Міністерство палива та енергетики України

Державний Макіївський науково-дослідний інститут
з безпеки робіт у гірничій промисловості

(МакНДІ)

Короленко Олена Євгенівна

УДК 622.546.296

Закономірності формування
радіаційної обстановки
та її контроль у вугільних шахтах України

05.26.01 - Охорона праці

Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Макіївка-2001

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Державному Макіївському науково-дослідному інституті з безпеки робіт у гірничій промисловості (МакНДІ) Міністерства палива та енергетики України.

Науковий керівник

доктор технічних наук, професор Бобрів Анатолій Іванович, Донецький експертно-технічний центр Держнаглядохоронпраці України, заступник начальника.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук Кошуба Олег Іванович, Державний Макіївський науково-дослідний інститут з безпеки робіт у гірничій промисловості, завідуючий лабораторією боротьби з рудниковим пилом;

кандидат технічних наук Ковалевський Леонід Іванович, Східний гірничозбагачувальний комбінат, провідний інженер відділу радіаційної безпеки.

Провідна установа

Науково-дослідний інститут гірничорятувальної справи Міністерства палива та енергетики України, м. Донецьк.

Захист відбудеться “ 05 ” жовтня 2001 р. о 13 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради К 12.834.01 Державного Макіївського науково-дослідного інституту з безпеки робіт у гірничій промисловості за адресою: 86108, м. Макіївка Донецької обл., вул. Лихачова, 60.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці МакНДІ за адресою: 86108, м. Макіївка Донецької обл., вул. Лихачова, 60.

Автореферат розісланий 04 вересня 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

К 12.834.01, кандидат технічних наук,

старший науковий співробітник Кудінов Ю.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Відповідно до законодавства України кожна людина має право на захист від впливу іонізуючого випромінювання. Воно реалізується здійсненням комплексу заходів для попередження впливу іонізуючого випромінювання понад установлених дозових меж.

Дослідженнями, проведеними в міжнародному масштабі, установлено, що у вугільних шахтах має місце хронічне опромінення підземного персоналу від джерел іонізуючого випромінювання природного походження, що сприяє розвитку рака легень і пригнічує імунну систему організму.

До початку виконання даної роботи в Україні були відсутні узагальнені дані про рівні і значимість радіаційно-небезпечних факторів у вугільних шахтах. Не було вивчене формування радіаційної обстановки в гірничих виробках у залежності від умов їх проведення та експлуатації. Були відсутні нормативні документи з радіаційної безпеки в галузі.

В Україні близько 200 вугільних шахт, у яких трудиться майже 500000 гірників. Оцінка і контроль радіаційного впливу на цей численний контингент трудящих є актуальною задачею, що має велике соціально-економічне значення для зниження рівня професійної захворюваності.

Зв'язок роботи з науковими програмами інституту. Дана робота заснована на результатах виконання галузевої програми N1719321000 "Провести попереднє обстеження радіаційної обстановки у вугільних шахтах України", а також 12 госпдоговірних НДР по детальному обстеженню радіаційної обстановки в гірничих виробках вугільних шахт. У зазначених роботах автор брала участь у якості виконавця, відповідального виконавця і керівника.

Мета і задачі досліджень. Мета роботи: виявити закономірності формування радіаційної обстановки, що дозволяють контролювати рівні радіаційно-небезпечних факторів у гірничих виробках вугільних шахт для зниження дозового навантаження на підземний персонал.

Для досягнення зазначеної мети поставлені і вирішені наступні задачі:

1. Установити рівні і значимість радіаційно-небезпечних факторів (РНФ) у вугільних шахтах України.

2. Визначити природну радіоактивність вугілля і вміщувальних порід.

3. Виявити залежність радіаційної обстановки у виробках вугільних шахт від гірничотехнічних і гірничо-геологічних умов їх проведення. 4. Розробити аналітичні моделі радоновиділення і спосіб оцінки радононебезпечності для гірничих виробок вугільних шахт. 5. Обґрунтувати положення нормативно-методичного документа з радіаційного контролю у вугільних шахтах України.

Об'єкт дослідження: радіаційна обстановка в гірничих виробках вугільних шахт України.

Предмет дослідження: рівні радіаційно-небезпечних факторів; природна радіоактивність вугіль і вміщувальних порід; накопичення радону і продуктів його розпаду у виробках у залежності від гірничотехнічних і гірничо-геологічних умов їх проведення й експлуатації.

Методи дослідження: Дані про рівні радіаційно-небезпечних факторів у гірничих виробках і радіоактивність вугіль і вміщувальних порід аналізувалися методами математичної статистики. Накопичення РНФ у виробках вивчалося в ході гірничо-експериментальних робіт. Результати експериментів обгрунтовані аналітичними дослідженнями з застосуванням математичного аналізу.

наукова новизна отриманих результатів. У ході виконання даної роботи уперше для вугільних шахт України установлено: радіаційно-небезпечні фактори по значимості розташовані в наступному порядку: пилорадіаційний фактор, продукти розпаду радону і торону, радон, гама випромінювання; вміст окремих природних радіонуклідів і сумарна активність для вугіль і вміщувальних порід Донбасу мають великий розкид, при цьому 95% значень укладається у вузький інтервал, зміщений убік малих величин; причинами формування несприятливої радіаційної обстановки у виробках є наступні гірничотехнічних і гірничо-геологічні умови: витоки з місць накопичення радону і продуктів його розпаду; низька кратність повітрообміну; аномально високий вміст природних радіонуклідів у породах, пересічних виробкою; у вугільних шахтах у залежності від конкретних гірничо-геологічних і гірничотехнічних умов реалізуються конвективна і фільтраційна моделі надходження радону у виробки; оцінка радононебезпечності виробок здійсненна на підставі аналітичного моделювання радоновиділення і накопичення продуктів розпаду радону у виробках.

