礦采和涵洞放射性氣溶膠動力學與控制對策研究

方芳 曹磊

摘 要：針對礦采和涵洞作業過程中，氡析出而引起放射性氣溶膠的形成機制進行討論，對其物理遷移規律進行初步分析，摸索控制對策。簡析作業過程中氡析出來源和放射性氣溶膠（氡釷射氣子體）物理遷移規律，巷道內空氣流速、溫度等參數是變化和不均勻分布的，氣溶膠和粉塵粒子遷移時不斷發生截斷、沉降和二次遷移，氡及其子體的遷移沉降與粉塵粒子的遷移沉降具有耦合相關性。礦采和涵洞作業引起的放射性氣溶膠遷移規律研究，有助于開展職業性肺部損傷和肺癌危害的進一步研究，從而改進控制對策。

關鍵詞：遷移規律;氡釷射氣子體;放射性氣溶膠

0 引言

從巖壁、被覆層、尾礦、采空區、硐室及巷道滲水等析出的氡和釷射氣形成了礦采和涵洞作業的氡環境。氡的短壽命子體（RaA，RaC'）衰變時釋放的α射線，能量高，半衰期短，氡釷射氣衰變子體與氣溶膠結合后，形成放射性氣溶膠（結合態子體），可長期懸浮于空氣中，吸入后引起人體氣管、支氣管和肺、腎組織的累積照射，進而引起組織損傷和致癌。

1 氡及放射性氣溶膠的主要來源

1.1 氡的主要來源

1.1.1巖縫析出

地下坑道縱深較長，結構復雜，出入口較小，巖石被覆很厚。濕度較大時，為控制坑道內的濕度，還會采用內循環的通風方式。巖縫內含氡空氣與巷道內空氣產生負壓差，促使氡向巷道內滲流。鈾鐳等放射性核素具有富集條件的巷道內，氡析出量越高。

1.1.2被覆層氡析出

被覆層厚的地下坑道內壁的巖石和土壤表面，不可避免的具有一定的氡析出。

1.1.3 水中氡的析出

氡會大量溶解于地下水或外部補充的水體（如濕法水霧、水簾、水炮降塵）。通過交換作用進入巷道后，由于水體流動及與空氣較小的分壓，加速氡從水中析出。

1.1.4微觀氣象條件和采空區爆下礦巖的影響

氡析出和擴散受到（壓力、濕度和溫度等）坑道微觀氣象條件的影響，同一地點的氡濃度隨氣象因素變化而變化。近被覆層表面的氡濃度可在一晝夜發生幾倍差異變化，一般情況下，凌晨高于午后，秋冬高于春夏。爆下礦巖因與空氣接觸的面積增大，氡大量向空氣中析出，是留礦法施工采場氡的主要來源。

1.2 放射性氣溶膠的形成機制和輻射劑量來源

氡是地球上唯一的氣態相存在的放射性核素，在不斷衰變的過程中，形成粒徑極小的金屬微粒而稱為氡子體，其具有荷電性。氡的未結合態子體約占衰變子體的5～10%，而結合態子體與礦塵、霧滴結合在一起，形成放射性氣溶膠。氣溶膠是氡子體的載體，通過人體呼吸的方式，將氡子體帶入人體內，沉積在支氣管和肺部，引起肺部損傷，約95%的輻射劑量是來自放射性氣溶膠的貢獻。

2 氡及其放射性氣溶膠的遷移動力學特性

2.1 環境參數等對氡及其放射性氣溶膠遷移的影響

從巷道巖縫或積水中滲出的氡氣體具有很強的向上運移能力，而且其向上運移要大于其橫向及向下的運移。氡在空氣中運移主要是擴散和對流作用，研究表明，擴散對氡遷移的貢獻顯著高于對流，相對低的氡濃度，對流僅有20%的貢獻。決定擴散特性的是巷道暴露面積中鈾鐳含量和擴散系數，外部因素對擴散的影響都會體現在析出率變化上，對流通常是由于壓力梯度或溫度梯度而引起的。減壓將有利于氡的擴散，壓入式通風比抽出式通風更有利于對氡析出的控制。濕度越高時，吸濕氣溶膠的粒徑增長較快，擴散阻力增大的同時，氡濃度將降低，但氡子體濃度變化不大。局部接觸面的風向波動對氡滲流起支配作用，風速波動影響較小，如當土壤滲透系數為10-10m2量級時，風向波動氡滲流率與靜態相比增加30～35%。通風變化對氡子體空間分布存在影響，但實驗結果表明其余環境參數對靠近巷道壁氡子體的空間分布影響很小。

