На правах рукописи МИРОНЕНКОВА Наталья Александровна ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ СХЕМ ВЕНТИЛЯЦИИ

На правах рукописи
МИРОНЕНКОВА Наталья Александровна
ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ СХЕМ ВЕНТИЛЯЦИИ
ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ
ТОННЕЛЕЙ В РАДОНООПАСНЫХ РАЙОНАХ РОССИИ С
СУРОВЫМ КЛИМАТОМ
Специальность 05.26.01 – Охрана труда
(в горной промышленности)
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2008
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении профессионального образования СанктПетербургском государственном горном институте имени
Г.В. Плеханова (техническом университете).
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Семен Григорьевич Гендлер
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Качурин Николай Михайлович
кандидат технических наук
Стамат Иван Павлович
Ведущая организация: ОАО «НИПИИ «Ленметрогипротранс».
Защита
диссертации состоится 16 мая 2008 г.
в 13 ч 15 мин на заседании диссертационного совета
Д 212.224.06 в Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом
университете) по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я
линия, дом 2, ауд. 1160.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке
Санкт-Петербургского государственного горного института.
Автореферат разослан 15 апреля 2008 г.
УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ
диссертационного совета
д.т.н., профессор
Э.И. БОГУСЛАВСКИЙ
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В последние годы в РФ многократно
увеличилось число строящихся и эксплуатируемых железнодорожных тоннелей. Значительное число этих тоннелей расположено в районах, считающихся опасными по выделению радона. В этих районах эксплуатируются
часть железнодорожных тоннелей Абакан –Тайшетской дистанции Красноярской железной дороги, тоннели Байкало-Амурской магистрали (Восточно-Сибирская дорога), тоннели Забайкальской дороги и т.д.
Данные, характеризующие радиационную обстановку в подземных сооружениях, где происходит выделение радона, показывают, что
для этих сооружений характерны высокие значения внутреннего облучения обслуживающего персонала. В ряде случаев уровни облучения превышают пределы дозы, установленные для персонала группы А. Для
обеспечения безопасной работы людей в этих условиях необходимо
применение специальных мероприятий, аналогичных используемых на
урановых рудниках.
Наиболее эффективным из них является увеличение количества
воздуха, подаваемого в горные выработки. Однако, для железнодорожных тоннелей, расположенных в районах с суровым климатом, увеличение количества подаваемого воздуха может привести к интенсификации
процессов образования наледей и значительному повышению энергетических затрат на создание регламентируемых тепловых режимов.
В условиях ограниченной возможности применения мероприятий по уменьшению контакта воздуха с радоновыделяющими поверхностями (вода, горных массив) наиболее целесообразным является разработка рациональных схем вентиляции, учитывающих в каждом конкретном случае особенности формирования радиационной обстановки.
Основные стратегические направления решения проблемы снижения и контроля доз облучения природными источниками ионизирующего излучения производственного персонала при подземных работах по
добыче радиоактивных и других полезных ископаемых, отражены в работах Э.М. Крисюка, М.В. Терентьева, Р.П. Терентьева, М.В. Глушинского,
И.В. Павлова, И.Л. Шалаева, Л.Д. Салтыкова, Е.Н. Каменева,
А.А. Смыслова, Ф.И. Зуевича, С.Г. Гендлера, И.П. Стамата, Ю.А. Лебедева,
А.Д. Альтермана, А.В. Быховского, Н.М. Качурина и ряда других отечественных и зарубежных авторов. Вместе с тем, проблема нормализации
радиационной обстановки при эксплуатации протяженных железнодорожных тоннелей, возникшая в связи с вводом в действие ряда протяженных тоннелей России, изучена недостаточно глубоко.
3
Цель работы – снижение уровней облучения персонала, обслуживающего транспортные тоннели, расположенные в радоноопасных
районах, до нормативных значений.
Основная идея работы. Нормализация радиационной обстановки в выработках транспортных тоннелей осуществляется в результате
применения схем вентиляции локализирующих участки выработок с повышенным дебитом радона и обуславливающим минимальные энергетические затраты на создание теплового режима, исключающего образование наледей.
