Радиационная обстановка в подземных сооружениях

14.4.1. Радиационная обстановка при разработке радиоактивных руд

Специфической особенностью механизма радиоактивной загрязненности рудничной атмосферы является непрерывное поступление радона () в воздушную струю по мере прохождения ее по горным выра­боткам к рабочим местам и, вследствие распада его, накопление скрытой энергии. Анализ данных по радиационной обстановке в выработках урановых рудников показал, что основными источниками, определяющими характер её формирования являются урановые руды, причем степень их влияния зависит от содержания урана в руде. Соотношение между величинами доз, вызванными внешним и внутренним облучением, зависит от количества воздуха с динамикой относительного увеличения дозы внешнего облучения с 20% до 50-60% при повышении его расхода.

Интенсивность выделения радона в рудничную атмосферу зависит в основном от физических свойств пород и руд и содержания в них радия; скрытая энергия, кроме того, зависит от времени нахождения радона в горных выработках (времени воздухообмена). Даже неэманирующие выработки, если по ним движется воздух, обогащенный радоном, не могут рассматриваться просто как воздуховоды, так как и в этом случае скрытая энергия будет расти.

Это определяет специфику обеспечения радиационной безопасности: необходимо не только свести до минимума поступление радона в руднич­ную атмосферу, но и максимально сократить время нахождения его в горных выработках, в том числе в неэманирующих, т.е. должна учиты­ваться вся вентиляционная сеть в целом.

Все сказанное выше относится также к двум другим изотопам радона: торону - продукту распада тория и актиону - продукту распада актиния. Как и для радона, основная радиационная опасность торона и актинона связана с накопле­нием короткоживущих продуктов их распада ThВ (), ThC () и АсВ (), АсС (). Однако ни торон, ни актинон вследствие малого периода полураспада (54,5 и 3,92 с соответственно) не успевают в значительных количествах выделиться в рудничную атмосферу. Для сравнения: средняя продолжительность жизни атомов радона составляет 5,5 сут. Кроме того, содержание актиноурана () в смеси изотопов природного урана составляет всего 0,71%.

Содержание торона в рудничной атмосфере может быть соизмеримо с содержанием радона только в очень слабо проветриваемых выработках или при содержании тория в руде, превышающем содержание урана. Однако и в этом случае обеспечение радиационной безопасности не пред­ставляет больших затруднений, так как уже при времени воздухообмена в выработке, равном 10 мин, скрытая энергия продуктов распада торона не превысит 0,01 равновесной. Поэтому в дальнейшем основные законо­мерности формирования радиационной обстановки рассматриваются только для радона и короткоживущих продуктов его распада.

Основными источниками выделения радона в рудничную атмосферу являются:

1) массив пород и руд в действующих выработках и выработанных пространствах;

2) разрыхленная горная масса (отбитая и замагазинированная руда, закладочный материал, породы в обрушенном пространстве);

3) рудничные воды.

Количество радона, поступающего из этих источников, зависит от ряда причин, определяемых геолого-геофизическими и горно-техническими условиями разработки. Так, например, поступление радона из массива пород и руд в общем балансе рудника может составлять 20-80%, из разрыхленной горной массы 10–60%, из рудничных вод 0–30%.

При правильной организации горных работ (изоляция выработанных пространств, отсутствие подсосов загрязненного радоном воздуха из зон обрушений и т.д.) основным источником поступления радона в рудничную атмосферу является массив пород и руд, окружающий действующие проветриваемые выработки.

Процесс поступления радона из массива пород состоит из двух после­довательных ступеней: первой ступенью является выделение радона в пустоты породы (поры, трещины) благодаря явлению отдачи при распаде радия, второй – распространение выделившегося в поры радона по законам газовой диффузии или конвекции и зависит от температуры, влажности и давления.

Эманирующая способность минералов и пород зависит от многих фак­торов7, которые можно объединить в две группы: природа образца, его состав, степень сохранности; температура и влаж­ность.

Анализ данных показывает, что определяющими факторами первой группы являются структура и плотность. Чем плотнее образец, тем, как правило, меньше коэффициент эманирования. При этом отмечено, что величина удельной поверхности существенной роли не играет.

