我國鈾礦通風降氡的發展歷程

李先杰，張 哲，胡鵬華，陳 剛，任建軍

(1.核工業北京化工冶金研究院，北京 101149； 2.核工業湖南礦冶局，長沙 410007)

氡致肺癌早在20世紀20年代由路德維格和洛倫森通過對中歐施內貝格礦工肺癌的調查得出，1951年貝爾通過對美國科羅拉多高原鈾礦調查，進一步指出鈾礦工肺癌主要是吸入氡子體造成的內照射所致，世界衛生組織國際癌癥研究機構(IARC/WHO)已經正式將氡列為致人類癌癥的Ⅰ類致癌物。因此，1958年我國鈾礦山建設之始就借鑒國外的經驗，注重氡的輻射危害防護，開展鈾礦通風降氡。

我國鈾礦冶工業體系已建立60多年，回顧我們走過的鈾礦通風降氡的發展歷程，取得的成績和應對的失誤都是極其寶貴的經驗。文獻[1]根據鈾礦工的年均個人劑量遞減變化，將我國鈾礦冶輻射防護的歷史分為4個階段，即：鈾礦冶輻射防護的建立階段(1958—1973年)，發展與鞏固階段(1973—1990年)，停滯與轉移階段(1990—2002年)，提升與前瞻階段(2002—2016年)，鈾礦工平均輻射劑量從初始1960年的270 mSv/a(回顧值)分階段下降為50 mSv/a(1966年)、30 mSv/a(1980年)、20 mSv/a(1998年)、7 mSv/a(2015年)[1-3]。鈾礦工輻射劑量的降低過程就是鈾礦通風降氡技術與管理的進步過程，主要是鈾礦通風降氡技術體系的發展與建立過程。因此，作者根據我國鈾礦通風技術的發展，以及通風與氡析出規律研究的不斷深入，將我國鈾礦通風歷史劃分為5個階段，分別是1958—1965年期間的鈾礦通風降氡技術學習建立階段，1966—1977年期間的技術發展平臺階段，1978—1989年期間理論與技術發展階段，1990—2002年期間停滯階段和2003—2016年期間的強化發展階段。與文獻[1]劃分的鈾礦冶輻射防護發展歷史不同之處在于1966年我國通風降氡技術發生了根本性的變化，從壓入式通風方式改變為抽出式通風方式。

1 鈾礦通風降氡技術學習建立階段(1958—1965年)

從1958年由前蘇聯援助我國建設711礦、712礦和713礦等3個鈾礦山開始到1965年是鈾礦通風降氡技術學習建立階段。這一階段的特點是參照前蘇聯的輻射防護技術規范對第一批3個鈾礦井的通風設計，組織學習通風降氡技術，并在學習的基礎上大膽探索。

在前蘇聯專家撤走以后，1962年二機部第一設計院組建了劑量防護專業組，江西南昌礦業研究所成立了鈾礦通風防護專業組，各廠礦也相繼建立防護劑量室，承擔起這一時期我國鈾礦通風降氡的重任。在這個時期，依靠科研、設計、生產“三結合”技術人員的共同努力，參照前蘇聯的技術規范，進行鈾礦井機械通風系統的設計與建設，同時開展通風方式和當量氡析出率的研究探討。先后開展了“采場氡析出率規律”研究、“氡析出率全巷動態法測定技術”研究、“抽出式通風方式可行性”研究[4]等。

這一時期的主要標志是：礦井通風均采用機械通風，主扇風機的工作方式采用壓入式，不僅前蘇聯專家設計的711、712、713礦，中國自己獨立設計的721礦721-2-3礦井、743礦301礦井、741礦701礦井等都采用壓入式通風。采用的氡析出率設計參數選用前蘇聯輻射防護技術規范提供的經驗數據。鈾礦工年均個人輻射劑量從1960年的270 mSv(回顧值)下降至1966年的50 mSv(估算值)[2]。