Основные задачи работы:
 проведение комплекса натурных исследований, включающего воздушные и радоновые съемки, на Северомуйском железнодорожном тоннеле;
 анализ особенностей формирования радиационной обстановки в
железнодорожных тоннелях и определение совокупности влияющих факторов;
 оценка гигиенической обстановки в горных выработках при эксплуатации Северомуйского тоннеля;
 теоретическое исследование процесса накопления радона в воздушном потоке для рециркуляционной схемы проветривания;
 определение мощности калориферных установок для схем вентиляции с рециркуляцией и с раздельной подачей воздуха в транспортные и
служебные выработки тоннелей;
 обоснование рациональных схем вентиляции тоннелей по радиационному и тепловому фактору.
Научная новизна.
Установлены закономерности формирования радиационной
обстановки при эксплуатации железнодорожных тоннелей, характеризующие пространственную и временную динамику содержания в
воздушной среде радона и его дочерних продуктов при сложной топологии источников дебита радона в выработках тоннелей, а также
сезонные изменения направления и величины расхода воздуха вследствие действия естественной тяги и поршневого эффекта.
Основные защищаемые положения:
1. Особенностями формирования радиационной обстановки в железнодорожных тоннелях в отличие от выработок горнодобывающих
предприятий являются преобладающий характер выделения радона из
воды, сложная топология источников радона, периодическое изменение
направления движения и расхода воздуха.
4
2. Вычисление доз облучения персонала, обслуживающего транспортные тоннели, с последующей гигиенической оценкой условий труда,
должно осуществляться при средних, за время движения по выработкам,
значениям эквивалентной равновесной объемной активности радона.
3. Выбор схем вентиляции железнодорожных тоннелей в районах с
суровым климатом и выделением радона в выработках необходимо осуществлять с учетом топологии источников выделения радона при выполнении условий минимизации энергетических затрат на обеспечение нормативной радиационной обстановки и создания теплового режима,
предотвращающего образование наледей.
Методы исследований Работа выполнена с использованием комплекса исследований, включающего системный анализ проблемы на основе изучения трудов отечественных и зарубежных ученых, патентноинформационный анализ, натурные исследования на действующих железнодорожных тоннелях, статистический анализ данных натурных измерений на основе современных программных средств с использованием
ЭВМ; аналитическое решений задач по формированию радоновой обстановки в горных выработках, аналитическое решение задач теплообмена.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается большим объемом натурных исследований на действующем
железнодорожном тоннеле, метрологическим обеспечением экспериментальных исследований, применением современных методов обработки
экспериментальных данных, удовлетворительным соответствием результатов исследований с данными других авторов, использованием аналитического аппарата, базирующегося на фундаментальных законах сохранения массы и энергии.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
 установлены основные источники выделения радона в выработках железнодорожных тоннелей, расположенных в зонах повышенной
радоноопасности;
 разработана методика измерения скорости воздуха при движении
по тоннелю транспортных средств;
 выполнена гигиеническая оценка условий труда для различных
профессий на Северомуйском железнодорожном тоннеле;
 разработана методика расчета равновесной эквивалентной объемной активности радона в воздухе при рециркуляционном проветривании;
 обоснованы рациональные схемы проветривания железнодорожных тоннелей по радиационному и тепловому факторам.
5
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались и получили одобрение научной общественности на всероссийских и международных конференциях, в том числе: ежегодной конференции «Неделя горняка» (Москва 2006, 2007 гг.); международной конференции «Воздух «2007», (С. Петербург, 2007 г.); международной конференции “Экология и развитие общества”, (С.Петербург, 2007 г.); всероссийской научной конференции «Проблемы рудничной аэрологии и безопасной разработки месторождений полезных ископаемых». (Пермь,
2007 г.); на ежегодных научных конференциях молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» (С. Петербург, 2005, 2006, 2007
гг.).
Личный вклад автора заключается:
 изучение, анализ и обобщение литературных и проектных материалов;
 участие в проведении натурных исследований;
 обработка и интерпретация данных натурных измерений;
 осуществление гигиенической оценки условий труда на рабочих
местах Северомуйского тоннеля;
 расчетный анализ радиационной обстановки при различных схемах проветривания;
 обоснование рациональных схем вентиляции по радиационному и
тепловому фактору.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы
опубликованы в 4 научных трудах, в том числе: 3 научных статьях и одном тезисе доклада на конференции.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения,
четырех глав и заключения, изложенных на 147 страницах машинописного
текста, содержит 42 рисунка, 17 таблиц и список литературы из 124
наименований.