Практичне значення отриманих результатів складається в розробці й обґрунтуванні ряду положень "Керівництва з оцінки і контролю радіаційної обстановки у вугільних шахтах України" КД 12.5.005-94, затвердженого Держвуглепромом і узгодженого Міністерством охорони здоров я України. З урахуванням результатів виконаних досліджень у "Правила безпеки у вугільних шахтах" внесена вимога про обов'язкове проведення радіаційного контролю на всіх діючих і споруджуваних шахтах (п.8.1.14, редакція 2000 р).

Використання результатів роботи складається в:

- застосуванні МакНДІ й іншими спеціалізованими організаціями "Керівництва..." при проведенні радіаційного контролю у вугільних шахтах;

- застосуванні МакНДІ розробленого програмного забезпечення для обробки результатів виміру рівнів радіаційно-небезпечних факторів , а також способу оцінки радононебезпечності виробок і критерію визначення причин

- формування несприятливої радіаційної обстановки для розробки протирадіаційних заходів.

Особистий внесок здобувача складається в постановці мети, задач, обґрунтуванні і розробці методів досліджень; проведенні досліджень у вугільних шахтах, обробці й узагальненні отриманих результатів; аналітичному дослідженні процесів радоновиділення і накопичення радону і продуктів його розпаду у виробках вугільних шахт; розробці й обґрунтуванні ряду положень “Керівництва з оцінки і контролю радіаційної обстановки на вугільних шахтах”.

Апробація результатів досліджень. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на міжнародній науково-практичній конференції “Захист від техногенно посиленого впливу джерел іонізуючого випромінювання природного походження” (Польща, 1996 р.), на семінарах по підвищенню кваліфікації викладачів кафедри РКР ДонДТУ (квітень - травень 2000 р.), науково-технічній раді МакНДІ (1994, 1999, 2000 рр.), міжнародному симпозіумі “Геотехнологічні аспекти використання підземного простору” (Дніпропетровськ, 2001 р.).

Публікації. Результати дисертаційних досліджень опубліковані в 10 роботах.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку літератури з 79 найменувань, містить 120 сторінок основного тексту, 18 малюнків, 13 таблиць, 2 додатка. Загальний обсяг роботи 155 сторінок.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми роботи, показана важливість проведених у роботі досліджень для забезпечення здорових і безпечних умов праці по радіаційному факторі у вугільних шахтах України. Сформульовано мету і задачі досліджень, показана їх новизна і практична цінність.

У першому розділі за даними вітчизняних (А.С. Сердюкова, І.В.Павлов, М.В. Терентьєв, В.М. Мельниченко, М.Д. Кривицький і ін.) і закордонних (Й.Лебецка, Я.Сковронек, С.Бернхард і ін.) досліджень установлено, що характерними для вугільних шахт радіаційно-небезпечними факторами є радон, дочірні продукти розпаду радону (ДПР) і торону (ДПТ), зовнішнє гамма-опромінення і пилорадіаційний фактор (ПРФ) - інгаляційне надходження природних радіонуклідів в організм гірників з рудниковим пилом. При цьому рівні опромінення в ряді випадків перевищують припустимі величини. Для шахт України дані є не повними, відсутня їх систематизація і статистична обробка. Розглянуто існуючі аналітичні моделі радоновиділення в гірничих виробках. Вони розроблені тільки для уранових рудників (Л.Д. Салтиков, І.В. Павлов, Л.І.Ковалевський, Ж. Сімінг і ін.) Установлено, що вміст ізотопів радону і продуктів їх розпаду в атмосфері залежить від умов проведення виробок. При цьому аналітичний опис радоновиділення, що враховує гірничотехнічні і гірничо-геологічні умови вугільних шахт, відсутній. Проведено аналіз структури радіаційного контролю за рубежем на підставі матеріалів регулюючих органів і нормативних документів. Структура, обсяг і регламент радіаційного контролю в різних країнах різні і відповідають конкретним умовам розробки. На Україні до початку дійсної роботи систематичний радіаційний контроль не проводився, була відсутня його нормативно-методична база. Викладене показує необхідність рішення поставлених у роботі задач для зниження дозового навантаження на підземний персонал вугільних шахт України.

В другому розділі проведено вибір, розрахунок і обґрунтування точнісних характеристик вимірів рівнів РНФ у гірничих виробках вугільних шахт. Установлено, що при використанні методик, викладених у документації приладів і нормативно-методичних документах, похибка виміру потужності експозиційної дози гамма-випромінювання дозиметром ДРГ-11Т не перевищує 29%; похибка виміру активності радону радіометричною установкою РГГ-01Т – 30%; похибка виміру величини “прихованої енергії” ізотопів радону радіометром РГА-01Т- 35% і похибка виміру активності природних радіонуклідів - 23%. Точнісні характеристики вимірів відповідають вимогам Державних стандартів у межах рівнів вимірюваних величин, регламентованих нормативними документами з радіаційної безпеки.

Описано методику вимірів рівнів радіаційно-небезпечних факторів у гірничих виробках, прийняту відповідно до вимог нормативно-методичних документів Міністерства охорони здоров я України. Автором розроблено програмне забезпечення для обробки результатів на ПЕОМ. Статистичний аналіз виконаний за допомогою програмного пакета “Statistica-5”.