1965年“抽出式通風方式的可行性驗證實驗研究[5]”和“當量氡析出率的研究[6]”開啟了我國科技工作者對鈾礦通風降氡技術的研究探索。

引發對抽出式通風方式進行探索的原因是，針對前蘇聯專家設計的712礦2號主井，因主井石門過短，風門經常損壞，導致漏風嚴重，井下輻射防護條件極差，氡活度濃度較高。為了解決這一問題，原二機部第一設計院的通風技術人員提出采用抽出式通風方式改造712礦2號礦井。因抽出式通風使井下處于負壓狀態，不會出現主井漏風現象。但前蘇聯的輻射防護技術規范要求鈾礦井必須采用“壓入式”通風，“抽出式”通風會使氡大量釋放。為了驗證該條件，1965年二機部第一設計院的通風設計人員選擇在711礦東礦帶礦井進行試驗，利用該礦的反風裝置測量不同通風方式下的礦井氡析出量。實驗結果見表1[5]，并于1966年形成“711礦東礦帶壓入改抽出反風試驗總結報告”。

表1 711礦東礦帶氡析出量測量結果

該報告給出了此次試驗得到的3點結論性意見：1)抽出式通風方式的氡析出量比壓入式高9%～11%，相差不多，并未觀測到“氡的大量析出”，看來抽出式通風方式是可行的；2)壓入式氡析出量確實小一些，但漏風系數較大，比抽出式約大10%～20%，風門較多，管理維護難度大，綜合全面考慮，類似711礦、743礦的情況，抽出式通風優于壓入式，應采用抽出式為宜；3)類似711礦、743礦的情況，抽出式好，但不能絕對化，還不能得出鈾礦山通風壓入式在任何情況下都不如抽出式的結論，要具體情況具體分析，巖石孔隙度大、裂隙發育、單位當量氡析出量高，采用留礦法、崩落法多，崩落嚴重的，氡析出量抽出式高于壓入式的數量要多一些，這些有待今后去研究。

該報告的出爐，使我國鈾礦通風降氡設計發生了根本性的改變，抽出式通風方式被廣泛應用，新建鈾礦井不再出現主井嚴重漏風問題。

標志鈾礦通風降氡技術建立階段結束的另一項活動是對通風降氡設計主要參數“當量氡析出率”的深入研究。當時鈾礦通風設計使用的當量氡析出率參數來源于勘探巷道中采用全巷動態法測定的結果和前蘇聯輻射防護技術規范提供的經驗數據。引起對該參數進行研究的原因是743礦301礦井采用的廣東705地質隊提供的當量氡析出率實測數據設計，導致礦井通風量過大，出現“大馬拉小車”的現象。因此，1965年針對743礦301礦井開展了當量氡析出率測定研究，1979年再次測定，測量結果匯總于表2[6]。

表2結果顯示，301礦井的當量氡析出率變化較大，將某一次測量結果作為設計依據是不可接受的，顯然存在著對氡析出率變化產生重大影響的因素未掌握，需做進一步的研究。

表2 743礦301礦井歷次當量氡析出率測量結果

2 鈾礦通風降氡技術發展平臺階段(1966—1977年)

經過1965年壓入改抽出通風試驗，我國新建鈾礦井均采用了抽出式通風方式，通風降氡技術的發展進入了一個技術瓶頸平臺期。一方面受“文化大革命”的影響，技術研究活動大部分被中止。另一方面對鈾礦通風方式的認識還需要在實際應用過程中進行深入觀察，對氡析出率測量結果的不確定性也需要進行深入的分析思考。因此，這一階段鈾礦通風降氡技術發展基本處于優化通風系統管理。