Автор выражает глубокую благодарность и признательность
научному руководителю, профессору, доктору технических наук
С.Г. Гендлеру за идею, которая послужила основой проведения исследований, за помощь в процессе выполнения работы, зав. кафедрой
Безопасности производств и разрушения горных пород, заслуженному
деятелю науки РФ, профессору, доктору технических наук
Ю.В. Шувалову по постоянное внимание и поддержку, оказанную в
6
ходе выполнения работы, а также всем сотрудникам кафедры БП и РГП.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Основные результаты исследований отражены в следующих
защищаемых положениях:
1. Особенностями формирования радиационной обстановки в железнодорожных тоннелях в отличие от выработок
горнодобывающих предприятий являются преобладающий
характер выделения радона из воды, сложная топология источников радона и периодическое изменение направления
движения и расхода воздуха
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. 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%.
Особенности формирования радиационной обстановки в железнодорожных тоннелях были изучены на примере 15-км Северомуйского тоннеля Восточно-Сибирской железной дороги. Тоннель,
являясь самым протяженным тоннелем в России, пройден в сложных
горно-геологических условиях, характеризующихся высокими дебитами радоносодержащих вод, поступающих в выработки через тектонические разломы (дебит достигает 200-300 м3/ч). Схема основных
выработок Северомуйского тоннеля представлена на рис. 1.
Радиационная обстановка в выработках Северомуйского тоннеля (СМТ) изучалась силами сотрудников СПГГИ (ТУ), начиная с
1998 года вначале в период его строительства, а с ноября 2003 года –
во время эксплуатации. Основу методики исследований во все периоды составили совмещенные воздушные и радиационные съемки, проведение которых осуществлялось с помощью термоанемометров типа МЭС -200, ТАММ-20, дозиметров ДРГ-01Т, ДБГ-06Т и радиометров аэрозолей РАА-01, 02 и РГА-01Т.
7
В период эксплуатации тоннеля для анализа радиационной
обстановки были использованы данные измерений эквивалентной
объемной активности радона (ЭРОА радона) стационарными станциями, оборудованными радиометрами РРА-01М-03, входящими в состав автоматической системы управления технологическими процессами (АСУ ТП).
Рис. 1. Схема выработок Северомуйского тоннеля
В процессе проведения исследований были также использованы методы, позволяющие подтвердить результаты радоновых съемок. Так в случае, когда локальным источником радона являются
подземные воды, поступающие в горные выработки из окружающих
их пород, проводились измерения удельной активности радона в воде. Когда же предполагалось, что основным источником поступления
радона служат сами горные породы, окружающие выработки, осуществлялись исследование проб на содержание в них 226Ra .
Анализ результатов натурных исследований показал, что основным источником поступления радона в выработки СМТ, являются
радоносодержащие воды, текущие по почве и стенам выработок.
Скорость выделения радона по длине транспортного и служебного
8
тоннелей (L), приведенная на величину их поверхности, представлена
на рис. 2.
, Бкм-2с-1
7
ЖДТ
РДШ
6
5
4
3
2
1
0
Западный
портал0 1
L, км
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 Восточный
15
портал
Рис. 2. Скорость выделения радона по длине транспортного и
служебного тоннелей. (ЖДТ- железнодорожный тоннель, РДШ –
разведочно-дренажная штольня)
Из рисунка 2 следует, что основные источники радона сосредоточены на участках длиной 5 км и 3 км, прилегающих соответственно к западному порталу и восточному порталу, что объясняется наличием на
этих участков геологических разломов с высокими дебитами дренирующихся подземных вод, насыщенных радоном.
Удельная активность радона в воде определялась для источников,
имеющих наибольший дебит воды. Было обследовано 30 источников на
восточном крыле тоннеля и 20 источников на западном крыле. Кроме
того, была измерена удельная активность (УА) радона в воде, движущейся по лотку в РДШ. В процессе измерений было установлено, что УА радона в воде источников, изменяется в диапазоне 30 – 140 Бк/кг.
226
Удельная активность Ra в горных породах не превышает 35
Бк/кг, что соответствует среднему по земной коре кларковому значению.
