CN107015272A - 循环爆破荷载作用下类铀矿岩累积损伤确定及氡析出连续测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及循环爆破荷载作用下类铀矿岩累积损伤确定及氡析出连续测量方法。该方法首先利用爆破测振仪获取爆破过程中质点振速、频率参数；其次利用非金属超声波检测仪，获取循环爆破荷载作用前后类铀矿岩样的纵波波速，分析循环爆破荷载作用下类铀矿岩累积损伤特征；然后利用测氡仪连续测量循环爆破荷载作用导致的累积氡浓度的变化，并对数据进行处理，获取固有氡析出率，得出类铀矿岩累积损伤特征与氡析出率连续变化之间的相关关系，进一步研究循环爆破荷载作用下类铀矿岩氡析出机理。弥补了循环爆破荷载作用下类铀矿岩累积损伤特征及氡析出机理研究的空缺，同时又可为铀矿山井下氡辐射防护提供参考和依据。

Description

循环爆破荷载作用下类铀矿岩累积损伤确定及氡析出连续测 量方法

技术领域

本发明属于岩石动力学与铀矿辐射安全防护领域，具体涉及循环爆破荷载作用下类铀矿岩累积损伤确定及氡析出连续测量方法。

背景技术

目前世界范围内，铀矿开采的主要方法有两类：溶浸采铀和常规采铀。其中溶浸采铀方法运用较多，又可细分为原地浸出采铀(地浸)、原地爆破浸出采铀和地表堆浸提铀三大技术。原地爆破浸出采铀技术中铀矿巷道爆破掘进过程中，首先在爆破近区，炸药爆炸作用对岩石造成直接冲击破坏，导致巷道围岩损伤；其次在爆破中远区，随着巷道的掘进，周期性爆破振动对围岩产生的累积损伤作用，导致爆破初期产生的微裂纹扩展(内部孔隙增大)，进而必然影响铀矿岩氡析出率，造成氡及子体浓度超标。

对铀矿岩而言，氡辐射防护格外重要。现阶段，矿井实施机械通风是降低铀矿开采中产生的氡及氡子体浓度的主要措施。但在设计铀矿山通风排氡系统时，首先要考虑的就是射气介质析出到矿井环境中的氡量，而射气介质中氡的析出量又受介质内氡运移的影响。大量研究表明，氡在射气介质中运移行为是一个与温度、压力、含水率、孔隙度、渗透性等内外因素相关的时效过程，且国内外学者已经对上述氡运移影响因素进行详细分析，而在循环爆破荷载作用下铀矿岩累积损伤特征及氡析出机理(内部孔隙变化、贯通)的研究尚属空白。

因此，有必要设计循环爆破荷载作用下类铀矿岩累积损伤确定及氡析出连续测量方法，获取实验数据，得出循环爆破荷载作用下铀矿岩累积损伤特征与连续氡析出率变化之间的关系，为铀矿井下开采氡辐射防治提供理论依据。

发明内容

本发明特提出一种简便可行的循环爆破荷载作用下类铀矿岩累积损伤确定及氡析出连续测量方法，通过1)制备类铀矿岩样：因铀矿原岩辐射较大且取样困难，不利于开展有关室内实验。为了解决上述问题，依据相似理论，设计正交实验，获取最优质量配合比，从而制备类铀矿岩样进行后续实验。2)TC-4850爆破测振仪：获取爆破过程中关键点的振速、频率等参数，为后续实验爆破参数优化研究提供依据；3)ZBL-U5系列非金属超声波检测仪：获取循环爆破荷载作用前后类铀矿岩样纵波波速，进而换算成累积损伤程度；4)RAD7测氡仪：获取循环爆破载荷作用下累积氡浓度数据，进一步处理得到氡析出率连续变化。综合形成该循环爆破荷载作用下类铀矿岩累积损伤确定及氡析出连续测量方法。