Влияние температуры на коэффициент эманирования может быть до­статочно большим, особенно для вторичных урановых минералов. Например, для торбернита при нагревании от 20 до 100° С значение коэффициента эманирования увеличилось в 1,7 раза. По другим источникам, при таком же нагревании некоторых минералов наблюдается уменьшение коэффициента эманирова­ния, объясняемое авторами потерей гигроскопической воды. Общим для всех исследований является увеличение коэффициента эманирования при высоких температурах (около 400°С), что связывается с изменением кристаллической структуры минерала.

Влияние влажности на коэффициент эманирования изучено недостаточ­но. Известно лишь, что незначительное повышение влажности, как правило, увеличивает коэффициент эманирования, а при большой влажности он уменьшается, что связывается с поглощением радона водой. По другим данным, во влажном воздухе эманирование увеличивается в 1,3–1,5 раза, что объясняется образованием жидкой пленки на поверхности эманирующего тела с растворением в ней радия. Эманирование – процесс, для которого большое зна­чение имеет, в каком состоянии находится в образце радий – в кристаллической решетке минерала или адсорбирован поверхностью пустот и трещин породы. В последнем случае коэффициент эманирования может быть достаточно высоким. Характерно, что, несмотря на значительные колебания коэффициентов эманирования для отдельных образцов гор­ных пород и руд (от 0,01 до 100%), средняя величина эманирования является довольно постоянной величиной. Так, для кислых магматических пород средний коэффициент эманирования колеблется от 15 до 30%, а для осадочных и метаморфических пород – от 10 до 25%. Более высокий коэффициент эманирования (более 30%) наблюдается, как правило, в рудных образованиях. Диффузия радона происходит в воздухе и воде, заполняющей поры и трещины пород. Многократные измерения коэффициента диффузии радона показали, что для воздуха он достигает 0,1 см²/с, а для воды - 1 • 10^-5 см²/с. Следует отметить, что из-за близких атомных масс изото­пов радона коэффициенты диффузии их в одних и тем же средах практически одинаковы.

Одним из существенных факторов яв­ляется пористость (включая макро- и микротрещиноватость) среды. В общем случае с увеличением пористости возрастает и коэффициент диффузии, Проникновение радона через скальные, ненарушенные породы происходит медленнее, чем в сыпучих или искусственно измельченных, и, следовательно, характеризуется меньшими значениями коэффициента диффузии.

При увеличении влажности примерно до 6% коэффициент диффузии практически не меняется. Так, для сухого песка коэффициент диффузии составляет 0,065-0,070 см²/с, а для песка влажностью 6% - 0,060-0,065 см²/с. При большем увлажнении коэффициент диффузии резко уменьшается и при влажности 17% равен всего 0,01–0,005 см /с.

Конвекционный перенос радона. Исследования показывают, что рас­пространение радона в природных условиях в большой степени зависит от влияния конвекции, возникающей под действием барометрического давления, разности температур и т.п. На интенсивность конвекционного переноса радона значительное влияние может оказывать движение воздуха над поверхностью пород. Так, например, отмечалось резкое понижение активности почвенного воздуха (до десятикратных значений) после длительного и сильного ветра4.

Проведенные на ряде урановых рудников исследования показывают, что в результате непрерывной работы вентиляторов в окружающих выработку породах могут создаваться условия для конвекционного перемещения радона. Как известно, движение воздуха по выработкам происходит вследствие создания в них разности давления по отношению к атмосферному. В случае всасывающего проветривания выработки рудника находятся под некоторым разрежением, а в случае нагнетательного проветривания - под давлением. И в том и в другом случае абсолютная величина давления в различных выработках и участках выработок не будет одинаковой, и, следовательно, в массиве пород, окружающих выработки, может возникнуть движение порового воздуха в направлении от участков с большим давлением к участкам с меньшим давлением. Осо­бенно это относится к сильно пористым или трещиноватым породам. Так, например, на интенсивность радоновыделения оказывают влияние вариации атмосферного давления. В количественном отношении такое перемещение порового воздуха очень мало по сравнению с дебитом воздушной струи, проходящей по выра­ботке. В то же время при такой скорости конвекционного переноса интенсивность выделения радона будет значительно выше, чем при только диффузионном.