232
Удельная активность Th также мало отличалась от кларковой. Актив40
ность K (до 1500 Бк/кг) соответствует содержанию калия в гранитах, и
также является типичной для окружающих выработки пород, представленных порфировидными лейкократовыми гранитами, лейкократовыми
апливидными гранитами и калишпатовыми порфировидными гранита226
232
40
ми. Такие значения УА Ra, Th и K обусловили значения мощности
эффективной дозы гамма-излучения (МЭД) и объемную активность
9
естественных радионуклидов (ЕРН) в воздушной среде, соответственно
составляющие 0,09-0,30 мкЗвч-1 и 1 – 8,610-3 Бк/м3, что намного ниже
нормативных величин.
Таким образом, на основании проведенных исследований показано, что основным источником выделения радона являются радоносодержащие воды, поступающие в выработки тоннеля. При этом даже в
случае отсутствия значительных водопроявлений, вода, содержащая
радон, поступала в выработки через поры и трещины на тех участках,
где отсутствует сплошная бетонная крепь.
Изменение направления движения вентиляционной струи на
распределение ЭРОА радона были изучены в летний период 2004 года
путем изменения режимов работы вентилятора ВОМ-18, расположенного в нижнем вентиляционном узле ствола №2. Было установлено, что
при реверсивном режиме работы вентилятора с подачей свежего воздуха
в выработки по стволу №2 и удалении загрязненного воздуха через порталы тоннеля и штольни, максимально зарегистрированные значения
ЭРОА радона оказываются ниже значений измеренных при прямом режиме работы, характеризующегося поступлением свежего воздуха через
порталы и его удалением через ствол №2, в более, чем в 3 раза (соответственно 2200 и 6600 Бк/м3). Это объясняется тем, что при реверсивном
режиме работы вентилятора время удаления воздуха, обогащенным радоном и его ДПР в зонах его максимального выделения, значительно сокращается, так как эти зоны приближены к порталам. Кроме того, при совпадении направлений движения воздушной струи и водяного потока снижается количество радона, поступающее в воздух из воды.
Движения поездов приводит к существенному изменению количество воздуха, перемещающемуся по железнодорожному тоннелю.
Замерами, проведенными летом 2004 года, установлено, что при совпадении направлений движения воздушного потока и поездов скорость
воздуха увеличивается в 2,5 раза. При этом средняя скорость воздуха в
период нахождения поезда в тоннеле равна 3,97 м/с, а расход воздуха достигает 153 м3/с. Анализ данных измерений показал, что полное время
действия поршневого эффекта составляет 22,82 мин. Время стабилизации
воздушного потока при выходе поезда из тоннеля равно 4,9 мин.
Увеличение количества воздуха отражается и на динамике содержания радона в воздушной среде. На короткое время до и после прохождения состава, когда скорость воздушного потока возрастает, ЭРОА
радона снижается примерно на 20%.
Для периодического движения поездов характерно почти двух –
трех кратное снижение ЭРОА радона в тоннельном воздухе. Так, при
10
последовательном пропуске через тоннель 5 поездов ЭРОА радона снизилась до 800 – 1000 Бк/м3.
Таким образом, радиационная обстановка в тоннеле формируется за счет радона и ДПР. При этом, основным источником выделения
радона являются радоносодержащие воды, относительный вклад которых в общем дебите радона достигает 75 – 80%.
2. Вычисление доз облучения персонала, обслуживающего
железнодорожные тоннели, с последующей гигиенической оценкой
условий труда, должно осуществляться при средних за время движения по выработкам рабочих значениям эквивалентной равновесной объемной активности радона.
Обслуживание железнодорожных тоннелей связано с ежедневным контролем состояния пути, обделок тоннеля и тоннельных сооружений различного назначения (путевые и людские ниши, дренажные
устройства и т.п.). Помимо этого, в каждом тоннеле имеются постоянные рабочие места. Например, для Северомуйского железнодорожного
тоннеля такие места располагаются у порталов тоннеля и штольни (обслуживание портальных вентиляционных ворот и калориферных установок), у вентиляционных установок, находящихся у стволов, в местах
осуществления работ по водопонижению (бурение, оборудование скважин). Если в местах постоянного пребывания рабочих величина годовой
дозы рассчитывается по результатам измерения ЭРОА радона в течение
годового периода, то в случае постоянного изменения рабочего места,
связанного с движением рабочих по тоннельным выработкам (ЖДТ И
РДШ) необходима достоверная информация о маршруте обходчика,
полном времени его нахождения в тоннеле и времени пребывания на
конкретных метах. Непосредственное получение этой информации требует значительного объема измерений, что при ограниченном контингенте лиц, занятых контролем радиационной обстановки, представляется невозможном. В этой связи предлагается на основании
данных натурных измерений ЭРОА радона по длине тоннельных выработок, осуществленных для каждого периода года с различными
вентиляционными режимами, определить среднее значение ЭРОА
радона. Это значение в дальнейшем и следует использовать для оценки годовой дозы облучения.
