高放廢物地質處置庫巷道掘進安全技術綜述

摘" 要：該文介紹高放廢物地質處置庫的基本情況，并論述高放廢物地質處置庫巷道掘進過程中產生有害因素的研究現狀。依據巷道掘進過程中產生的炮煙、粉塵、氡3種主要有害因素介紹掘進過程中有害因素的擴散規律，并從不同角度提出相應的應對措施。依據研究現狀提出目前研究存在的不足。

關鍵詞：高放廢物地質處置庫；巷道掘進；粉塵；炮煙；應對措施

中圖分類號：TD72" " " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）17-0178-04

Abstract： This paper introduces the basic situation of geological disposal repository of high-level radioactive waste， and discusses the research status of harmful factors produced in the process of roadway excavation of high-level radioactive waste geological disposal storehouse. According to the three harmful factors of blasting smoke， dust and radon， which are mainly produced in the process of roadway driving， this paper introduces the diffusion law of harmful factors in the process of tunneling， and puts forward the corresponding countermeasures from different angles. According to the current research situation， the deficiencies of the current research are proposed.

Keywords： geological disposal repository of high-level radioactive waste; tunneling; dust; blasting smoke; countermeasure

高放廢物具有半衰期長、放射性強、毒性大等特點，對環境的危害較大，目前可行的做法是深地質處置，核心是采用“多重屏障”有效包容和阻滯核素，使其對人類和環境不會造成無法接受的影響。通常將高放廢物處置庫設置在堅固的花崗巖中且埋深在500 m以上，但在爆破作業時，瞬間產生大量的礦塵，會在短時間內聚集在井下有限空間內，并具有濃度高、不易排出的特點。大量粉塵長時間在采場內聚集，會嚴重影響作業人員的身體健康。炸藥爆炸后，巷道內將積聚大量的炮煙，炮煙含有以一氧化碳和二氧化氮為主的有毒有害氣體，濃度嚴重超標。炮煙不僅造成井下環境的惡化，還嚴重危害著作業人員的安全與健康。除此之外工人們還面臨著處置庫圍巖中氡和氡子體的輻射風險。因此，對高放廢物處置庫的典型巷道進行巷道粉塵、炮煙、氡析出規律的研究是非常有必要的。

1" 高放廢物地質處置庫簡要概述

高放廢物的全稱是“高水平放射性廢物”，是一種對環境具有較大潛在危害的放射性廢物。大多產生于核電站乏燃料，即經達到設計燃耗、使用過的核燃料的后處理或直接處置，以及其他國防軍事設施。其特點在于放射性核素含量或濃度高、毒性大、會發熱并含有半衰期長的長壽命核素。“半衰期長”意味著高放廢物的放射性需要相當長的時間才能消除。

高放廢物處置庫是由天然屏障和人工屏障構成的復雜系統[1]。天然屏障包括圍巖及其周圍的地質構造；人工屏障包括整備過的廢物體，包裝材料，緩沖回填材料等。從地質角度來講，區域應地形平緩、地殼穩定，還需具備地表水系不發育、地下水貧乏、巖體完整、巖體工程質量優良和工程地質條件適宜等有利條件；從經濟條件和社會效應來講地區應盡量人口稀少、交通便利、土地無耕種價值、動植物資源和礦產資源貧乏，這樣才能避免影響未來區域經濟發展。

現在提到高放廢物處置庫，大部分是在討論高放廢物地質處置，即把高放廢物深埋于距離地表深度約500～1 000 m的處置庫中，通過多重屏障系統消除有害核素對生物圈的不利影響[2]。處置庫須在各種未來演化情景及不確定因素的影響下，實現對有害核素萬年以上的包容、隔離，以確保長期安全，滿足監管要求。甘肅北山大致就滿足這個條件，其高放廢物處置庫是一個位于500～700 m深花崗巖中的礦山式地下工程，處置庫圍巖為戈壁荒漠無人區二長花崗巖或花崗巖長巖。主體工程由人員豎井、廢物運輸豎井、入風井、出風井、螺旋斜坡道、主巷道、處置巷道、豎直處置坑或水平硐室組成，并基于地面地質、水文地質、深部環境研究獲得了北山預選區工程地質特征資料，初步開展了北山花崗巖物理力學特性和高放廢物處置工程概念模型研究[3]。高放廢物地質處置地下實驗室三維概念圖如圖1所示。