本发明的技术方案是：首先依据相似理论，制备类铀矿岩样；其次利用爆破测振仪，获取试样爆破过程中关键点的振速、频率等参数，确定最佳炸药量；再次利用非金属超声波检测仪，获取循环爆破荷载作用前后类铀矿岩样的纵波波速，通过公式换算分析循环爆破荷载作用下类铀矿岩样累积损伤特征；然后利用测氡仪连续测量因循环爆破荷载作用导致的累积氡浓度变化，并对数据进行处理，获取循环爆破荷载作用下类铀矿岩样氡析出率；最终将所得的数据进行综合分析，研究类铀矿岩累积损伤特征与氡析出率连续变化之间的相关关系，揭示循环爆破荷载作用下类铀矿岩累积损伤特征及氡析出机理，为铀矿山安全防护提供参考。

本发明的目的是这样实现的：该方法分为三个阶段，包括：1)制备类铀矿岩样；2)实施爆破工艺，测量振速、频率、波速等参数；3)爆破后氡析出连续测量试验；

一、类铀矿岩样的制备，包括如下步骤：

a、因铀矿岩的特殊性(其不易大量获取且有放射性污染)，因此无法满足大批量实验所具备的要求，因此可依据相似原理，进而制备相似材料。采用制备类花岗岩所选取的相似材料及配比，综合考虑各种原材料的功能作用，同时考虑到岩样的可操作性，综合比对确定岩样试块的尺寸，制备类花岗岩型铀矿岩样。(拟选取铀尾砂、石英砂、水泥、精铁粉、微硅粉、蒸馏水及部分外加剂)；

b、依据a中相关要求，确定类铀矿岩样的最佳尺寸：长×宽×厚＝250mm×250mm×200mm，同时制作钢制爆破容器，采用厚度为10mm的201钢板制作钢制爆破容器，尺寸为长×宽×高＝350mm×350mm×250mm(内径)，爆破容器的上表面采用螺栓与爆破容器进行吻合固定，中间设置密封材料以保证气密性；

二、实施爆破工艺，测量振速、频率、波速等参数，包括如下步骤：

a、制备满足上述要求的类铀矿岩样，对岩样进行物理、力学及放射性性能测试，获取岩样的密度、镭含量、孔隙度、放射性强度、抗压强度等参数。其次实施爆破工艺前，依据萨道夫斯基经验公式确定安全炸药量(为了模拟循环爆破荷载作用，同时避免岩样完全损坏，炸药量应尽可能少)：

公式(1)中：V^*为关键点振动速度，cm·s^-1；K为爆破地震波的衰减系数；Q为装药量，Kg；R为测点到药包中心的距离，m；α为爆破地震波的衰减指数。其中依据爆破安全规程(GB6722-2014)，获取K、α值，最终计算出安全炸药量。

为了进一步优化炸药用量，将制备的类铀矿岩样放置于自制的钢制爆破容器内部，在岩样上表面中心处沿厚度方向钻取炮孔(h＝120mm)，在中心钻孔内放置上述规定炸药用量及雷管，炮泥封孔，利用起爆器实施爆破，在类铀矿岩上表面四周中点处黏贴TC-4850爆破测振仪的传感器，并通过数据线与其连接，获取爆破过程中关键点振速、频率，为后续炸药量的优化选取提供参考；

利用类铀矿岩样爆破过程参数获取装置，获得爆破过程中关键点振速、频率参数。装置结构为：类铀矿岩样3置于爆破容器2内，类铀矿岩样3上表面中心处放置炸药和雷管5，类铀矿岩样3侧面黏贴传感器Ⅰ6，传感器Ⅰ6通过数据线8连接爆破测振仪1，炸药和雷管5通过爆破母线连接起爆器7；爆破容器2顶部通过螺栓4将密封盖与爆破容器2固定连接。

b、利用循环爆破荷载下类铀矿岩样累积损伤程度确定装置，研究循环爆破荷载作用下类铀矿岩累积损伤演化规律；

实施单次爆破工艺前后，利用非金属超声波检测仪测量爆破前后岩体纵波波速，进而换算为岩样的损伤值；此外在岩样完全损坏之前，实施多次爆破工艺(同等炸药量)以满足循环爆破荷载的条件，最终研究循环爆破荷载作用下类铀矿岩累积损伤演化规律。