Оценка радиационной обстановки в Северомуйском тоннеле
была осуществлена для 2004 – 2005 годов. При этом были использованы
результаты натурных измерений ЭРОА радона в зимний период 2003
года и летом 2004 года, а также данные радиометров АСУ ТП. На рис.
11
3, 4 приведены типичные распределения ЭРОА радона в ЖДТ и РДШ
для летнего периода.
ЭРОАRn, Бк/м3
3000
2000
1000
L, км
0
0
Западный
портал
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Восточный
портал
Рис. 3. Распределение ЭРОА радона по длине ЖДТ
ЭРОАRn , Бк/м3
6000
5000
4000
3000
2000
1000
L, км
0
Западный0
портал
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Рис. 4. Распределение ЭРОА радона по длине РДШ
12
15Восточный
16
портал
В зимний период распределение радона по длине тоннеля и
штольни монотонно увеличивается от порталов к стволу 2, по которому загрязненный воздух удаляется из выработок тоннеля.
Анализ результатов измерений свидетельствует о том, что радиационная обстановка в ЖДТ и РДШ в целом отклоняется от обстановки,
регламентируемой НРБ – 99 не только для персонала группы Б, но и для
персонала группы А. Значения ЭРОАRn в ЖДТ достигают 2000 Бк.м-3, а
в РДШ – 5000 Бк.м-3, т.е. превосходят нормативные величины для персонала группы А соответственно в 1,6 и 4 раза.
По результатам измерения распределения ЭРОА радона в выработках Северомуйского тоннеля были вычислены значения средних значений ЭРОА радона за 2004 и 2005 годы по ЖДТ и РДШ, а также средние
за год значения ЭРОА радона у западного и восточного порталов тоннеля
и мест расположения вентиляционных установок (стволы №№1,2,3,4).
Так как, дозовая нагрузка, в основном, обусловлена внутренним облучением за счет ДПР, то расчет годовых доз был осуществлен для величин
годового поступления ДПР, соответствующим персоналу группы А, фактической годовой продолжительности работы разной категории рабочих и
объему вдыхаемого воздуха.
Результаты расчетов приведены в таблице 1. В этой же таблице в
соответствии с рекомендациями «Руководства по гигиенической оценке
факторов рабочей среды и трудового процесса. Критерии и классификация условий труда» (Руководство Р. 2.2.2006 – 05) установлены классы
условий труда при работе с источниками ионизирующего излучения.
Таблица 1. – Классы условий труда для персонала, занятого при
эксплуатации Северомуйского тоннеля
Место
год
Обходчики
тон- штольнель
ня
порталы
Ствол
№1
Ствол
№2
Ствол
№3
Ствол
№4
2004
8,45
мЗв
22,9
мЗв
4,97
мЗв
10,7
мЗв
16,3
мЗв
17,1
мЗв
6,32
мЗв
2005
9,0
мЗв
17,9
мЗв
3,6 мЗв
12,9
мЗв
27,7
мЗв
13,4
мЗв
3,22
мЗв
Класс
вредности
3.1
3.3
2
3.2
3.3
3.2
2
Анализ данных, представленных в таблице, свидетельствует
о том, что во всех случаях, за исключением порталов тоннеля, годовая эффективная доза превышает уровень 5 мЗв, что дает основание
отнести рабочие места к классам вредности 3.1-3.3. Следует отме13
тить, что если бы оценка класса вредности для обходчиков осуществлялась не по среднему, а максимальному значению ЭРОА радона, то
класс вредности соответствовал бы опасному классу работ, что потребовало бы ликвидации этих рабочих мест и затруднило бы проведение работ по обслуживанию тоннеля.