14.4.2. Радиационная обстановка на неурановых горнодобывающих предприятиях

Исследования радиационной обстановки на неурановых шахтах Российской Федерации проводились в течении 12 лет, начиная с 1983 года.

В ходе работ были проведены обсле­дования предприятий, добывающих раз­личные виды минерального сырья - уголь, железные руды, руды цветных металлов и нерудное минеральное сырье. Кроме вида полезного ископаемого, обследован­ные шахты и рудники различались по спо­собу вскрытия месторождений, способу и схеме проветривания, системам разра­ботки месторождения и доставки горной массы на дневную поверхность и пр. В чис­ло обследованных, помимо добывающих предприятий, вошли разведочные шахты5. Для угольных шахт радиационная обстановка связана с поступлением в воздушную среду радона и его ДПР из отработанных участков, причем их вклад в суммарную дозу облучения составляет около 70%.

Во всех случаях определение уров­ней облучения базировалось на изме­рениях на рабочих местах мгновенных значений ЭРОА радона и торона и мощности дозы (МЭД) внешнего гамма-из­лучения. Оценка вкла­да в дозу от долгоживущих естествен­ных радионуклидов, содержащихся в ви­тающей рудничной пыли, проводилась пу­тем непосредственного измерения актив­ности пыли и путем раздельного опре­деления запыленности воздуха и удель­ной активности естественных радионуклидов (ЕРН) в пылеобразующих породах.

В табл. 14.5 представлены резуль­таты измерений ЭРОА радона и торона и МЭД внешнего гамма-излучения в 68 об­следованных шахтах. По результатам ис­следований ЭРОА радона в воздухе гор­ных выработок неурановых рудников и шахт изменяется в диапазоне от менее 10 до 48000 Бк/м³. ЭРОА торона в возду­хе рудников и шахт колеблется от 0,1 до 36 Бк/м³. Мощность экспозиционной дозы внешнего гамма-излучения на подземных рабочих местах составляет от 4 до 300 мкР/час. Наиболее высокие уровни ЭРОА радона были отмечены в воздухе железорудных шахт, где в четырех шахтах из семи обследованных максимальные зна­чения ЭРОА радона превысили уровень ДOA = 1240 Бк/м³, а ее среднее значение, по результатам 323 измерений, составило 590 Бк/м³. Сравнимые уровни ЭРОА ра­дона наблюдались в атмосфере обсле­дованных поли- и редкометаллических рудников, где среднее значение составило, по результатам 300 измерений в каждой группе, соответственно 570 и 430 Бк/м³, а максимальное 11000 и 5800 Бк/м³. Наиболее низкие значения ЭРОА радона отмечены на предприятиях, до­бывающих медные руды, где ее макси­мальное значение составило 67 Бк/м³, и, угольные шахты, где среднее значение ЭPOA радона составило 42 Бк/м³ (выполнено 546 измерений), и лишь в единицах случаях отмечалось превышение допустимого уровня 310 Бк/м³. Частотное распределение результатов измерений ЭРОА радона на подземных рабочих ме­стах показывает, что в 25% случаев пре­вышается допустимое значение 310 Бк/м³, а на железорудных, поли- и редкометал­лических предприятиях это отмечается в 40% случаев. Из всех результатов из­мерений, в 5% случаев было отмечено превышение значения ДОА (1240 Бк/м³). На поли- и редкометаллических рудни­ках в этом диапазоне находится 10-15% всех результатов измерений.

Таблица 14.5

Обобщенные результаты изучения радиационной обстановки

на неурановых рудниках и шахтах

Полезное ископаемое	ЭРОА, Бк/м3	МЭД, мкР/час	Суммарная эфф. доза, мкЗв/год
радона	торона
Медные руды	19(<10-67)*	0,71(0,2-2,1)	8(6-10)	0,36 (<0,1-1,2)
Уголь	42(<10-960)	1,9(0,2-6,0)	9(4-22)	0,66 (<0,1-15)
Золотые руды и россыпи	83(<10-2000)	2,6(0,2-6,2)	17(8-32)	1,6 (<0,1-33)
Нерудное минеральное сырье	270(<10-2300)	8,0(0,8-36)	17(6-50)	6,3 (<0,1-37)
Редкие металлы (W, Sn и др.)	430(<10-5800)	3,1(0,3-30)	21(6-140)	7,4 (<0,1-94)
Полиметаллические руды	570(<10-11000)	2,6(0,2-8,2)	11(4-45)	9,3 (<0,1-180)
Железные руды	590(<10-48000)	2,8(0,2-12)	13(5-300)	10 (<0,1-450)
Все обследованные предприятия	320(<10-48000)	2,6(0,1-36)	14(4-300)	5,3 (<0,1-450)