2" 高放廢物地質處置庫巷道掘進相關安全問題

在高放廢物地質處置庫巷道掘進的過程中，會產生很多危害人體生命健康的危害因素。在爆破炸藥爆炸后，會產生定量的粉塵、炮煙、稀有氣體氡等是主要危害因素。本文主要討論這3種危害因素在爆炸之后的擴散規律及在改變不同因素下相關問題的解決措施。

2.1" 炮煙擴散規律研究現狀

近些年來，隨著對炮煙擴散的研究越來越多樣化，許多學者運用不同的技術，例如數值模擬、理論分析等方法從不同角度研究了炮煙濃度的擴散規律。昆明理工大學王翔飛[4]理論分析了掘進巷道爆破后炮煙中CO的擴散規律，并實地監測地下礦山掘進巷道內CO的濃度，運用數值模擬驗證得出通風時間越長，炮煙帶中心的CO濃度越低，與現場實地監測結果基本一致。徐家俊等[5]以真實掘進巷道為試驗對象通過測定爆破后CO隨時間變化的擴散情況來研究巷道內爆破炮煙的擴散規律。試驗結果表明：當CO濃度達到峰值以后，呈現e指數衰減趨勢，符合負指數衰減變化規律，并得到其衰減方程。通過線性回歸的方法得出適合該專用行人巷工作人員進入巷道內的時間公式。杜翠鳳等[6]運用紊流變形理論和風速非均勻分布的規律研究某單條沿脈巷道通風爆破后有毒氣體和煙塵的排除過程，研究結果表明，巷道不同截面上的最高污染物濃度值隨著爆破地點距離的增加而衰減；截面上的炮煙濃度達到最高值后，其濃度按一定的規律下降；且有毒氣體到達允許濃度的時間比粉塵快。方鵬[7]運用CFD理論，利用GAMBIT軟件建模，使用Fluent軟件進行數值模擬，根據模擬結果表明，標準κ-ε瑞流模型是處理模擬氣體擴散問題的最佳選擇。風筒口距離掌子面越遠，則越超過有效射程距離，出現連個禍流區；一個在掌子面與回流區及射流區交界處，另一個在風筒出口處。張舸等[8]以某地下礦山獨頭巷道為研究對象，基于模型試驗研究、數據擬合，得出巷道中炮煙的濃度變化可認為按e指數規律衰減，按換氣次數法得到的衰減指數與指數的大小有一定的關系。炮煙散發過程中，炮煙拋擲區理論初始濃度與各巷道截面位置處的最大濃度有較強的線性關系。何磊等[9]通過數值模擬軟件構建錫鐵山礦水平穿脈獨頭巷道模型，研究錫鐵山礦穿脈掘進巷道爆破后炮煙的擴散規律，結果表明炮煙擴散所需要的時間與穿脈巷道長度和風筒口位置有關，穿脈巷道長度越長，風筒口到掌子面距離越長，炮煙擴散所需要的時間越長。陳贊成等[10]用數值模擬軟件構建了高寒礦井穿脈巷道掘進模型，對不同掘進進尺距離和風筒距掘進面距離下炮煙擴散進行模擬，得出了掘進不同距離時的通風方案，模擬結果還表明隨著風筒口距掘進工作面的距離增加，CO排除的速度越慢，通風時間與穿脈長度成正比。

2.2 降低炮煙濃度措施的研究現狀

隨著爆破技術的不斷發展，其應用的范圍越來越廣，控制濃煙的措施也被不斷地完善起來。王翔飛[4]通過正交實驗法分析影響炮煙濃度的影響因素的重要度排列順序為風筒直徑重要度大于風筒風速，風筒高度與風筒距掘進迎頭距離次之，以此進一步得出風筒優化方案。王時彬等[11]運用灰色系統理論，用圍巖以白云巖為主的巷道作為研究對象，對掘進面爆破后CO的濃度值進行分析和預測，并提出改進措施。其分析如下：在局部通風條件下，若要獨頭掘進面的CO濃度降到允許值，需要的通風時間比較長，因此可以選擇提高爆破工藝，或者改善炮孔充填材料等方法減少爆破時CO的產生，如進行富水炮泥填塞炮孔或者利用水封爆破。在排CO等有毒有害炮煙時，需要保證風筒出風口與工作面距離在有效射程之內，同時在掘進時盡量避免出現傾斜的獨頭巷道。獨頭巷道掘進工作面爆破后，CO的濃度變化規律可分為3個區，分別是穩定區、下降區、緩下降區。根據各個時間段區域的特點，可以通過增大局部通風風量使風流與CO進行充分混合，同時增加局部通風風速來加速風流流動，從而使CO的濃度迅速下降。獨頭巷道掘進工作面爆破后，必須要有專門人員對巷道進行CO的濃度檢測，當巷道CO濃度降低到允許濃度值24×10-6（ppm），工作人員才能進入巷道工作。徐家俊[12]以掘進工作面爆破后的炮煙為研究對象，基于紊流變形和擴散理論，利用數值模擬得出，當通風時間增加時，帶狀結果會越拉越長，紊流變形和擴散稀釋綜合會使內部CO濃度降低。只增大通風量不能實現減低整體炮煙濃度的目的，甚至會導致炮煙的主體帶運移距離增加，同時還有可能會導致炮煙在通過工作人員躲炮的位置時還未降低到允許濃度值的情況發生。