3. Выбор схем вентиляции железнодорожных тоннелей в
районах с суровым климатом и выделением радона в выработках
необходимо осуществлять с учетом топологии источников выделения радона при выполнении условий минимизации энергетических затрат на обеспечение нормативной радиационной обстановки и создания теплового режима, предотвращающего образование наледей.
Выбор рациональной по радиационному фактору схемы проветривания был осуществлен с помощью математического моделирования распределения ЭРОА радона по длине тоннеля и штольни. Для
осуществления математического моделирования были использованы
известные модели накопления радона и ДПР, предложенные (Павловым И.В., Покровским С.С., Камневым Е.Н.) и апробированные для
выработок транспортных тоннелей Терентьевым Р.П. Для условий
рециркуляционных схем проветривания, применяющихся в настоящее
время на ряде тоннелей (Байкальский, Северомуйский) были получены на основе этих моделей были получены зависимости, позволяющие
рассчитывать распределения ЭРОА радона во всех точках рециркуляционного контура. Расчетная схема для вывода этих зависимостей
представлена на рис. 5. Формула для расчета ЭРОА радона в конце
рециркуляционного контура ЭРОАцшк имеет вид:
Qц, Сцшк
ЭРОАцшк
Q, Сцтк
ЭРОАцтк
Qц
,
Qшт
Lц
Qн
Q, Сто
ЭРОАто
Q, Сцтк
ЭРОАцтк
Q
14
Qт
Рис. 5. Расчетная схема к определению распределения ЭРОА радона в
рециркуляционном контуре
S

S
 L 

 т Lц S т
 шт Lц Sшт
Q 
 L S / Q
 Q
ЭРОАцшк =
(Сто 
2Q
)(1  e
ц
1
т
шт

Qц Lц (
e
Q
ц
)
Sц
Q

Sшт
2Qц
Qц
(1  e
ц
шт
ц
)
,
)
где Qн, Qц,, Q, Qшт, Qт – соответственно расходы воздуха, поступающего в
тоннель, циркулирующего в вентиляционном контуре длиной Lц, равного
сумме Qн и Qц, подаваемого для проветривания штольни и тоннеля, м3/с;
Сцшк, Сто, Сцтк - соответственно объемные активности радона в конце
циркуляционного контура в штольне, на входе в тоннель, в конце циркуляционного контура в тоннеле, Бк/м3; ЭРОАцшк, ЭРОАто, ЭРОАцтк - соответственно эквивалентные, объемные активности радона в конце циркуляционного контура в штольне, на входе в тоннель, в конце циркуляционного контура в тоннеле, Бк/м3;
Расчеты по вышеприведенной формуле, выполненные с учетом
экспериментально определенных дебитов радона на участках рециркуляции, прилегающих к порталам тоннеля Северо-Муйского тоннеля
(Lц=1100 м), позволяют определять расходы воздуха в рециркуляционном контуре, обеспечивающие нормативные значения ЭРОА радона (рис. 6).
Рис. 6. Распределение ЭРОА радона в воздухе рециркуляционного контуре в
зависимости от количества поступающего воздуха и общего дебита радона
(сплошная линия величина ЭРОА цшк, пунктирная ЭРОА цтк; 1, 2, 3, 4, 5
15
– соответствуют величинам дебита радона на участке рециркуляции
50 000, 35 000, 25 000, 17 000, 12 000 Бк/с; Qц,= 30 м3/с)
Анализ расчетных данных, представленных на рисунке 6, показывает, что при существующем в настоящее время дебите радона 1 = 50 000
Бк/с величина ЭРОА радона, соответствующая предельно-допустимому
значению, равному 1240 Бк/м3 (персонал категории «А»), достигается при
подаче в выработки 15 м3/с свежего воздуха. В случае же необходимости
снижения ЭРОА радона до 310 Бк/м3 (персонал категории «Б») количество подаваемого воздуха должно быть увеличено до 50 м3/с при одновременном снижении дебита радона в 3 раза.
Математическое моделирование было выполнено для различных
схем вентиляции, использующих шахтные стволы, железнодорожный
тоннель и штольню. Всего было рассмотрено 10 различных схем вентиляции. Для каждой схемы проветривания условием выбора количества подаваемого воздуха и его распределения по выработкам тоннеля было
обеспечение величины ЭРОАRn, не превышающей 1200 Бк/м3 в любой
точке вентиляционной сети.