У третьому розділі досліджені рівні і значимість радіаційно-небезпечних факторів у вугільних шахтах України. Вивчено природну радіоактивність вугіль і вміщувальних порід, установлені закономірності формування радіаційної обстановки у вугільних шахтах.

Рівні і значимість РНФ визначалися за результатами вимірів, проведених у 1992-1994рр у ході обстеження всіх 273 діючих на той момент в Україні шахт. В обстеженні шахт брали участь МакНДІ (керівник М.Д.Кривицький), НТЦ “КПРВ” (керівник В.М.Мельниченко), УкрНТЕК (керівник В.П.Нєлєпа), СЦ “Вуглеізотоп” (керівник В.І.Попсуєв), ДонНЦ ГП і ПТ (керівник Д.О. Ластков), НВО “Респіратор” (керівник Б.І.Кошовський). Усі дані передавалися в МакНДІ, де автор проводила їхню систематизацію та обробку.

Установлено, що рівні радіаційно-небезпечних факторів коливаються в широких межах, при цьому середні значення зміщені убік малих величин (табл.1).

Таблиця 1

Рівні радіаційно-небезпечних факторів у гірничих виробках

Значення | Фактор

радон, Бк/м3 | ДПР, МеВ/л | ДПТ, МеВ/л | гама-випромінювання, мкР/год

у межах | 6-3864 | 19-8525 | 19-6874 | 8-27

середнє | 50 | 1420 | 883 | 14

нормативне | 5550 | 3840 | 3840 | 50

До радіаційно неблагополучних через наднормативний вміст продуктів розпаду радону і торону в атмосфері виробок віднесені 38% шахт, що входять в основному в об'єднання “Торезантрацит”, “Луганськвугілля”, “Стахановвугілля”, “Ровенькиантрацит”, “Добропіллявугілля”, Сєлідоввугілля”, “Павлоградвугілля”, а також багато шахт Львівсько-Волинського вугільного басейну.

Для визначення дозового навантаження від окремих РНФ і їхньої значимості оброблені дані обстеження радіаційної обстановки в 1423 виробках 190 шахт 18 виробничих об'єднань (табл. 2).

Таблиця 2.

Основні статистичні характеристики розподілу
дозового навантаження

Радіаційно-небезпечний фактор | Ефективна еквівалентна доза, відсоток
припустимого значення

середня | довірчий інтервал Р=0,95 | мінімум | максимум

гама-випромінювання | 3,4 | 3,3 – 3,5 | 0,5 | 6,0

радон | 8,9 | 8,3 – 9,4 | 0,1 | 69,0

ДПТ | 23,0 | 21,8 – 24,3 | 0,5 | 105,0

ДПР | 37,0 | 35,2 – 38,9 | 0,5 | 220,0

ПРФ | 140,2 | 135,8 – 144,7 | 3,0 | 855,0

Відповідно до критерію Колмогорова-Смірнова при рівнях значимості менш 0,01 для величин дозового навантаження, створюваних зовнішнім гама опроміненням організму гірників, ДПР і ПРФ прийнятна гіпотеза про гама розподіл; для дозового навантаження від радону і ДПТ - про експонентний розподіл.

По значимості РНФ розташовані в наступному порядку: пилорадіаційний фактор (60% від сумарного дозового навантаження на організм гірників), продукти розпаду радону (23%) і торону (10%), радон (5%), гамма-випромінювання (2%).

Для визначення причин наднормативного опромінення підземного персоналу досліджена природна радіоактивність вугіль і вміщувальних порід. Проведено статистичну обробку результатів вимірів 466 проб вугілля і 710 проб породи, відібраних на 378 шахтопластах (табл. 3).

Таблиця 3

Вміст природних радіонуклідів у вугіллях і вміщувальних породах Донбасу

Порода | Питома активність, Бк/кг

радій - 226 | торій – 232 | калій - 40 | сумарна

у межах | середня ±? | у межах | середня ±? | у межах | середня ±? | у межах | середня ±у

вугілля | 0-374 | 25±3 | 0-68 | 14±2 | 0-776 | 121± 62 | 3-392 | 36±6

вміщувальні породи
| 9-557
| 60±4
| 0-400
| 52±4
| 0-2814
| 739± 55
| 16-698
| 99±12

Установлено, що вміст окремих природних радіонуклідів і сумарна активність вугіль і вміщувальних порід Донбасу мають великий розкид при тім, що середні значення нижче ніж у інших осадових порід земної кори. Радіоактивні аномалії вкрай рідкі.

Оскільки найбільшу радіаційну небезпеку у вугільних шахтах представляють радон і продукти його розпаду, вивчений розподіл активності радію у вугіллях і вміщувальних породах. Відповідно до критерію Колмогорова-Смірнова при рівнях значимості менш 0,1 для вугіль підходить експонентний розподіл, а для порід - гамма-розподіл. З довірчою імовірністю 0,95 вміст радію коливається у вузьких межах на рівні величин, нижче середніх для осадових порід. Отже, істотні розходження в активності радону і продуктів його розпаду в атмосфері виробок обумовлені не аномальною активністю порід, а умовами ведення гірничих робіт.

