory combining heat and mass transfer theory, thermal dynamic theory, theory of radioactive decay and numerical simulation method, to set up the three difference coupling model of radon exhalation in high temperature surrounding rock in deep uranium mines for the first time, and to handle the concentration distribution of radon and its progeny in the working face of deep high temperature surrounding rock. This topic is of great practical significance for ensuring radiation safety in the deep uranium ore mining.

国家积极发展核能，天然铀的需求量急增，地下开采的铀矿山将加速向深部发展，已出现开采深度达600-1000米的铀矿井，铀矿深部开采时将面临一系列复杂的技术难题；深部地热造成的高温围岩将导致工作面氡的扩散系数变大、氡析出率增大，以浓度差、压力差、温度差为动力的三差氡析出机理更为复杂，温差对流氡析出作用将会强化，亟需进一步研究氡析出的三差耦合关系，提出适应深部铀矿井围岩条件的通风排氡风量计算方法和计算模式，为深部开采的铀矿通风排氡设计提供科学依据。本课题拟通过典型高温铀矿井的现场试验和室内氡析出三差耦合模拟试验，在分析、预测高温围岩温度场分布规律的基础上，运用非线性预测理论综合传热传质理论、热动力学理论、放射性衰变理论、数值模拟方法，在深部铀矿井首次建立高温围岩氡析出三差耦合模型，掌握深部高温围岩工作面的氡及子体浓度分布规律，本课题对保证深部铀矿开采的辐射安全具有重大的实际意义。

深部铀资源开采是未来获取铀资源的重要方向之一。氡的防治是井下辐射安全防护方面的核心工作，因此深部铀矿围岩中氡的耦合析出规律研究是着眼于深部铀矿防氡的重要基础研究课题，它对于改善深部铀矿辐射环境状况、促进铀矿资源的开发利用具有重要的工程与现实意义。.将深部高温铀矿围岩抽象为多孔射气介质，通过运用理论分析、相似模拟、模型试验及参数敏感性分析等研究手段，开展了多孔射气介质中氡的耦合析出特征试验及理论研究，本课题取得以下研究成果：.（1）基于相似理论原理，选取湘南某深埋花岗岩为原型材料，以石英砂与铀尾砂的混合料为骨料，C42.5水泥为胶结料，微硅粉和精铁粉为掺合料，减水剂与早强剂为外加剂，以及蒸馏水为原材料，制备了满足相似理论及耦合试验要求的花岗岩型铀矿岩的相似材料，同时进行了相应的物理力学测试试验，并通过极差分析法获取了最优化配比，同时对不同配比试样的放射性参数进行了测试与比较分析。.（2）基于不同边界条件下多孔介质氡析出迁移模型，设计并研制了实现不同功能的适应深部热湿耦合状态下多孔射气介质氡析出测试的试验装置，分别可以适配于高温高压、含水饱和度、超声波振动、压力梯度热湿耦合、低频扰动热湿耦合及多维耦合氡析出试验系统，基于SOLIDWORKS建模仿真软件对装置的结构进行了相应的设计。.（3）按前述相似材料质量配合比，制备了不同尺寸的模拟铀矿围岩介质，采用所研制的多孔射气介质中氡析出耦合试验系统对其进行了室内模拟测试试验，考察了试样含水饱和度、温度、JRC值、超声波振动、通风换气强度和低频扰动作用对氡析出的影响规律；获得氡射气系数与氡扩散系数随同因素条件的变化曲线，描述了多因素耦合作用下多孔射气介质温度和含水饱和度随时间的重分布特征，探讨了多孔射气介质中氡耦合析出的时效特性产生的机理，丰富了多孔射气介质中氡析出理论，为深部铀矿氡的防护提供了科学依据。.研究成果将对深部热湿三差作用下铀矿岩开采的工程建设安全性与稳定性评价具有重要的现实意义，且通过氡的析出迁移量与对应排氡风量压力梯度之间关系的探究，对提高巷道采场设计研究也有重要参考价值。