Измерения, проведенные с использо­ванием методов индивидуальной радоновой дозиметрии, показали, что среднее по времени работы значение ЭРОА ра­дона в зоне дыхания горняков составля­ет от менее 10 до 2000 Бк/м³. Максимальные уровни ЭРОА торона, до 36 Бк/м³, характерны для шахт, добы­вающих нерудное индустриальное сырье (флюорит, огнеупорные глины и др.) и руды редких металлов. На всех осталь­ных типах предприятий значения ЭРОА торона сравнимы между собой и нигде не превышают 12 Бк/м³. Мощность дозы внешнего гамма-излучения на рабочих местах рудников и шахт составляет 4-300 мкР/час, лишь в единичных случаях пре­вышая уровень 60 мкР/час. Объемная активность долгоживущих ЕРН, содержа­щихся в витающей рудничной пыли, обыч­но составляет десятые и сотые доли про­цента от допустимой, что объясняется жестким значением ПДК силикозоопасной пыли - 2 мг/м³.

Средние уровни воздействия радиационно-опасных фак­торов (РОФ) на персонал угольных шахт могут различаться, по меньшей мере, в 10 раз в зависимости от содержания урана и тория в углях и вмещающих породах, запыленности шахтной атмосферы, дебита радона и торона, проветриваемого объема шахты и количества подаваемого в шахту воздуха.

В зависимости от суммарного уровня воз­действия на легкие радиационно-опасных факторов угольные шахты можно разделить на три категории.

В шахтах I категории, где дозовая нагрузка не превышает 1 мЗв/год, для обеспечения радиационной безопасности персо­нала достаточны эпизодические (один-два раза в год) измере­ния величины скрытой энергии дочерних продуктов радона и торона в основных исходящих воздушных струях шахты. А за­щитные меры сводятся к снижению запыленности атмосферы и более эффективному использованию респираторов.

В шахтах II категории, где доза составляет 1-3 м³в /год, необходим систематический контроль уровней РОФ на рабочих местах и выполнение выборочных защитных мероприятий (главным образом - усиление проветривания) на тех участках, где среднегодовое значение уровня воздействия на легкие (УВЛ) превышает норматив.

В шахтах III категории, где доза облучения составляет 3 и более м³в /год, должно быть проведено детальное обследова­ние радиационной обстановки и по его результатам разрабо­таны рекомендации по снижению радиоактивной загрязненно­сти шахтной атмосферы. В целом долгоживущие радионуклиды дают около 52% вклада в суммарное облучение персонала.

Основной вклад в индивидуальные дозы облучения под­земного персонала вносят дочерние продукты радона (до 3,5 м³в/год - здесь и далее указаны средние значения по отдель­ной шахте), долгоживущие радионуклиды ряда урана и ряда тория. Вклад других радиационно-опасных факторов существенно меньше, дочерние про­дукты торона - до 0,1 м³в/год, внешнее гамма-излучение - до 0,3 м³в/год. Средние по отдельным шахтам дозы облучения персонала находятся в пределах 0,8- 3,9 м³в/год. Средняя доза облучения всего подземного контингента обследованных шахт (170 тысяч человек) составляла 1,9 мЗв/год.

Радиационная опасность в подземных горных выра­ботках, в том числе угольных шахтах, связана с есте­ственными радионуклидами, содержащимися в углях и вме­щающих их породах. Основной вклад в дозу облучения работ­ников вносят дочерние продукты радона. Другие радиацион­но-опасные факторы (РОФ) - внешнее гамма-излучение, дочерние продукты торона, долгоживущие радионуклиды рядов урана и тория, присутствующие в производственной атмосфе­ре в виде аэрозолей, создают значимые (>1 м³в/год) дозы облучения только на урановых рудниках, а так же на некоторых угольных шахтах.