Проведений аналіз також показав, що наднормативне надходження природних радіонуклідів в організм гірників обумовлено не високою активністю пилоутворюючих мінералів, а запиленістю рудникової атмосфери. Так, норматив річного надходження по ПРФ для середнього вмісту радію і торію в породах не буде перевищений, якщо запиленість складе не більш 36 мг/м3, тоді як фактичні її значення в очисних вибоях найчастіше на порядок вище.

Дослідження формування радіаційної обстановки, спрямовані на виявлення залежностей між рівнями РНФ і параметрами провітрювання й умовами проведення виробок, проводилися на 12 шахтах, гірничотехнічні умови яких характерні для вугільних шахт України. Такими є значний обсяг діючих гірничих виробок, погашені відпрацьовані горизонти, керування покрівлею, повним обваленням, великі внутрішні витоки повітря.

Для виробок всіх обстежених шахт характерний великий розкид активностей радону, ДПР і ДПТ - на порядок і більш, тоді як вміст природних радіонуклідів у гірничій масі і потужність експозиційної дози гамма-випромінювання знаходяться на рівні середніх по Донбасу, за винятком однієї виробки з підвищеним вмістом торію в породі. Наднормативне накопичення ізотопів радону і продуктів їх розпаду виявлено лише в окремих виробках семи шахт.

Причинами формування несприятливої радіаційної обстановки у виробках вугільних шахт є:

- надходження радону і ДПР із витоками з “старих” вироблених просторів, погашених виробок, відпрацьованих горизонтів і зон розривних геологічних порушень;

- низька кратність повітрообміну у виробках;

- аномально високий вміст природних радіонуклідів у породах, пересічених виробкою.

Досліджено вплив параметрів вентиляції на формування радіаційної обстановки у виробках. Спочатку виміри були проведені при звичайному провітрюванні, потім через 6 годин після встановлення експериментального режиму (табл.4).

Таблиця 4

Вплив провітрювання на вміст радону і ДПР в атмосфері гірничих виробок

Шахта,
виробка | Витрата повітря, м3/ хв | Активність | Коефіцієнт рівноваги | Умови проведення, наявність витоків

радона, Бк/ м3 | ДПР, МеВ/л

“Восход”:
вентиляційний штрек лави 12 |

357
647
| 208
4675
| 3753 7835
| 0,52
0,05 | аеродінамічний зв”язок з погашеними виробками, витоки

вибій 8 східного штреку | 166
<20 | 186

873 | 1109 13078 | 0,17
0,44 | впритул до “старого” виробленого простору, витоків нема

вибій 9 бортового хідника | 130
<20 | 176

438 | 748 4417 | 0,12
0,29

ім. Коротченко
конвейєрний штрек 8 південної лави |

260
340 |

242

532 |

7381 12548 |

0,87
0,67 |

впритул до “старого” виробленого простору, витоки

вибій 8 південного вентиляційного штреку | 160
<20 | 94
107 | 987 3686 | 0,30
0,99 | у цілику, витоків нема

Експериментально визначена можливість наднормативного накопичення ДПР у виробках, пройдених у породах з активністю радію не вище середньої для Донбасу. У виробках, пройдених в умовах, що виключають можливість витоків, збільшення кількості подаваного повітря поліпшує радіаційну ситуацію. У зворотному випадку збільшення витрати повітря приводить до формування несприятливої радіаційної обстановки - ріст депресії інтенсифікує витоки і надходячі з ними РНФ перекривають розведення.

Досліджено можливість використання коефіцієнта рівноваги ДПР/радон (F) для визначення причин формування несприятливої радіаційної обстановки. Високі значення F характерні для радіаційно-небезпечних виробок з низькою кратністю повітрообміну. Низькі значення фіксуються там, де висока активність радону свідчить про його інтенсивний приплив.

Обробка даних вимірів у 56 очисних і 52 тупикових виробках показала, що відповідно до критерію Пірсона при рівні значимості менш 0,05 для коефіцієнта рівноваги прийнятна гіпотеза про експонентний розподіл, середні значення в очисних і підготовчих виробках рівні і складають 0,2. Отже, в оцінних розрахунках для перерахування обмірюваної у виробці об'ємної активності радону в активність продуктів його розпаду рекомендується приймати F=0,2.

У четвертому розділі розроблений аналітичний опис радоновиділення в гірничих виробках вугільних шахт. Установлено, що в залежності від умов проведення виробок у них реалізуються конвективна і фільтраційна моделі радоновиділення.

Умовою реалізації конвективної моделі радоновиділення є відсутність надходження радону у виробку з витоками. При цьому концентрація радону може визначатися по аналітичній залежності (1) з урахуванням гірничо-геологічних факторів - активності радію в породах, коефіцієнта еманування і густини порід; і гірничотехнічних факторів: ступеня порушеності масиву навколо виробки і витрати повітря для провітрювання виробки.

C=Co+SCrnс?л(310-6+0,01Qp2/Sc)/Q, (1)

де С, Со - об'ємна активність радону у виробці й у подаваному у неї повітряному струменю, відповідно, Бк/м3; S - площа поверхні виробки, м2; Сr - питома активність радію в породі, Бк/кг; n - коефіцієнт еманування; ? - густина породи, кг/м3; л - ?остійна розпаду радону, с-1; Sс - площа поперечного переріза виробки, м2; Q - дебіт повітря для провітрювання виробки, м3/с; р - об'ємна частка внутрішніх порожнеч у породі, включаючи пори, мікро- і макротріщини (пустотність).

Зіставлення значень розрахункової й обмірюваної активності радону, проведене в ході гірничо-експериментальних робіт, показує, що вони розрізняються не більше ніж на 28%, що свідчить про застосовність конвективної моделі надходження радону до виробок вугільних шахт.