711礦東礦帶壓入式改抽出式的實驗結果順利成為鈾礦井采用抽出式通風方式的有力依據，一批抽出式通風的鈾礦井相繼建設投產。該階段的主要特征是：已建鈾礦井均采用壓入式通風方式，新設計建設鈾礦井均采用抽出式通風方式。到1985年，我國25座鈾礦井中采用抽出式通風方式的為17座，占68%，采用壓入式通風方式的有8座，占32%，即，1966年以后設計的鈾礦井均采用抽出式通風方式。在沒有采空區干擾條件下，新建抽出式通風鈾礦井并沒有出現大量氡析出的狀況。但隨著我國第一、二批鈾礦山持續開采使采空區增多，第三批鈾礦山的建設，以及文革期間對“活命哲學”的批判，井下通風系統未及時調整，輻射環境出現惡化趨勢，井下氡活度濃度普遍升高，鈾礦工年均個人輻射劑量從1966年的50 mSv上升到1975年的110 mSv[3]。

3 鈾礦通風降氡理論與技術發展階段(1978—1989年)

1974年原衛生部頒布了國家標準《放射防護規定》(GBJ 8—1974)，對鈾礦井下空氣中氡活度濃度及氡子體濃度給出了3.7 kBq·m-3和6.4 μJ·m-3的限值要求。1976年在711礦發現了我國第1例鈾礦工肺癌[4]，以及云南個舊錫礦爆發大量礦工肺癌[7]，引起了原二機部對鈾礦冶輻射防護問題的高度重視。1978年原二機部礦冶局和安防局組織以核工業第六研究所(原南昌礦業研究所)為主，核工業第四研究設計院(原第一設計院)和711礦、712礦、743礦參加的為期3年的“鈾礦通風與降氡關系研究協助組”。完善鈾礦通風系統，提高礦井有效風量利用率，改善井下輻射環境。特別是通過進一步學習放射性物探中氡射氣的運移理論，在充分認識多孔介質中氡的擴散運移基礎上掌握了壓力梯度導致的空氣滲流對氡運移的影響規律，開始建立氡析出的滲流-擴散方程，在云南個舊錫礦老廠七區的通風系統改造中得到驗證，并將該理論應用于鈾礦井通風系統改造。

這一階段的標志是1982年原子能出版社出版了張哲著述的《氡的析出與排氡通風》[8]一書，系統闡述了鈾礦通風降氡的滲流-擴散理論，解釋了當量氡析出率測量結果變化較大等一系列問題，為鈾礦通風降氡技術發展奠定了堅實的理論基礎。“氡析出率局部靜態法測定”、“快速密閉方法”、“鈾礦井排氡通風技術規范(EJ 359—1989)”、“鈾礦井排氡子體風量計算方法(EJ 360—1989)”等一系列研究成果如雨后春筍破土而出。在此基礎上，于1981年、1985年和1986年先后召開了我國鈾礦山輻射防護學術討論會和國際鈾礦山輻射防護學術討論會，同期在英國國際礦業大會上提出了鈾礦控氡通風理論，受到其他國家同行的關注[4]。鈾礦工年均個人輻射劑量降至30 mSv左右，最低為22 mSv(1986年)。

4 鈾礦通風降氡技術發展停滯階段(1990—2002年)

從20世紀80年代中期開始，隨著我國改革開放的力度加大，1987年核工業開始“保軍轉民”，從面向國防建設向民用核電的戰略轉移，從計劃經濟向市場經濟轉變。降低生產成本、提高經濟效益成為企業生存的關鍵。因此，鈾礦冶企業開始“2+3”大調整，關停了一批資源接近枯竭和采礦、水冶成本居高不下的鈾礦山并進入退役治理，只保留了“8礦1廠”10個鈾礦井(見表3)，保留下來的鈾礦冶企業也全部采用開采與水冶成本較低的堆浸、地浸和原地爆破浸出等新工藝技術進行改造。