2.2 粉塵粒子和放射性氣溶膠動力學的耦合相關性

礦采和涵洞內作業時，由于粉塵多分散相的存在，放射性氣溶膠粒徑超過1μm～2.5μm的部分將占很大比例，甚至將高于10μm，遠高于室內空氣中氣溶膠的0.1μm～ 0.2μm的典型粒徑分布范圍，這一發現與傳統所認為的人體呼吸道的主要氡沉積靶器官為氣管的支氣管部（0.1μm以下的在支氣管的附著比率較高）有所區別，通常可認為2.5μm及以上粒徑的氣溶膠粒子在肺內滯留的比率較高，而與呼吸性粉塵粒徑處于同一量級，則增大了兩者耦合遷移和沉降的幾率，亟待進一步研究。

3 控制對策研究

3.1 通風

受作業空間限制，放射性氣溶膠和粉塵濃度易于濃集。采場提供足夠的新風是稀釋和排出各種有毒有害物質的重要措施，通風也改善和調節了作業空間的微觀氣候條件，以便形成較為良好的工作環境。通風控氡措施：保證通風系統的完整性，進風井巷布置在鈾鐳核素較低的巖層中，而排風口設置在常年風向的下風側且高于地面;地下建筑結構復雜時，宜采用分區通風，如采用二次回風，其回路不能設置在人員活動頻繁的場所，防止二次污染;采場內應形成貫穿風流，避免工作面的串聯通風;作業中以機械通風為主，工作中需連續運轉，避免放射性氣溶膠的積聚。

3.2 個體監測和職業健康監護

礦采和涵洞作業中，氡釷子體放射性氣溶膠的監測已是實現個體監測的難點。目前更為嚴重的形勢是，為控制職業性塵肺的高發病率，我國對粉塵危害防治的重視程度遠高于氡照射。既往工作中，氡照射對職業健康效應的影響更多地歸為電離輻射天然照射控制的組成部分，因此，鮮見對呼吸性粉塵和氡釷射氣及其子體對人體的協同作用機制研究，協同個體監測問題則更為突出。中國核工業集團公司的潘自強院士在《氡防護標準和劑量評價中值得注意的幾個問題》（中國輻射衛生，2007，Vol.16，No.1）一文中給出的國際氡控制的基本觀點是：“如不能采用簡單的措施控制氡照射到行動水平之下，就應將其納入放射性作業進行管理”。國際放射防護委員會ICRP建議的干預行動水平為3～10mSv/a，相應的氡濃度為500～1500Bqm-3（平衡因子為氡子體濃度與氡氣體濃度的比值，國標取為0.4）?？紤]到礦山具體情況下，平衡因子可能差異很大，應進行修正。我國《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》GB18871標準中規定：“對工作場所500～1000Bqm-3時，應采取補救行動”。據不完全統計，全國范圍內總數約10萬座礦山內，氡濃度超過1500Bqm-3的礦山約為15%，涉及人群以百萬人計算，其中，金屬非金屬放射性伴生礦山，如鐵伴生稀土礦、磷酸鹽礦、錫礦等，氡照射尤為嚴重。完善個體監測和職業健康監護已迫在眉睫。

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作者簡介：

方芳（1985- ），女，漢族，北京人，博士，北京市化工職業病防治院副研究員，研究方向：職業病防治研究。

曹磊（1975- ），男，漢族，甘肅蘭州人，碩士學歷，北京市化工職業病防治院研究員，研究方向：輻射防護與輻射劑量學。

通訊作者：曹磊