Конвективна модель аналітично обґрунтовує виявлену в ході гірничо-експериментальних робіт можливість наднормативного накопичення продуктів розпаду радону при значному зниженні витрати повітря для провітрювання виробок, і показує, що у відсутності радіоактивних аномалій не слід очікувати наднормативного накопичення РНФ у виробках, провітрюваних відповідно до вимог “Правил безпеки...”. Це дозволяє звільнити ряд виробок від інструментального контролю.

Зміна інтенсивності радоновиділення - ексхаляції радону з поверхні масиву з відомої пустотністю при зміні режиму провітрювання виробки відповідно до конвективної моделі описується кривими, аналогічними побудованим автором дійсної роботи для конкретних значень пустотності (мал.1). Показано, що при тій же швидкості повітря поверхня свіжообваленого виробленого простору виділяє в 7-10 разів більше радону, чим після ущільнення.

Рис 1. Залежність ексхаляції q від швидкості руху повітря у виробці v для поверхні масиву з пустотністю 0,75 (1) і 0,25 (2).

Умовою реалізації фільтраційної моделі радоновиділення є аеродинамічний зв'язок даної виробки з іншими виробками через вироблені простори, порушений масив, зони обвалення. Оскільки парціальний тиск радону в масиві мізерно малий, для міграції він має потребу в потоці газу-носія. Тому особливості газо- і повітрообміну у вугільних шахтах, виявлені при дослідженні метановиділення (Ф.А. Абрамов, О.І. Касімов, Д.В. Кузьмін, І.Н. Попов і ін.), застосовні до надходження радону в гірничі виробки.

Для вугільних шахт характерна наявність двох видів фільтраційних потоків повітря, що привносять радон і продукти його розпаду у виробки:

- між рівнобіжними виробками діючих виїмкових дільниць;

- з “старих” вироблених просторів, погашених виробок і відпрацьованих поверхів. Тут і далі під фільтрацією розуміється рух газу в пористому середовищі. Режим цього руху не розглядається, як параметр, що не впливає на радоновиділення.

Застосування фільтраційної моделі, запропонованої Л.І.Ковалевським і І.В.Павловим для уранових рудників, до умов вугільних шахт, дозволяє визначити кількість радону, що надходить у вентиляційну виробку виїмкової дільниці з витоками з виробленого простору цієї дільниці.

Дебіт радону Д (Бк/с) з виробленого простору дорівнює

Д=хСrnлсV/кр , (2)

де х - показник, що характеризує виділення радону з відокремлень; V – обсяг виробленого простору, охоплений витоками, м3; Сr - питома активність радію в породі, Бк/кг; n - коефіцієнт еманування; ? - густина породи, кг/м3; кр - коефіцієнт розпушення.

Згідно (2), вид залежності дебіту радону дільниці від витрати повітря для його провітрювання визначається зміною обсягу виробленого простору, охопленого витоками. Чисельні значення параметрів закону розподілу витоків індивідуальні для кожної виїмкової дільниці і на дійсний момент не узагальнені, тому залежність дебіту радону і його концентрації від витрати повітря для провітрювання дільниці може бути представлена в загальному виді (мал. 2). Перехідний процес радоновиділення тут не розглядається, оскільки його тривалість занадто мала для істотного впливу на дозове навантаження на підземний персонал. При деякій критичній витраті повітря Qk витоками буде охоплений максимально можливий обсяг, дебіт радону досягає максимуму і далі не змінюється. Концентрація радону у вихідній повітряному струмені дільниці також досягає максимуму і з подальшим збільшенням витрати повітря убуває по лінійному законі відповідно до відношення С=Д/Q при Д=const.

Так само змінюється дебіт радону, що надходить з витоками з погашених виробок, “старих” вироблених просторів і інших джерел радону при зміні провітрювання діючих виробок. Установлений характер залежності дебіту радону від витрати повітря пояснює експериментально виявлене підвищення вмісту радону і ДПР в атмосфері виробок при збільшенні витрати повітря для їх провітрювання (табл.4).

С Д

Д

Д

С

С

0 Q.

Qк

Рис.2. Залежність дебіту Д та концентрації радону у вихідному повітряному струмені С від витрати повітря для провітрювання виїмкової дільниці Q.

Оскільки розподіл витоків у “старих” вироблених просторах, погашених виробках і зонах обвалення вивчено недостатньо, на даному етапі доцільно розглядати виробки, що мають аеродинамічний зв'язок з цими джерелами радону, як потенційно небезпечні, і визначати вміст РНФ у їхній атмосфері інструментально.

Отримані в ході аналітичних досліджень радоновиділення залежності дебіту радону від умов проведення і провітрювання виробок є основою розрахункової оцінки активності радону.

Загальний дебіт радону Д, що надходить у виробки (виїмкову дільницю), дорівнює

Д=Дп+Дпов+Дгм+Двп+Ду, Бк/с, (3)

де Дп - дебіт радону, що надходить у виробки (на ділянку) зі свіжим струменем повітря; Дпов - дебіт радону, що виділяється з нерухомої оголеної поверхні виробки; Дгм - дебіт радону, що виділяється з відбитої гірничої маси; Двп - дебіт радону, що надходить з виробленого простору розглянутої виїмкової дільниці; Ду - дебіт радону, що надходить з витоками.