表3 保留的鈾礦井通風方式與采礦方法

這一時期，為了節約采礦成本，需要連續24 h不間斷運行的主扇風機在部分礦井也改為了間斷式運行，需要充填和密閉的采空區也不再執行，需要隨礦井開拓和采礦推進而及時進行的通風系統調整也不再進行，開采順序也未采用后退式回采方式，導致通風系統紊亂，風流污染嚴重，鈾礦工年均個人輻射劑量一直保持在20 mSv/a左右。

這一時期，鈾礦通風降氡技術研究也基本停止，僅在2000年進行了無軌采礦通風降氡技術初步探討。原核工業第六研究所通風防護研究室也在1993年改為氡實驗室，從事氡的計量技術研究和鈾礦冶設施退役治理技術研究。唯一從事鈾礦通風降氡技術研究的專業隊伍也轉向煙廠通風除塵技術改造服務，成立了核工業衡陽三力高科技有限公司。

5 鈾礦通風降氡技術強化發展階段(2002—2016年)

1998年10月杭州全國中青年輻射防護學術研討會上一篇題為“鈾礦工個人劑量計常規應用的實踐及其初步結果”[9]的文章報道了某鈾礦礦工個人劑量較高的問題，以及2002年794礦(原地爆破浸出鈾礦山)的102礦井炮煙中毒“4.6”特大安全事故，引起國防科工委、中國核工業總公司安防局和礦冶局領導對鈾礦通風安全的高度關注，開啟了新一輪鈾礦通風降氡技術的強化發展。

2002—2006年，在國防科工委的支持下開始對在役鈾礦井通風系統進行全面的調整改造，但由于通風降氡技術研究停滯了十多年，對新的無軌采礦、尾渣充填法采礦、原地爆破浸出法采礦、多中段同時采礦等情況下的氡析出規律認識不足，礦井氡釋放源項分析不全面，導致通風系統調整改造未完全達到目的。只是建立和完善了機械通風系統，基本消除了炮煙中毒的隱患，而鈾礦井中平均氡及氡子體活度濃度仍居高不下，分別為(3.0～6.6)kBq·m-3和(5.6～15.5)μJ·m-3，部分采場可高達196.7 kBq·m-3和36.4 μJ·m-3[1]。

為了加強鈾礦井下通風防護管理工作，提高鈾礦井通風降氡技術水平，改善礦井通風質量，有效降低井下輻射劑量水平，確保工作人員輻射劑量達到國家標準規范的要求，組建一支高水平專業化隊伍，2008年中核集團金原鈾業有限公司(原礦冶局)在核工業北京化工冶金研究院成立了“鈾礦冶礦井通風防護技術中心”，負責全鈾礦冶系統17座在役鈾礦井的通風系統監督檢查與調整改造，礦山通風技術人員培訓，并開展了“大茶園礦井充填系統評價”、“鈾礦山罐籠提升井提升量與通風系統關系研究”、“無軌開采礦山通風降氡技術研究”和“通風方式判別方法研究”等通風降氡技術研究。經過5年努力，促使全部在役鈾礦井采掘工作面平均氡及氡子體活度濃度從2009年的42 kBq·m-3和78 μJ·m-3下降至2014年的5.9 kBq·m-3和8.7 μJ·m-3，再到2015年的3.7 kBq·m-3和6.9 μJ·m-3。鈾礦工平均個人輻射劑量從2004年的12.26 mSv/a降至2013年的約7 mSv/a[3]，再到2015年的6.83 mSv/a[10]。

在這一強化發展階段，以氡析出滲流-擴散理論為基礎，模擬分析不同采礦方法條件下的氡釋放規律，指導礦井通風系統調整改造，逐步明確了鈾礦通風降氡的幾個關鍵。

1)抽出式通風礦井降氡的關鍵是對采空區氡釋放的控制

采空區不屬于礦井的生產空間，采空區中氡進入生產空間本身就不具有正當性。抽出式通風礦井開采進入中后期，采空區釋放的氡占礦井氡排放總量的50%～80%以上，成為礦井采掘工作面入風氡污染的主要來源，使得入風氡活度濃度在達到用風點前就已超過控制標準。對采空區的首要治理手段是“嚴密隔斷”。同時通過提高礦井入風風壓(即改為壓入式或壓抽聯合式)，或疏通采空區與回風巷的聯系，建立“負壓溝”的方式，調整采空區內風壓梯度的方向，使析出的氡背離入風流，直接進入回風巷。

