深部铀矿巷道围岩热-湿-力耦合作用下氡迁移规律的数值模拟研究

为解决深部铀矿开采中氡污染控制难题，研究人员采用计算流体力学(CFD)结合热-湿-力耦合模型，系统研究了温度、湿度、通风压力及围岩应力对氡析出率的影响。结果表明：巷道壁面压差与氡析出率呈正相关，而入口风速增加会降低析出率；在环境因素中，温度对氡析出的影响显著高于湿度，尤其巷道开挖后的应力与温度变化会加剧氡释放。该研究为深部地下工程氡污染防控提供了多物理场耦合理论框架。

　　

随着全球铀资源需求激增和开采深度不断加大，深部铀矿巷道中的氡污染问题日益凸显。这种无色无味的放射性气体被世界卫生组织(WHO)列为一类致癌物，研究表明巷道中每增加100 Bq·m^?3的氡浓度，矿工肺癌风险将上升16%。更严峻的是，随着开采深度增加，温度、湿度和围岩应力的变化形成复杂的多场耦合环境，使得传统单因素控制策略难以奏效。在这一背景下，南华大学的研究团队在《Journal of Environmental Radioactivity》发表重要成果，通过创新性的数值模拟揭示了深部铀矿巷道中氡迁移的多场耦合机制。

研究团队采用计算流体力学(CFD)技术，结合自主研发的热-湿-力耦合数学模型，对典型三心拱巷道进行了多物理场仿真。关键技术包括：基于离散裂缝网络(DFN)的裂隙介质氡迁移模型、考虑温度梯度与应力场耦合的围岩参数动态修正算法，以及通过现场实测数据验证的边界条件设定。特别值得注意的是，模型首次整合了围岩剪切裂纹扩展与氡扩散速率的定量关系。

模型尺寸与网格划分

针对实际工程中4.2m×4.2m的三心拱巷道，建立半径10m、长度30m的轴对称模型，采用边界层加密的六面体网格，在保证计算精度的同时将网格数量控制在120万以内。

不同渗流条件与通风流速的模拟分析

当入口风速为0.5m/s时，研究发现围岩渗透压差达到100Pa会使氡析出率提升23%。而将入口风速从0.3m/s增至1.5m/s时，氡析出率呈现先快速下降后趋于平缓的非线性变化，最佳控制风速区间为0.8-1.2m/s。

温度场与应力场的协同效应

模拟首次揭示"热调节圈"半径随时间扩展至稳定状态的动态过程：当围岩温度从25°C升至45°C时，氡析出率增幅达187%，远高于湿度40%到80%变化带来的12%增幅。更关键的是，巷道开挖后形成的应力集中区（特别是顶板与两帮交界处）会形成氡迁移的"快速通道"，使这些区域的氡通量达到平均值的3.7倍。

这项研究的突破性发现在于建立了深部开采环境下温度-湿度-应力-压力多场耦合的定量关系模型。研究不仅证实了温度梯度是驱动氡迁移的主导因素，更首次揭示了围岩应力重分布与氡析出的非线性关联机制。该成果为深部铀矿通风系统优化设计提供了理论依据，特别是提出的"分区分级"控氡策略——针对不同应力状态区域采取差异化的温控与通风方案，在实际工程应用中可降低40%以上的氡暴露风险。随着我国铀资源开发向1500米以深迈进，这项研究建立的多物理场耦合技术框架将为保障深部采矿安全发挥重要作用。