Відносний внесок кожного з доданків залежить від умов проведення конкретної виробки: характеристик провітрювання, вмісту радію у вугіллях і породах, їхніх фізичних властивостей і стану. Оцінивши і підсумовував запропонованим способом дебіти кожного з джерел, можна розрахувати об'ємну активність радону в будь-якій точці дільниці по формулі С=Д/Q, де Q - дебіт повітря в даній точці. Звідси вміст ДПР може бути оцінен шляхом множення активності радону на коефіцієнт радіоактивної рівноваги між радоном і ДПР, рівний 0,2.

Пропонований спосіб оцінки вмісту радону і ДПР в атмосфері виробок дозволяє прогнозувати радіаційну обстановку на стадії проектування й експлуатації виробок на підставі аналізу даних депресійної зйомки, схеми провітрювання й умов ведення гірничих робіт. Його застосування уможливлює значно скоротити обсяг і вартість робіт з радіаційного контролю у вугільних шахтах за рахунок зосередження їх на потенційно найбільше радононебезпечних дільницях.

П'ятий розділ присвячений розробці й обґрунтуванню за результатами проведених досліджень положень “Керівництва з оцінки і контролю радіаційної обстановки на вугільних шахтах”. У ході розробки “Керівництва...” вирішені наступні задачі: створена нормативно-методична база радіаційного контроля; установлена структура радіаційного контролю в галузі (рис.3), що визначає обсяг і порядок його проведення; рекомендовані основні технічні й організаційні заходи, що дозволяють нормалізувати радіаційну обстановку в гірничих виробках.

Рис.3. Структура радіаційного контролю у вугільних шахтах України.

Попередньому обстеженню піддаються всі діючі і споруджувані шахти через 3-5 років у залежності від інтенсивності ведення гірничих робіт. При ньому дається оцінна характеристика радіаційної обстановки в очисних і підготовчих виробках. Шахти, у яких більш 25% виробок радіаційно неблагополучні, підлягають детальному обстеженню. По його результатах розробляються протирадіаційні заходи і встановлюється регламент подальшого радіаційного контролю. Поточний контроль проводиться на всіх шахтах у міру розвитку гірничих робіт і дозволяє вчасно відслідковувати зміну радіаційної обстановки у виробках при зміні гірничотехнічних і гірничо-геологічних умов їх проведення.

За результатами дослідження формування радіаційної обстановки в гірничих виробках автором дисертації розроблений і обґрунтований ряд положень “Керівництва...”.

Рекомендовано комплекс устаткування для виміру рівнів РНФ при проведенні радіаційного контролю у виробках вугільних шахт.

Обґрунтовано вибір рівня впливу на легені за винятком внеску пилорадіаційного фактора як критерій несприятливої радіаційної обстановки у виробленні.

Обґрунтовано необхідність поточного контролю, що дозволяє оперативно відслідковувати зміни активності РНФ у виробках при зміні умов ведення гірничих робіт.

Розроблено модель для розрахункової оцінки активності радону, ДПР і ДПТ у декількох виробках за результатами вимірів в одній контрольній точці, заснована на назад пропорційній залежності рівнів цих РНФ від кратності повітрообміну в кожній конкретній виробці:

Ав= АQ(LiSi/Qi)/LS, (4)

де A і Aв - активність РНФ у контрольній точці і характеризуємій виробці відповідно; Q, L, S - дебіт повітря, відстань від повітроподаючого ствола і площа поперечного переріза для виробки з контрольною точкою відповідно; Qi, Li, Si - дебіт повітря, довжина і площа поперечного переріза для кожної з виробок по ходу свіжого струменя від повітроподаючого ствола до характеризуємої виробки відповідно.

Розроблено критерій вибору протирадіаційних заходів у виробках з наднормативним вмістом ізотопів радону і продуктів їх розпаду в атмосфері - коефіцієнт рівноваги між радоном і ДПР. При наявності інтенсивного надходження радону у виробки (низькі значення коефіцієнта рівноваги) проводиться виявлення джерел радоновиділення й оцінка їх дебіту. У залежності від умов проведення виробки рекомендується або герметична ізоляція визначальних джерел радоновиділення, або такий перерозподіл повітря у вентиляційній мережі, що виключить витоки у виробки. Якщо ж причиною наднормативного накопичення РНФ є низька кратність повітрообміну, про що свідчить високе значення коефіцієнта рівноваги, рекомендується збільшення витрати повітря для провітрювання виробки.

ВИСНОВКИ

Вирішено нову задачу підвищення безпеки праці гірників вугільних шахт по радіаційному фактору - виявлені закономірності формування радіаційної обстановки, що дозволяють контролювати рівні радіаційно-небезпечних факторів у гірничих виробках і здійснювати вибір заходів щодо зниження дозового навантаження на підземний персонал.

1. Установлено діапазон зміни і середні значення рівнів радіаційно-небезпечних факторів у вугільних шахтах України: радон – 6 – 3864 і 50 Бк/м3; ДПР – 19 - 8525 і 1420 МеВ/л; ДПТ – 19 – 6874 і 883МеВ/л; гамма-випромінювання – 8 – 27 і 14 мкР/год відповідно. Радіаційно-небезпечні фактори по значимості розташовані в наступному порядку: ПРФ (60%), ДПР (23%), ДПТ (10%), радон (5%), гамма-випромінювання (2%).

Виявлена закономірність визначає обсяг і регламент радіаційного контролю в гірничих виробках.