随着爆破损伤模型的不断完善与发展，许多学者也通过各种方法建立了评价损伤的损伤变量，如密度变化法，弹性模量变化法，超声波速变化法，CT数变化法和割线模量法等。按弹性模量的变化定义损伤因子，E，E^*分别为介质爆破前后的弹性模量，根据弹性力学理论，有：

公式(2)中：μ为泊松比；

假定爆破前后介质的密度近似相等，爆破前后的泊松比也近似相等，则可得：

公式(3)中：S_n—累积损伤程度；V₀—爆破前试块的声波速度，m·s^-1；V_n—第n次爆破后试块的声波速度，m·s^-1；

循环爆破荷载下类铀矿岩样累积损伤程度确定装置结构为：在类铀矿岩3侧面关键点位置黏贴传感器Ⅱ9，传感器Ⅱ9通过数据线8连接超声波检测仪10；

备注：上述关键点后续依据实例详细说明。关键点的选取原则为符合测量要求且便于传感器的布置。

三、爆破后氡析出连续测量试验，包括如下步骤：

a、目前国内外现有的氡析出率测量方法中仍存在部分问题，主要有湿度效应及泄漏和反扩散等影响因素。为了有效避免其测量误差，本发明采用密闭腔体法(裸露单面/双面)，将上述爆破容器2作为氡收集器，同时考虑到类铀矿岩样3上表面为爆破易损坏区域(会有部分损坏，表面积增大导致氡析出量失真)，为了分析类铀矿岩样内部损伤的贯穿过程，即单次爆破后利用铝箔纸包裹类铀矿岩样的相关面，即裸露四周面的单面或者对称的双面，利用测氡仪33测量其爆破后氡析出量，收集数据；

本发明利用循环爆破荷载下类铀矿岩样氡析出测量装置进行爆破后氡析出连续测量试验。该装置结构为：出气管32穿过爆破容器2顶部的盖，连通到干燥管34上端的进气口，干燥管34内装有干燥剂35，从干燥管下端的出气口出来的气管通过过滤筛36连通到测氡仪33的进气口，测氡仪的出气口出来的气管与爆破容器2顶部的出气管32连通，利用铝箔纸11包裹相关面，对裸露面进行氡析出量测量，分析其爆破后氡析出量，收集数据；

b、单次爆破后，直至类铀矿岩样完全损坏(内部损伤贯穿至四周表面)，以模拟循环爆破荷载作用，连接测氡仪的进气管、出气管，从而获得多组氡析出量数据，研究循环爆破荷载作用下类铀矿岩氡析出率连续变化规律；

c、测氡仪是一种便携式，可连续取样测量的仪器。该仪器采用静电采集原理，通过内置泵将干燥后的无子体微粒的氡气气流抽入一个0.7L的半球形腔体内之后，氡气衰变产生的子体在静电场中被收集在半导体探测器表面，RAD7就是通过测量这些子体产生的α而得出氡浓度，在sniff模式下，其测氡的灵敏度为0.2cpm/(37Bq·m^-3)。在测量时，RAD7测量周期选择5min一个点，测量200个点进行氡浓度线性拟合；

根据Fick第一定理和长方体氡析出稳态模型假设，长方体中氡浓度变化应满足下面的方程：

其中：

公式(4)中：C(x)为试样中氡浓度分布，Bq·m^-3；C₀为密闭氡收集器内起始氡浓度，Bq·m^-3；ρ试样为密度，kg·m^-3；λ为氡有效衰变常数，s^-1；C_Ra为镭含量，Bq·kg^-1；S_e为射气系数；η为试样孔隙度；D为试样氡的扩散系数cm²·s^-1；h为试样的高度，cm；x为自变量；e为常数；

而对于裸露双面情况，氡的分布较裸露单面不一致，因此表达式也会有所不同，具体公式如下：

根据氡的扩散运移规律，通过使用RAD7测氡仪密闭测量获得氡析出累积浓度的数据的测量值并拟合得出测量值的析出率k。通过试样单面和双面得出表面氡析出率的理论表达式为：