2.3 粉塵分布規律研究現狀

為了維護安全生產秩序，保障工作人員安全，越來越多的研究人員通過實驗、數值模擬等方法，尋找粉塵的分布規律。張生等[13]通過實時監測淮北礦業集團公司楊柳煤礦103采區變電所巷道內爆破前后的粉塵濃度來研究爆破粉塵的回風特性，實測結果表明，爆破粉塵的濃度變化具有“雙峰特性”，并對該回風特性產生的原因進行了分析，在此基礎上，提出針對此特性的綜合治理措施。

蔣仲安等[14]根據氣固兩相流動的運動方程和相似準則數設計實驗，確定掘進巷道中粉塵分布規律。研究結果得出，在掘進巷道中，粉塵的運動規律是稀相的氣固兩相流動。在粉塵濃度、塵粒直徑分布、產塵位置和方向等相似的條件下，掘進巷道的相似準則數為4個，分別是Stk、Rep、Re和δ1。掘進巷道中粉塵濃度隨著距離的增加而降低，達到一定距離后趨于穩定。掘進巷道中氣流速度對呼吸性粉塵濃度影響較小，而對全塵濃度影響較大。全塵濃度降低速度隨氣流速度的增大而減慢，甚至可以使已沉積的粉塵飛揚，因此，掘進巷道內的風速必須要控制。李曉健等[15]基于氣固兩相流理論，利用Fluent數值模擬對巷道爆破后粉塵的擴散規律進行探究，模擬結果表明，細微粉塵在爆破后2～6 s內大部分都位于坑道0～40 m處的上部位置，此時細微粉塵濃度最高，可以在較小區域內捕集到最多的粉塵，大粒徑粉塵基本都可以自然沉降。王曉珍等[16]根據氣固兩相流理論，采用計算流體力學的離散相模型，使用Fluent軟件對抽出式通風煤巷掘進過程中粉塵濃度分布規律進行數值模擬，根據模擬結果得出，呼吸性粉塵與全塵的濃度沿程分布曲線的趨勢大抵一致，其變化規律都是從掘進工作面開始粉塵的濃度快速下降；之后是粉塵濃度在較小的數值范圍內波動；最后粉塵濃度逐漸減少，直至排出巷道之外。

2.4" 降低粉塵濃度措施的研究現狀

礦井中大量存在的粉塵對安全生產造成了很大的威脅，我國不同學者通過研究提出了許多降低粉塵濃度的措施。王亞森[17]以朱仙莊礦建工區施工的88運輸大巷掘進工作面為研究對象，利用Fluent軟件數值模擬得出，長壓短抽式通風條件下，可以很好地降低巷道內粉塵的濃度；當防塵水幕豎直向下噴射時，粉塵的沉降效果較為明顯。通過使用三因素四水平正交實驗的方法，對壓抽風筒與壓抽比和工作面的距離進行極差分析，得到壓風口距離工作面為24 m，壓抽比為1∶4，抽風口距離工作面為6 m。通過實測值與模擬值的對比分析表明，在距離工作面10 m處及距離抽風側煤壁較近時粉塵濃度會達到最高，在距離工作面40 m左右處粉塵的濃度降低且趨于穩定。

2.5" 氡析出規律的研究現狀

近15年來，中國鈾礦通風處于強化發展階段，以氡析出滲流-擴散規律指導不同采礦方法下的通風防護技術研究與應用，正在向形成具有中國特色的通風降氡技術體系發展[18]。

3" 高放廢物地質處置庫巷道研究的不足

我國目前的乏燃料管理能力，存在乏燃料管理壓力增大、核電發展面臨可持續性問題突出、核燃料循環后段需求日益迫切的實際情況，使得高放廢物地質處置庫建設迫在眉睫，關于高放廢物地質處置庫巷道方面的研究依然存在一些不足。