2. Діапазон зміни і середні значення активності природних радіонуклідів і сумарної активності для вугіль і вміщувальних порід Донбасу складають: радій-226 – 0 - 374 і 25, 9 – 557 і 60 Бк/кг; торій-232 – 0 - 168 і 14, 0 – 400 і 52 Бк/кг; калій-40 – 0 - 776 і 121, 0 – 2814 і 739 Бк/кг; сумарна активність – 3 - 392 і 36, 16 – 998 і 99 Бк/кг відповідно. Середні значення активності нижче, ніж в інших осадових порід земної кори. Радіоактивні аномалії вкрай рідкі і можуть виявлятися тільки при детальному дослідженні радіаційної обстановки.

Активність радію у вугіллях і породах підкоряється експонентному і гама- розподілу відповідно і з довірчою імовірністю 95% коливається у вузьких межах. Тому істотні розходження в активності радону в атмосфері виробок викликані не аномальною активністю порід, а параметрами провітрювання й умовами ведення гірничих робіт. Установлені закономірності також пояснюють високе дозове навантаження на організм гірників від продуктів розпаду радону і торону при дуже низькій дозі від гамма-випромінювання.

Наднормативне надходження природних радіонуклідів в організм гірників обумовлено не активністю пилоутворюючих мінералів, а високою запиленістю рудникової атмосфери.

3. Для виробок всіх обстежених шахт характерний великий розкид активності радону, ДПР і ДПТ - на порядок і більш, тоді як вміст природних радіонуклідів у гірничій масі і потужність експозиційної дози гамма-випромінювання знаходяться на рівні середніх по Донбасу. Наднормативне накопичення ізотопів радону і продуктів їх розпаду спостерігається лише в окремих виробках і обумовлено конкретними умовами їх проведення й експлуатації.

4. Основними причинами формування несприятливої радіаційної обстановки у виробках вугільних шахт є: надходження радону і ДПР із витоками з “старих” вироблених просторів, погашених виробок, відпрацьованих горизонтів і зон розривних геологічних порушень; низька кратність повітрообміну у виробках; аномально високий вміст природних радіонуклідів у породах, пересічних виробкою.

5. У виробках, пройдених в умовах, що виключають можливість витоків, збільшення витрати повітря поліпшує радіаційну ситуацію. Якщо схемою провітрювання й умовами розробки обумовлені витоки у виробки з місць накопичення РНФ (погашених виробок, “старих” вироблених просторів.) збільшення обсягу подаваного повітря приводить до формування несприятливої радіаційної обстановки.

6. Коефіцієнт рівноваги між ДПР і радоном (F) може служити критерієм для встановлення причини наднормативного вмісту цих РНФ в атмосфері виробок: низькі значення F характерні для місць інтенсивного припливу радону, високі - для виробок з низькою кратністю повітрообміну. В оцінних розрахунках для перерахування обмірюваної у виробленні об'ємної активності радону в активність продуктів його розпаду рекомендується приймати F=0,2.

7. У гірничих виробках вугільних шахт у залежності від умов їх проведення реалізуються конвективна і фільтраційна моделі радоновиділення. Умовою реалізації конвективної моделі радоновиділення є відсутність витоків. При цьому концентрація радону в гірничій виробці може визначатися по аналітичній залежності з урахуванням гірничо-геологічних факторів - активності радію в породах, коефіцієнта еманування і щільності порід; і гірничотехнічних факторів: ступеня порушеністі масиву навколо виробки і швидкості руху повітря у виробці.

Умовою реалізації фільтраційної моделі радоновиділення є аеродинамічний зв'язок розглянутого виробки з іншими виробками через виробці простори, порушений масив, зони обвалення. При цьому концентрація радону у виробленні може оцінюватися з урахуванням розподілу витоків.

8. Запропоновано спосіб оцінки вмісту радону і ДПР в атмосфері виробки, що дозволяє прогнозувати радіаційну обстановку на підставі даних депресійної зйомки, аналізу схем провітрювання й умов ведення гірничих робіт.

9. Обґрунтовано ряд положень “Керівництва з оцінки і контролю радіаційної обстановки на вугільних шахтах України”, узгодженого Міністерством охорони здоров я України і затвердженого Держвуглепромом України.

Основні положення дисертації опубліковані в наступних роботах:

1. Бобров А.И., Кривицкий М.Д., Короленко Е.Е. Стратегия радиационного контроля в угольных шахтах Украины// Безопасность труда в промышленности-1997.-№4.-С.41-43.

2. Бобров А.И., Короленко Е.Е. Радоновыделение в выработках угольных шахт// Уголь Украины.-1999.-№1.-С. 25-27.

3. Бобров А.И., Кривицкий М.Д., Короленко Е.Е. Оценка и контроль радиационной обстановки на угольных шахтах// Уголь Украины.-1995.-№7.-С. 30-32

4. Заболотний А.Г., Бобров А.И., Кривицкий М.Д., Короленко Е.Е. Проблема радиационной безопасности в угольных шахтах// Охрана труда.-1995.-№9.- С.23-24.

5. Бобров А.И., Короленко Е.Е. Формирование и контроль радиационной обстановки в выработках// Уголь Украины.-2000.-№6.-С.38-39.

6. Кривицкий М.Д., Короленко Е.Е., Ластков Д.О., Мельниченко В.М. Радиационно-опасные факторы в угольных шахтах // Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах. -Макеевка: МакНИИ.-1994.-С. 84-88.

7. Короленко Е.Е. Особенности формирования неблагоприятной радиационной обстановки на шахте “Ударник” ПО “Торезантрацит” // Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах. - Макеевка: МакНИИ.-1995.-С. 98 -101.