试样单面：

试样双面：

公式(5)(6)中：E₀为固有析出率，Bq·m^-2·s^-1；只与本身的特性有关。将公式(5)和公式(6)进行对比，简化后可以得到氡扩散长度的计算公式：

公式(8)中：L为氡的扩散长度，cm；h为圆柱体试样高度，cm。

扩散长度得出后，后根据公式(9)得到最终的氡的扩散系数；

d、因(循环)爆破荷载作用必定对岩体内部孔隙结构造成损伤，导致相关物理参数发生变化，实施单次爆破工艺后，需重新测量相关参数。其中氡有效衰变常数λ为常量，镭含量C_Ra与射气系数S_e均为固定量(只需通过相关理论公式测定一次)，氡的扩散系数D可在单次爆破后通过公式(8)和公式(9)获取，孔隙度η可通过吸水法测量，密度ρ随即也发生改变。即首先将试样放入恒温干燥箱内，温度调节至110℃，对试样进行干燥直至其质量不变，记质量为m_dry；然后将试样放置于水中，浸泡24h后取出称量，记质量为m_wet。

孔隙度η、密度ρ的计算公式分别为：

公式(10)中：V为试样的体积，m³；ρ_w为室温下水的密度，kg·m^-3。

最终将单次爆破后获取的氡的扩散系数D、密度ρ、氡有效衰变常数λ、镭含量C_Ra、射气系数S_e、孔隙度η、高度h回代入公式(7)，最后得到修正后的连续固有析出率；

备注：单次爆破后重新测量损伤后岩样的氡的扩散系数D、密度ρ、孔隙度η等，直接得到爆破荷载作用后的固有析出率。重复试验，获取固有氡析出率连续变化。

以ZBL-U5系列非金属超声波检测仪所获取的岩样累积损伤程度和RAD7测氡仪所获取数据处理得到的固有氡析出率连续变化规律等数据为依据，综合分析循环爆破荷载作用下类铀矿岩累积损伤程度确定及其氡析出率连续变化规律。

有益效果及优点是：本发明依据相似理论制备类铀矿岩样；利用炸药模拟循环爆破荷载作用；爆破过程中利用TC-4850爆破测振仪获取相关点的振速、频率等参数，既为进一步研究累积损伤提供依据，也为后续炸药量的优化选取提供参考；采用ZBL-U5系列非金属超声波检测仪获取其累积损伤程度，其次采用RAD7测氡仪获取多组氡析出量数据，并对其进行数据处理，获取固有析出率连续变化规律。经过综合分析循环爆破荷载作用下类铀矿岩累积损伤程度确定及其氡析出率连续变化规律。该试验装置制作简单，试验数据详实可靠，成本低廉且可重复使用。利用该方法既弥补了循环爆破荷载作用下类铀矿岩累积损伤特征及氡析出机理研究的空缺，同时又可为铀矿山井下氡辐射防护提供参考和依据。进一步推动岩石动力学与铀矿辐射安全防护领域的发展。本方法弥补了循环爆破荷载作用下类铀矿岩累积损伤特征及氡析出机理研究的空缺，同时又可为铀矿山井下氡辐射防护提供参考和依据。

附图说明

图1为本测量方法流程图；

图2为循环爆破荷载作用下类铀矿岩样氡析出测量装置示意图；

图3为类铀矿岩样爆破过程参数获取装置；

图4为循环爆破荷载作用下类铀矿岩样累积损伤程度确定装置。

具体实施方式

循环爆破荷载作用下类铀矿岩累积损伤确定及氡析出连续测量方法，下面具体以一个实例结合附图对本发明作进一步的说明：

(1)依据目前申请者所在的团队已掌握的类铀矿岩相似材料制备技术，实施正交试验，制作多组试块，养护完成后，进行相关物理、力学参数测定，获取岩样的密度、镭含量、孔隙度、放射性强度、抗压强度等参数。确保与铀矿岩样相类似，进而获取类铀矿岩样相似材料的最佳配比。

(2)类铀矿岩样尺寸为长×宽×厚＝250mm×250mm×200mm，同时在岩样上表面中心处沿厚度方向钻取炮孔(h＝120mm)，在中心钻孔内放置定量炸药及雷管，炮泥封孔，利用起爆器实施爆破。其次实施爆破工艺前，在满足循环爆破荷载条件的前提下依据萨道夫斯基经验公式确定安全炸药量。具体可在上表面四周中点处黏贴TC-4850爆破测振仪的传感器，同时为了避免边界效应，采用细砂充填四周，并通过数据线与其连接，获取爆破过程中相关点的振速、频率等爆破参数，既为进一步研究累积损伤提供依据，也为后续爆破参数的优化选取提供参考。公式如下：