3.1" 對高放廢物地質處置庫巷道掘進研究較少

關于絕大多數巷道掘進研究對象是獨頭長巷道，而專門針對高放廢物地質處置庫巷道掘進內容的研究較少。在未來，高放廢物地質處置庫的建設將愈發重要，巷道掘進為處置庫建設的關鍵一步，這方面的研究還需增加。

3.2" 巷道掘進有害因素處理措施單一

無論是獨頭巷道還是高放廢物地質處置庫巷道的掘進，在降低炮煙、粉塵、氡濃度措施上，大多研究方向為改變通風風量或者控制環境溫度等單一變量，從而來降低上述有害物質的濃度；而對關于通風風量和溫度兩者耦合的條件下降低有害物質深度的研究較少。

4" 結束語

本文從高放廢物地質處置庫巷道安全問題分析的角度出發，首先簡要介紹高放廢物地質處置庫的基本情況，然后對高放廢物地質處置庫巷道掘進過程中產生的主要有害因素研究現狀進行介紹；依據巷道掘進過程中產生的炮煙、粉塵、氡氣主要有害因素在掘進過程中的擴散規律，在減少炮煙濃度方面，從變化通風時間和風筒直徑改變通風風量、改進掘進方式、提高爆破工藝等角度提出相應的應對措施；在減少粉塵濃度方面，從改變抽壓風筒的風筒比、距壓風口距離及不同通風除塵系統方面提出解決措施；在降低氡濃度方面，從改變風速、壓力、含水率、通風量和環境溫度等角度提出相應的應對措施。

參考文獻：

[1] 王駒.中國高放廢物地質處置21世紀進展[J].原子能科學技術，2019，53（10）：2072-2082.

[2] 劉帥，王駒，劉曉東，等.甘肅北山預選區地質處置系統初步FEPs分析[J].東華理工大學學報（自然科學版），2012，35（3）：256-262.

[3] 段先哲，王燦州，王駒，等.高放廢物地質處置進展和安全評價研究[J].工業安全與環保，2021，47（7）：98-102.

[4] 王翔飛.獨頭巷道炮煙一氧化碳分布研究與風筒布置優化[D].昆明：昆明理工大學，2021.

[5] 徐家俊，夏方順，梁俊奇.專用行人巷掘進爆破炮煙擴散規律研究[J].煤炭與化工，2020，43（8）：117-120.

[6] 杜翠鳳，于明章，李懷宇.單條沿脈巷道通風網路炮煙運動分析及對策[J].金屬礦山，2000（6）：40-42，58.

[7] 方鵬.礦山獨頭巷道炮煙擴散規律的數值模擬研究[D].昆明：昆明理工大學，2013.

[8] 張舸，曹楊，紀洪廣，等.獨頭巷道中炮煙散發規律及濃度預測模型試驗研究[J].現代隧道技術，2014，51（4）：150-154.

[9] 何磊，張少杰.基于CFD的錫鐵山礦穿脈掘進巷道炮煙擴散規律研究[J].中國礦山工程，2012，41（5）：1-4.

[10] 陳贊成，楊鵬，呂文生，等.高寒礦井穿脈巷道掘進炮煙擴散規律的數值模擬[J].北京科技大學學報，2011，33（5）：521-525.

[11] 王時彬，陳日輝，劉世濤，等.獨頭掘進面爆破后CO濃度變化分析及預測[J].科學技術與工程，2014，14（6）：101-103，107.

[12] 徐家俊.獨頭巷道掘進爆破炮煙擴散規律研究[D].廊坊：華北科技學院，2020.

[13] 張生，蔣宜宸，劉建國.巖巷炮掘煙塵回風特性與治理措施研究[J].能源與環保，2019，41（4）：63-65，69.

[14] 蔣仲安，金龍哲，袁緒忠，等.掘進巷道中粉塵分布規律的實驗研究[J].煤炭科學技術，2001（3）：43-45.

[15] 李曉健，賈敏濤，任甲澤，等.巷道爆破有毒有害氣體及粉塵擴散規律探究[J].現代礦業，2021，37（8）：200-203.

[16] 王曉珍，蔣仲安，劉毅.抽出式通風煤巷掘進過程中粉塵濃度分布規律的數值模擬[J].中國安全生產科學技術，2006（5）：24-28.

[17] 王亞森.綜掘工作面巷道內通風風流與粉塵分布規律的數值模擬研究[D].淮南：安徽理工大學，2021.

[18] 李先杰，張哲，胡鵬華，等.我國鈾礦通風降氡的發展歷程[J].輻射防護，2021，41（1）：9-16.