14.4.3. Особенности формирования радиационной обстановки в транспортных подземных сооружениях

Тенденция широкого использования подземного пространства для размещения различных производственных и транспортных объектов, характерная для большинства развитых стран Европы и США, в последние 10-20 лет начинает все больше проявляется в России. Её следствием является размещение под землей производственных цехов, подземных складов, холодильников, автостоянок, гаражей, кинотеатров, хранилищ ценной документации и т.п. Особое место среди подземных сооружений занимают транспортные объекты: тоннели метрополитенов, автодорожные и железнодорожные тоннели. Одним из основных факторов, определяющих безопасность эксплуатации таких подземных объектов, является создание в них регламентируемой радиационной обстановки. Несмотря на общие с урановыми и неурановыми горнодобывающими предприятиями закономерности подземные сооружения характеризуются рядом специфических особенностей, определяемые как источниками формирования радиационной обстановки, так режимами эксплуатации6.

Изучению особенностей формирования радиационной обстановки в подземных сооружениях транспортного назначения посвящено сравнительно небольшое количество работ, таких как например в Сеульском и Ташкентском метрополитене1, 2 7. Цель этих исследований состояла в определении источников выделения радона в подземных станциях. На основании измерений было установлено, что зимний период характеризуется несколько более напряженной радиационной обстановкой: из общего числа обследованных станций на 73% из них зимой, против 78% летом концентрация радона не превосходит 150 Бк/м³, а соответственно на 9% и 8% - превосходит 300 Бк/м³. В результате анализа данных измерений концентрации радона в данной работе также делается вывод о влиянии на величины концентрации радона вентиляции тоннелей и станций, и, в частности поршневой вентиляции.

Тем выше влажность воздуха, тем больше молекул воды содержится в воздухе и тем значительнее концентрация радона.

В работе [2] характеризуются источники поступления радона в воздушную среду Ташкентского метрополитена. Авторы этой работы отмечают, что помимо строительных и отделочных материалов, которые могут обладать высокой эманационной способностью (например, некоторые сорта цементов, используемые для возведения крепи, глины, керамзиты, шлаки и т.п.) к источникам выделения радона следует отнести:

- горные породы. Площади распространения пород с повышенным фоном радона четко увязываются с геологическими образованиями, например, углеродисто-кремнистых и глинистых сланцев, гранитов и т.д. Этот повышенный местный геохимический фон с концентрацией радона в грунтах, превышающей 50000 – 100000 Бк/м³, может создавать значительные по площади радоноопасные участки;

- тектонические зоны, разрывные нарушения, характеризующиеся аномальными концентрациями радона, шириной до сотни метров при длине до нескольких десятков километров;

- грунтовые воды, которые располагаются на уровне залегания линий и станций метро. В грунтовых водах концентрация радона, как правило, заметно выше, чем в открытых водоемах. Так, если в озерах и реках она, как правило, составляет не более 40 Бк/м³, то в подземной воде объемная концентрация радона нередко превышает 400, достигая 400000 Бк/м³.

Радон, используя тектонические нарушения (разломы, трещины), может проходить по ним как по дренажным коллекторам с высокой скоростью и проникает в сооруженные над ними станции метро. Подпитка полостей в зоне тектонических разломов и разрывных нарушений радоном может происходить как вследствие конвекционно-диффузионных процессов, так и периодических подъемов подземных вод, характеризующихся повышенным содержанием радона, которые, образуя болотисто-глинистые прослойки, позволяют последним аккумулировать радон. Поэтому даже слаборадиоактивные породы, в которых проходят тоннели метрополитена, могут представлять большую, чем более радиоактивные породы опасность, если они рассечены тектоническими нарушениями, накапливающими радон.

Временные вариации АО радона и его ДПР в атмосферном воздухе станций метрополитена связаны как с влиянием метеорологических условий (перепады температур, изменение давления и влажности, выпадение осадков, изменение скорости и направления ветра), так и с вентиляционными режимами. Изменение количества воздуха в тоннелях и станциях метрополитенов приводит к тому, что максимум ОА радона достигается, как правило, в ночные предутренние часы, а утром, с увеличением воздухообмена вследствие искусственной и поршневой вентиляции начинается их спад с достижением минимальных значений в дневные часы.