式中：V^*为质点振动速度，cm·s^-1；K为爆破地震波的衰减系数；Q为装药量，Kg；R为测点到药包中心的距离，m；α为爆破地震波的衰减指数。

(3)采用厚度为10mm的201钢板制作钢制爆破容器，尺寸为长×宽×高＝350mm×350mm×250mm(内径)，自制爆破容器，将所制备的岩样放置在自制的爆破容器中间位置，同时在岩样上表面中心处沿厚度方向钻取炮孔(h＝120mm)，在中心钻孔内放置定量炸药及雷管，炮泥封孔，利用起爆器实施爆破工艺。

在单次爆破前后，分别获取损伤岩样的镭含量、射气系数、孔隙度、氡的扩散系数、密度，在关键点位置(关键点的选取以四周中心位置为基准线，依次间隔5cm进行布置)，使用ZBL-U5系列非金属超声波检测仪测量岩样初始波速及单次爆破后岩体波速，换算为单次爆破损伤程度。公式如下：

式中：S_n—累积损伤程度；V₀—爆破前试块的声波速度，m·s^-1；V_n—第n次爆破后试块的声波速度，m·s^-1。

(4)为了有效避免其测量误差，拟采用密闭腔体法(裸露单面/双面)，故将上述自制爆破容器作为氡收集器，同时考虑到上表面为爆破易损面(会有部分损坏，表面积增大导致氡析出量失真)，为了分析内部损伤的贯穿过程，即单次爆破后利用铝箔纸包裹相关面，裸露四周的单面或者对称的双面，进而利用RAD7测氡仪测量其爆破后氡析出量，收集数据。单次测量过程中，RAD7测量周期选择5min一个点，测量200个点进行氡浓度线性拟合；

(5)在没有完全损坏试块的前提下(内部损伤贯穿至四周表面)，多次爆破模拟循环爆破荷载作用，重复步骤(3)、步骤(4)测得多次爆破损伤后的连续固有氡析出率，对数据进行处理修正，得到修正后的连续固有析出率。公式如下：

式中E₀为单次爆破后连续固有氡析出率，Bq·m^-2·s^-1；λ为氡有效衰变常数，s^-1；C_Ra为镭含量，Bq·kg^-1；S_e为射气系数；D为试样氡的扩散系数，cm²·s^-1；m_dry为试样进行干燥处理直至其不发生改变的质量，kg；m_wet为试样放置于水中，浸泡24h后的质量，kg；V为试样的体积，m³；ρ_w为室温下水的密度，kg·m^-3。

以ZBL-U5系列非金属超声波检测仪所获取的岩样累积损伤程度和RAD7测氡仪所获取的连续氡析出率等数据为依据，综合分析循环爆破荷载下类铀矿岩累积损伤程度确定及氡析出率连续变化规律。

Claims (5)

1.循环爆破荷载作用下类铀矿岩累积损伤确定及氡析出连续测量方法，首先利用爆破测振仪，获取爆破过程中质点振速、频率参数；其次利用非金属超声波检测仪，获取爆破荷载作用前后类铀矿岩样的波速，其特征在于，然后利用测氡仪连续测量循环爆破荷载作用导致的累积氡浓度的变化，并对数据进行处理，得到连续氡析出率的变化，综合分析所得数据，得出类铀矿岩累积损伤特征与连续氡析出率之间的关系，

本方法分为三个阶段，1)类铀矿岩样的制备；2)实施爆破工艺，测量振速、频率、波速参数；3)爆破后氡析出连续测量方法；

所述实施爆破工艺，测量振速、频率、波速参数过程中，利用类铀矿岩样爆破过程参数获取装置，获得爆破过程中质点振速、频率参数；利用循环爆破荷载作用下类铀矿岩样累积损伤程度确定装置，获取循环爆破荷载作用前后类铀矿岩波速参数变化，