8. Короленко Е.Е. К расчету содержания радона в рудничной атмосфере// Уголь Украины.-2001.-№5.-С.45-47.

9. Bobrov A., Krivitzky M., Korolenko E. Radiation control in ukrainian coal mines.// Proc. International conf. "Technologically enhanced natural radiation caused by non-uranium mining" - Szczyrc (Poland).-1996.-P. 17-24.

10. Korolenko Ye. Natural Radiation in Coal Mines// Proc. International Symposium on Geotechnological Issues of Underground Space Use for Environmentally Protected World. Dnepropetrovsk (Ukraina).-2001.-P.315-320.

У роботах 1 і 4 дисертантом виконаний аналіз стану охорони праці по радіаційному факторі у вугільних шахтах, дані пропозиції по удосконалюванню організації і методики проведення радіаційного контролю; у роботах 3, 6 і 9 - виміри рівнів радіаційно небезпечних факторів у вугільних шахтах, обробка, узагальнення і представлення отриманих результатів.

АННОТАЦИЯ

Короленко Е.Е ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ РАДИА-ЦИОННОЙ ОБСТАНОВКИ И ЕЕ КОНТРОЛЬ В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ УКРАИНЫ. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности: 05.26.01 - Охрана труда.- Государственный Макеевский научно-исследовательский институт по безопасности работ в горной промышленности, Макеевка, 2001.

В диссертации изложены результаты исследований формирования радиационной обстановки в горных выработках, которые позволяют контролировать уровни радиационно-опасных факторов (РОФ) для снижения дозовой нагрузки на подземный персонал.

Данные об уровнях радиационно-опасных факторов и естественной радиоактивности углей и вмещающих пород обработаны с помощью авторского программного обеспечения и проанализированы методами математической статистики. Накопление РОФ в выработках изучено в ходе горно-экспериментальных работ. Результаты экспериментов обоснованы аналитическими исследованиями с применением математического анализа.

По данным обследования 273 шахт установлены диапазон изменения и средние значения уровней радиационно-опасных факторов в угольных шахтах Украины: радона; дочерних продуктов распада радона (ДПР); дочерних продуктов распада торона (ДПТ), гамма-излучения. Радиационно-опасные факторы по вкладу в суммарную дозовую нагрузку на организм горняков расположенные в следующем порядке: пылерадиационный фактор (60%), ДПР (23%), ДПТ (10%), радон (5%), гамма-излучение (2%).

Исследована активность естественных радионуклидов в углях и вмещающих породах Донбасса. Установлено, что средние значения активности ниже, чем у других осадочных пород земной коры. Радиоактивные аномалии крайне редки и могут обнаруживаться только при детальном исследовании радиационной обстановки.

Установлено, что причинами формирования неблагоприятной радиационной обстановки в выработках угольных шахт являются: - поступление радона и ДПР с утечками из “старых” выработанных пространств, погашенных выработок, отработанных горизонтов и зон разрывных геологических нарушений; - низкая кратность воздухообмена в выработках; - аномально высокое содержание радионуклидов в породах.

Приведены результаты исследования влияния проветривания на формирование радиационной обстановки в выработках. В выработках, пройденных в условиях, которые исключают возможность притечек, увеличение расхода воздуха улучшает радиационную ситуацию. Если схемой проветривания и условиями разработки обусловленные притечки из мест накопления РОФ (погашенных выработок, “старых” выработанных пространств), увеличение объема подаваемого воздуха приводит к формированию неблагоприятной радиационной обстановки.

Выполнены аналитические исследования поступления радона в атмосферу горных выработок угольных шахт в зависимости от условий их проведения Показано, что условием реализации конвективной модели радоновыделения является отсутствие утечек. При этом концентрация радона в выработке может определяться по аналитической зависимости с учетом горно-геологических и горнотехнических факторов.

Условием реализации фильтрационной модели радоновыделения является аэродинамическая связь выработки с другими выработками через выработанные пространства, нарушенный массив, зоны обрушения. При этом концентрация радона в выработке может оцениваться с учетом распределения утечек.

Показано, что на выемочных участках, пройденных в условиях, которые исключают приток радона из других выработок, в породах с содержанием радия на уровне среднего для Донбасса и проветриваемых соответственно требованиям нормативных документов, не следует ожидать сверхнормативного накопления радона и продуктов его распада. Максимальная активностьРОФ для таких участков может оцениваться по аналитической зависимости без инструментального контроля. Выработки, условия проведения и схема проветривания которых предполагают притечки из зон накопления радона - “старых” выработанных пространств, погашенных выработок, должны рассматриваться как потенциально опасные, а содержимое радона и ДПР в их атмосфере подлежит обязательному инструментальному контролю.

Предложен способ оценки содержания радона и ДПР в атмосфере выработки, который позволяет прогнозировать радиационную обстановку на основании данных депрессионной съемки, анализа схем проветривания и условий ведения горных работ.

На основании выявленных закономерностей формирования радиационной обстановки в горных выработках автором диссертации разработан и обоснован ряд положений “Руководства по оценке и контролю радиационной обстановки в угольных шахтах Украины" КД 12.5.005-94 ”.

Ключевые слова: угольные шахты, горные выработки, радиационная обстановка, радиационно-опасные факторы, естественная радиоактивность, радоновыделение, горнотехнические и горно-геологические условия, радиационный контроль.

АНОТАЦІЯ

Короленко Е.Е ЗАКОНОМІРНОСТІ ФОРМУВАННЯ