2)調整采場內風壓分布，減少采場氡析出

采場的氡析出量主要來源于留礦堆、崩落礦體或充填體等松散體中的氡滲流，調整采場的風流流動方向，改變松散體中的空氣滲流方向是控制采場氡活度濃度的關鍵。留礦法采場的下行通風加局部抽排對降低采場氡活度濃度十分有效。

3)礦井內不同物質形態的氡析出具有不同的性質

巷道壁表面氡析出量隨礦井內通風壓力梯度的方向改變而改變，是可變氡析出量；礦井涌出水和爆落礦堆的氡析出量不隨通風壓力變化而變化，是恒定氡析出量；采場內充填體的氡析出量隨采場通風方式改變而改變，是可調氡析出量。控制礦井空氣中的氡活度濃度主要在于控制巖壁、采空區和采場內充填體的氡滲流方向，從而減少氡析出量。

4)提高有效風量利用率和風流布置是多中段同時采礦的降氡關鍵

在多中段同時開采過程中，風流的串聯污染以及風量分配不均是采場氡活度濃度較高的主要因素。采用風門阻斷與調節風流、密閉采空區和探礦天井等措施，是提高有效風量利用率的關鍵；建立間隔式中段通風網絡可有效解決風流的串聯污染。

5)保持入風潔凈是保證采掘工作面氡活度濃度達標的關鍵

核行業標準(EJ/T 359—2016)《鈾礦井通風及排氡技術規范》為采場風量計算規定了入風氡活度濃度小于1.0 kBq·m-3的限值要求，顯示了對入風氡活度濃度的高度重視。這一限制與采掘工作面氡活度濃度小于2.7 kBq·m-3和有充填作業的回風道氡活度濃度控制值5.4 kBq·m-3組成了鈾礦井下防氡降氡的標準要求，為鈾礦井通風設計和管理提供了技術規范。

6)礦井通風方式的確定是鈾礦井降氡控氡的前提

針對不同巖礦體和地質構造，不同采礦方法和礦井深度，鈾礦井氡滲流導致的總氡析出量控制與通風方式密不可分，也是全礦井氡活度濃度達標的關鍵。以氡滲流-擴散理論為依據，《鈾礦井通風及排氡技術規范》(EJ/T 359—2016)給出了鈾礦井通風方式的判別方法。根據礦井內不同物質形態的氡析出具有不同的性質特征，選擇合適的通風方式才能確保鈾礦井通風的經濟性、管理的便捷性和防護的可持續性。

6 新時期我國鈾礦通風降氡技術發展方向

我國鈾礦通風降氡技術自1958年學習探索，到初步建立以氡滲流-擴散理論為主的通風降氡理論至今已60多年。雖然，由于國際鈾價長期低迷，我國鈾礦冶企業又進入了一個以地浸開采技術為主的調整期。2016年關停了大部分生產成本較高、淺層鈾礦資源逐漸枯竭的地下礦山，以集約化、規模化開發利用地浸砂巖鈾資源為主，計劃建設3個千噸級規模的地浸采鈾基地，到2020年其產量將占全國天然鈾產量的80%以上[11]，仍在開采的地下礦山產量不到20%。但是，地下礦山開采的通風降氡仍是不可忽視的問題。隨著開采向深部延伸，開采深度達到700～800 m，面對較高地壓、較高地溫、較長風路的情況，井下氡的析出產生新的變化，通風降氡技術面臨新的問題。