К аналогичным выводам приходят и авторы работы [1]. В результате проведенных измерений ими было показано, что АО радона в воздухе служебных помещений Санкт-Петербургского метрополитена составляет 600 Бк/м³, а ЭРОА радона 240 Бк/м³. Основной из причин такой ситуации является отмеченная в работе [3], связь повышенной объемной активности радона в почвенном воздухе с особенностями геологического строения территории, которую занимает Санкт-Петербург. Территория города "пересекается" системой разнонаправленных региональных и транс региональных разломов субширотного, северо-западного и близ меридионального направлений. Именно наличие тектонических разломов обуславливает поступление радона на дневную поверхность и приводит к величинам АО радона в заглубленных подземных объектах, превышающим 400 – 600 Бк/м³.

Если поступление радона в воздушную среду горных выработок транспортных подземных сооружений связано, в основном, с наличием тектонических разломов, то пространственная динамика его распространения и распада на дочерние продукты, как отмечалось выше, определяется наличием и дебитом радоносодержащих вод, а также аэродинамикой воздушного потока.

Анализ данных литературных источников, а также данные экспериментальных исследований свидетельствуют о том, что важной причиной, влияющей на вентиляционный режим тоннелей, является поршневое действие транспортных средств, результат которого определяет значительное изменение расхода воздуха [1, 2]. Их анализ показывает, что при совпадении направления перемещения транспортных средств и естественного воздушного потока скорость движения последнего возрастает в 2-4 раза. Причем суммарное действие поршневого эффекта превосходит время непосредственного пребывания поезда в тоннеле примерно в 1,5-2 раза.

При противоположных направлениях движений транспортных средств и естественного воздушного потока происходит опрокидывание последнего, причем продолжительность обратного по сравнению с естественным направления перемещения воздушного потока примерно совпадает со временем нахождения поезда в тоннеле.

Сложная динамика изменения параметров воздушного потока сказывается и на распределении радона и его дочерние продукты распада. В частности, ЭРОА радона зависит от интенсивности движения транспортных средств, их геометрических параметров и скорости.

Выводы

1. Ионизирующие излучения при воздействии на организм человека могут вызвать два вида эффектов: детерминированные эффекты и стохастические (вероятностные) беспороговые эффекты.

2. Эффективная доза, обусловленная облучением природными источниками облучения всех работников, включая персонал, не должна превышать 5 мЗв/год в производственных условиях.

3. Радиационная обстановка в выработках урановых рудников, главным образом, определяется содержанием урана в руде. Соотношение между величинами доз, вызванными внешним и внутренним облучением, зависит от количества воздуха с динамикой относительного увеличения дозы внешнего облучения с 20% до 50-60% при повышении его расхода. Для угольных шахт радиационная обстановка связана с поступлением в воздушную среду радона и его дочерних продуктов распада из отработанных участков, причем их вклад в суммарную дозу облучения составляет около 70%. Для подземных сооружений основными источниками, влияющими на формирование радиационной обстановки являются: тектонические зоны и разрывные нарушения, характеризующиеся аномальными концентрациями радона; грунтовые воды, концентрация радона в которых на несколько порядков выше, чем в открытых водоемах.

Контрольные вопросы

1. Перечислите основные типы ионизирующих излучений и их свойства.

2. Перечислите виды облучения человеческого организма.

3. В чем заключаются особенности биологического действия ионизирующих излучений на организм человека?

4. В каких единицах измеряются дозы?

Тесты для самоконтроля

1. Основные пределы доз персонала Б должны быть равны… значений персонала группы А.

1) 1/2;

2) 1/3;

3) 1/5;

4) 1/4.

 

2. Какой вид ионизирующего излучения обладает наибольшей проникающей способностью?

1) α-излучение;

2) β-излучение;

3) нейтронное излучение;

4) γ-излучение.

 

3. Поглощенная доза облучения, характеризующая лучевую болезнь 4 стадии, для всего тела для человека составляет…

1) 0,50 Гр;

2) 0,5-1 Гр;

3) 1-3 Гр;

4) > 6 Гр.