包含大块度不均匀爆破铀矿堆的受限空间内氡运移的耦合动力学模型及数值模拟

地下采场是铀矿山井下重要的作业场所，也是氡及子体产生和集聚的重要场所。本项目通过实验研究地下铀采场爆破铀矿堆的空隙率、气体渗透率和可运移氡量与矿堆物理特征参数之间的关系，运用非线性预测理论分别建立爆破铀矿堆的空隙率、气体渗透率以及可运移氡量的非线性预测模型。将充填法、留矿法（空场法）和崩落法等常规采矿方法铀采场抽象为包含大块度不均匀爆破铀矿堆的受限空间，建立该受限空间内氡渗流-扩散-对流运移的耦合动力学模型及数值计算模型，实现对采场氡运移过程的动态模拟，优化采场布置结构、通风参数和受限空间的气流组织，达到动态控制爆破铀矿堆氡析出量和采场作业空间的氡及氡子体浓度的目的。本项目对深入揭示通风作用下采场爆破铀矿堆内氡运移与析出规律以及受限作业空间的排氡规律，进一步丰富和发展采场通风控氡和排氡理论，改善地下采场的作业环境，保障采场作业人员的身体健康，具有重要的学术价值和现实意义。

地下采场和独头采矿巷道是铀矿山井下重要的作业场所，也是氡及氡子体产生和集聚的重要场所。本项目基于氡渗流-扩散迁移理论，以单个矿石氡析出模型为基础，将采场和独头采矿巷道内爆破铀矿石堆抽象为多粒径矿石堆积集合体，建立了多粒径矿石堆积集合体的氡渗流-扩散迁移动力学方程，提出了爆破铀矿石堆的氡渗流析出率的理论计算模型，研究了留矿法采场内爆破铀矿石堆的氡渗流析出规律。基于核素衰变理论和紊流传质理论，针对包含与不包含爆破铀矿石堆的两种作业情况，分别建立了压入式、抽出式和压抽混合式等三种通风方式的独头采矿巷道内氡及氡子体浓度的计算模型，研究了不同通风方式独头采矿巷道内氡及氡子体浓度的分布规律。基于质量守恒定律和置换通风理论，建立了爆破后压入式和抽出式通风独头采矿巷道内氡及炮烟的运移模型，分别研究了爆破后压入式和抽出式独头采矿巷道氡的迁移规律。以通风风量和风压为输入变量，分别采用GA-SVM模型、BP神经网络模型和多元非线性回归模型建立了岩石壁面氡析出率的预测模型。基于多孔射气介质的氡纯扩散迁移理论，提出了确定破碎铀矿石堆的氡扩散系数和可运移氡产生率的反演模拟方法。设计并制作了一维氡纯扩散迁移与析出实验装置，研究了静态含水率变化对破碎射气介质氡析出率的影响规律。基于多孔射气介质的氡渗流-扩散迁移理论，设计并制作了多功能的一维氡渗流－扩散实验装置，研究了可运移氡产生率以及渗流速度等物理参数对破碎射气介质内孔隙氡浓度分布和表面氡析出率的影响规律，以及含水率动态变化对氡析出率的影响规律。设计并制作了三维采场实验模拟装置，研究了采场结构、通风方式和通风风量对铀矿石堆氡运移和析出的影响规律。以地下采场和独头采矿巷道为研究对象，将其抽象为包含大块度不均匀爆破铀矿石堆的受限空间，并将爆破铀矿石堆简化为匀质孔隙介质，建立了该受限空间内氡渗流-扩散-对流运移的耦合动力学模型及数值计算模型，研究了通风方式、风流方向和通风风量对爆破铀矿石堆的氡析出量和作业空间氡浓度的影响规律。本项目研究成果进一步丰富和发展了破碎射气介质氡渗流-扩散迁移理论，深入揭示了通风作用下采场和独头采矿巷道爆破铀矿堆内氡运移与析出规律以及受限作业空间的排氡规律，为实现对采场和独头采矿巷道氡运移过程的动态模拟与优化控制提供了理论依据。