16
Рис.7. Схема вентиляции с подачей свежего воздуха через порталы
тоннеля, движением по тоннелю и штольне и удалением исходящего
воздуха через стволы 1 и 2 порталы
3
ЭРОАRn, Бк/м
1200
900
тоннель
600
штольня
300
L, м
0
0
5000
10000
15000
Рис. 8. Распределение ЭРОА радона по длине тоннеля и штольни для
схемы вентиляции, представленной на рис. 7
Анализ результатов математического моделирования показал, что:
1. Количество воздуха, обеспечивающее в выработках тоннеля
достижение ЭРОА радона 1240 Бк/м3, для схем вентиляции, использующих рециркуляцию воздуха, оказывается на 65% - 90 % выше, чем для
схем вентиляции без рециркуляции;
2. Минимальным количеством воздуха, необходимым для обеспечения нормативного значения ЭРОА радона, характеризуется схема
вентиляции с подачей свежего воздуха через порталы тоннеля, движением
по тоннелю и штольне и удалением исходящего воздуха через стволы 1 , 2
и порталы штольни (рис.7);
3. Для снижения ЭРОА радона при схеме вентиляции до величины 310 Бк/м3, необходимо увеличение количества воздуха по сравнению
этой схемой в 2,4 раза.
Для оценки энергетических затрат на создание в зимний период
теплового режима, обеспечивающего предотвращение образования наледей, получены зависимости, на основе которых рассчитаны мощности
калориферных установок для подогрева наружного воздуха. При выводе
формул было реализовано условие, предполагающее компенсацию коли17
чества холода, вносимого поездами при их движении по тоннелю, за счет
более высокого уровня подогрева воздуха, подаваемого в тоннель в периоды отсутствия поездов.
На основе полученных зависимостей для условий эксплуатации
Северо-Муйского тоннеля при схемах вентиляции, использующих рециркуляцию и без неё, были произведены расчеты мощностей калориферов,
результаты которых показали:
- при увеличении количества подаваемого воздуха от 20 м3/с до
60 м3/с мощности калориферов возрастают при температурах -50С и - 300С
соответственно с 200 кВт до 600 кВт и с 1800 кВт до 3700 кВт;
- при понижении температуры воздуха до – 300С мощности калориферов для схемы с рециркуляцией превышают мощности калориферов
для схем без неё в зависимости от количества воздуха на 15% - 30%;
- для схемы вентиляции, характеризующейся минимальной воздухопотребностью (см. рис.7), возможность обеспечении значения ЭРОА
радона, соответствующего 310 Бк/м3, связана с необходимостью увеличения мощности калориферов в 1,83 раза по сравнению со случаем достижения ЭРОА радона 1200 Бк/м3.
Мощность калориферных установок, используемых в зимнее
время для подогрева наружного воздуха, выбирается с учетом его количеств, поступающих в тоннель в течение движения поездов по тоннелю
Gпорш (кг/с), и при их отсутствии в нем Gтр (кг/с). Условием, исключающим образования наледей, является обеспечение средней температуры
поступающего воздуха в периоды отсутствия и движения поездов, равной
значению tср. Величина tср зависит от температуры наружного воздуха tн и
продолжительности действия поршневого эффекта, зависящей от интенсивности движения поездов и их скорости. Выполненные нами оценки
показывают, что для условий эксплуатации Северо-Муйского тоннеля tср
не будет превышать 4 0С.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Диссертация представляет собой законченную научноисследовательскую работу, в которой поставлена и решена актуальная
задача по обеспечению радиационной безопасности персонала, обслуживающего железнодорожные тоннели, расположенные в радоноопасных
районах России с суровым климатом за счет использования рациональных
схем вентиляции.
18
Выполненные автором исследования дают основание для следующих выводов и рекомендаций:
1. Особенностями формирования радиационной обстановки в ж/д
тоннелях в отличие от урановых рудников и угольных шахт является преобладающий характер выделения радона из вод, поступающий в выработки через геологические разломы.
2. Движение поездов по тоннелю приводит к увеличению скорости
воздушного потока в 2,5 раза по сравнению с периодом отсутствия поездов. Время действия поршневого эффекта зависит от соответствия
направлений движения поезда и направления движения воздушного потока до входа поезда в тоннель и составляет при совпадении направлений
воздушного потока и движения поезда 2,5 промежутка времени пребывания поезда в тоннеле, а при противоположных направлениях соответствует времени нахождения поезда в тоннеле. ЭРОА радона при пропуске через тоннель нескольких поездов снижается в 2-3 раза.