研究循环爆破荷载作用下类铀矿岩累积损伤演化规律，建立评价损伤的损伤变量，考虑弹性模量的变化来定义损伤因子，E，E^*分别为爆破荷载前后的弹性模量，根据弹性力学理论，有：

公式(1)中：μ为介质的泊松比；

假定爆破前后介质的密度近似相等，爆破前后的泊松比也近似相等，得：

公式(2)中：S_n为累积损伤程度；V₀为爆破前试块的声波速度，m·s^-1；V_n为第n次爆破后试块的声波速度，m·s^-1；

利用循环爆破荷载下类铀矿岩样氡析出测量装置进行爆破后氡析出连续测量，采用密闭腔体法，裸露类铀矿岩样单面或双面，将爆破容器作为氡收集器，对裸露的单面或者对称的双面，利用测氡仪测量其爆破后氡析出量，收集数据，进行分析。

2.根据权利要求1所述的循环爆破荷载下类铀矿岩累积损伤确定及氡析出连续测量方法，其特征在于，所述氡析出连续测量方法，具体过程为：

根据Fick第一定理和长方体氡析出稳态模型假设，长方体中氡浓度变化应满足下面的方程：

其中：

公式(3)中：C(x)为试样中氡浓度分布，Bq·m^-3；C₀为密闭氡收集器内起始氡浓度，Bq·m^-3；ρ为试样密度，kg·m^-3；λ为氡有效衰变常数，s^-1；C_Ra为镭含量，Bq·kg^-1；S_e为射气系数；η为试样孔隙度；D为试样氡的扩散系数cm²·s^-1；h为试样的高度，cm；x为因变量；e为常数；

对于裸露双面情况，氡的分布公式如下：

根据氡的扩散运移规律，通过RAD7测氡仪密闭测量获得氡析出累积浓度数据的测量值并拟合得出测量值的析出率k，通过试样单面和双面得出表面氡析出率的理论表达式为：

试样单面：

试样双面：

公式(4)和公式(5)中：E₀为固有析出率，Bq·m^-2·s^-1；将公式(4)和公式(5)进行对比，简化后得到氡扩散长度的计算公式：

公式(7)中：L为氡扩散长度，cm；h为圆柱体混凝土试样高度，cm；

氡扩散长度得出后，根据公式(8)得到相应的氡扩散系数D；

将获取的氡的扩散系数D、试样的密度ρ、氡有效衰变常数λ、镭含量C_Ra、射气系数S_e、试样的孔隙度η、试样的高度h回代入公式(6)，得到修正后的固有析出率。

3.根据权利要求1所述的循环爆破荷载作用下类铀矿岩累积损伤确定及氡析出连续测量方法，其特征在于，所述类铀矿岩样爆破过程参数获取装置结构为：类铀矿岩样(3)置于爆破容器(2)内，类铀矿岩样上表面中心处放置炸药和雷管(5)，类铀矿岩样侧面四周黏贴传感器Ⅰ(6)，传感器Ⅰ通过数据线(8)连接爆破测振仪(1)，炸药和雷管(5)通过爆破母线连接起爆器(7)；爆破容器顶部通过螺栓(4)将爆破容器与密封盖固定连接。

4.根据权利要求1所述的循环爆破荷载作用下类铀矿岩累积损伤确定及氡析出连续测量方法，其特征在于，所述循环爆破荷载作用下类铀矿岩样累积损伤程度确定装置结构为：类铀矿岩样侧面四周黏贴传感器Ⅱ(9)，传感器Ⅱ通过数据线连接超声波检测仪(10)。

5.根据权利要求1所述的循环爆破荷载作用下类铀矿岩累积损伤确定及氡析出连续测量方法，其特征在于，所述循环爆破荷载作用下类铀矿岩样氡析出测量装置结构为：用铝箔纸(11)包裹类铀矿岩样的相关面，出气管(32)穿过爆破容器顶部的密封盖，连通到干燥管(34)上端的进气口，干燥管内装有干燥剂(35)，从干燥管下端的出气口出来的气管通过过滤筛(36)连通到测氡仪(33)的进气口，测氡仪的出气口出来的气管与爆破容器顶部的出气管(32)连通，形成一个闭路循环。