自1990年ICRP出臺60號建議書后，世界主要鈾資源開采國對天然鈾生產設施提出了更嚴格的安全要求，加大了鈾礦采冶輻射防護技術的研究與開發力度，在鈾礦通風降氡措施上做了進一步的研究，使鈾礦井下氡活度濃度均保持在400 Bq·m-3以下。加拿大研究開發了地下鈾礦井輻射場的模擬技術和新風直接送達技術，對品位高達10%以上鈾礦床的開采采用了遙控無人開采設備，礦工職業照射的個人有效劑量控制在(0.8～3.8)mSv·a-1。澳大利亞Jabiluka鈾礦山加強了通風防護技術研究，礦工職業照射的個人有效劑量降至3.5 mSv·a-1；澳大利亞Olympic Dam鈾礦山將氡及氡子體所至內照射個人有效劑量降到了1 mSv·a-1，最大劑量不超過10 mSv·a-1。俄羅斯分析了各種礦石氡的射氣系數、擴散能力，并依據采場氡析出率給出的局部需風量計算礦井所需總風量，使氡子體所致內照射只占總劑量的20%[12-16]。但自2015年世界鈾價持續走低以后，天然鈾的生產格局已大量轉為地浸開采，地下礦山大部分關閉停產或減產，新的通風降氡技術研究基本未見報道。

對比我國與世界地下鈾礦通風防護狀況，我國鈾礦工的職業照射的個人有效劑量仍比世界平均水平高2～5倍，因此，我國鈾礦通風降氡技術的發展方向是：

1)以氡滲流-擴散理論為主導和實驗研究相結合，有目的地、系統地開展鈾礦通風降氡技術研究，特別是非穩態氡滲流-擴散模式研究，建立中國鈾礦通風降氡技術體系，解決以往“頭痛醫頭、腳痛醫腳”的鈾礦通風降氡技術研究方式。

2)將氡滲流-擴散理論原理應用于不同礦床形態、不同采礦方法、不同采礦深度的鈾礦通風降氡實踐，解決我國鈾礦工個人輻射劑量高于國外先進國家2～4倍的問題，確保鈾礦工的輻射健康，確保鈾礦冶的可持續發展。

3)開展鈾礦通風降氡技術優化研究，提高鈾礦通風降氡的經濟性。中國鈾礦萬噸礦石耗風量平均為12.07 m3·s-1，美國為4.3 m3·s-1，加拿大為5.91 m3·s-1，法國為7.91 m3·s-1，江西有色礦山3.89 m3·s-1[17]。由此可以看到，在達到輻射防護目的的前提下，中國鈾礦通風節能潛力巨大。

4)開展鈾礦山氡釋放控制技術研究，特別是采空區氡釋放控制，從源頭上降低鈾礦山釋放的氡對環境造成的污染。某無軌開采鈾礦山采空區的氡釋放量占礦井總排氡量的79.4%，留礦法礦井采空區的氡釋放量占礦井總排氡量的52%～57%。顯然，對采空區的氡釋放量的恰當控制將大幅度減少鈾礦井向地面環境排放的氡量。

5)在氡析出模擬、氡活度濃度自動連續監測、通風設備設施自動控制的基礎上開發鈾礦井通風系統自動化、信息化技術，實現鈾礦通風降氡系統的管理提升，實現鈾礦山輻射防護最優化目的。

總之，我國已進入建立中國特色鈾礦通風降氡技術體系的最佳時期。無論在實驗模擬研究、理論研究和應用實踐等方面均積累了豐富的經驗。對鈾礦井下氡的運移、防氡降氡新技術措施等多方面有了比較透徹的認識、了解和掌握。在可以預見的未來，具有中國特色的鈾礦通風降氡技術體系的建立，將有助于降低鈾礦工輻射劑量、節約通風成本、保護環境，促進綠色鈾礦山的建設與發展。