3. Проведенные радоновые съемки показали, что радиационная
обстановка в выработках Северо-Муйского тоннеля отклоняется от нормативных значений регламентируемой НРБ – 99 не только для персонала
группы Б, но и для персонала группы А. Значения ЭРОАRn в ЖДТ достигают 2000 Бк/м3, а в РДШ – 5000 Бк/м3, т.е. превосходят нормативные величины для персонала группы А соответственно в 1,6 и 4 раза. Причем
максимальные значения ЭРОАRn приурочены к зонам с максимальными
значениями скоростей выделения радона.
4.
Гигиеническая оценка условий труда в Северо-Муйском тоннеле выполненная по радиационному фактору свидетельствует о том,
что за исключением порталов тоннеля, годовая эффективная доза, вычисленная с учетом полного времени нахождении обслуживающего персонала в тоннеле, а также времени пребывания его на рабочих местах, определяемым конкретными маршрутами, превышает уровень 5 мЗв, что дает
основание отнести рабочие места к классам вредности 3.1-3.3. и ставить
вопрос о необходимости приравнивания рабочих, обслуживающих тоннель, по условиям труда к персоналу группы А.
5. Полученные на основании использования моделей накопления
радона и его ДПР в воздушной среде зависимости позволяют рассчитывать распределения ЭРОА радона при использовании рециркуляционных
схем проветривания в зависимости от длины рециркуляционного контура,
количества циркулирующего воздуха и интенсивности выделения радона
на участке рециркуляции.
19
6. Зависимости для расчета мощности калориферов полученные
на основе условия, предполагающего компенсацию количества холода,
вносимого поездами при их движении по тоннелю, за счет более высокого
уровня подогрева воздуха, подаваемого в тоннель в периоды отсутствия
поездов, дают возможность вычислять энергетические затраты на подогрев воздуха для различных схем вентиляции с учетом длительности и
интенсивности поршневого эффекта.
7. На основании математического моделирования установлено, что
наиболее рациональной схемой проветривания в условиях высокого уровня выделения радона и отрицательной температуре наружного воздуха при
условии не превышения ЭРОА радона 1200 Бк/м3, является схема вентиляции с подачей свежего воздуха через порталы тоннеля и удалением исходящего воздуха через стволы №№1 , 2 и порталы штольни.
8. Основные мероприятия по нормализации радиационной обстановки при эксплуатации Северо-Муйского при одновременном предотвращении образования наледей в условиях существующего уровня выделения радона сводятся к приравниванию персонала, обслуживающего
тоннель, по условиям труда к группе А, и использованию для проветривания выработок предлагаемой схемы вентиляции, характеризующейся
минимальными количеством подаваемого воздуха и мощностью калориферного оборудования для подогрева воздуха.
Основные положения работы диссертации опубликованы
в следующих работах:
1. Гендлер С.Г. Снижение уровня радиационного воздействия от локальных подземных захоронений радиационных отходов // Гендлер С.Г.,
Мироненкова Н.А.// Горный информационно-аналитический бюллетень.
№3, Москва, 2006, С.118 - 123.
2. Гендлер С.Г. Выбор мероприятий по нормализации радиационной
обстановки в выработках Северо-Муйского тоннеля // Гендлер С.Г., Мироненкова Н.А.// Тезисы докладов V Международной конференции
«Воздух «2007», С. Петербург, 5-7 июня 2007 г. С. 191 – 194.
3. Гендлер С.Г. Радиационная обстановка в выработках Северомуйского тоннеля в периоды его строительства и эксплуатации //Гендлер
С.Г., Мироненкова Н.А.// Труды Х Международной конференции
“Экология и развитие общества”, 26-29 июня, МАНЭП, 2007 г.,
С.Петербург, С. 69-74.
4. Гендлер С.Г. Радиационная обстановка в выработках Северомуй20
ского тоннеля в первый период его эксплуатации. //Гендлер С.Г.,
Мироненкова Н.А.// Горный информационно-аналитический бюллетень. Отдельный выпуск 14. Тематическое приложение Безопасность.
Москва, 2007, С. 196 – 205.
21