煤矿中氡的运移与危害评估：采矿诱导裂隙与煤炭自燃的影响

《Journal of Hazardous Materials》：Radon Migration and Hazard Assessment in Coal Mine: Effects of Mining-Induced Fracturing and Coal Spontaneous Combustion

　　

摘要
地下煤矿开采诱发了地层破碎和残煤氧化，自燃和氡释放对矿工健康构成了耦合危害。本研究通过理论分析、实验室实验和三维多物理场模拟，调查了采空区的氡释放和迁移。一维稳态模型描述了孔隙介质中的氡对流 - 扩散，实验量化了氡释放速率和耗氧速率与煤温之间的指数依赖关系。随后开发了一个三维模型来模拟耦合的气流、温度、氧气和氡场。评估了入口速度、裂隙宽度、工作面氡释放通量和漏风速度的影响。结果表明，氡迁移受源强、裂隙控制的渗透率和气流的共同控制。增加裂隙宽度和漏风促进了氧化和氡传输，扩大了回风侧附近的高温区和氡积聚区。较高的氡释放通量直接增加了峰值浓度和风险区长度。相反，较强的通风降低了工作面的氡浓度，尽管它促进了采空区更深的氧化。这些发现阐明了氡释放、迁移和局部积聚的过程，为地下煤矿的自燃检测和职业辐射保护提供了理论支持。

引言
煤是世界上最重要的初级能源之一，长期以来在全球能源结构中发挥着重要作用[1], [2]。它在发电、钢铁生产和化学工业等关键工业部门继续不可或缺[3]。尽管近年来可再生能源快速发展，煤仍然是中国、印度、澳大利亚和美国等主要产煤大国能源供应的重要组成部分[4]。随着地下煤矿开采活动的不断扩展，地下工作环境中的职业健康和安全问题日益受到关注。在地下矿山的各种环境危害中，氡已被认定为一种重要的放射性有害气体[5]。世界卫生组织（WHO）将氡列为肺癌的第二大诱因[6]。在美国，每年约有 21,000 例死亡归因于氡引起的肺癌[7]。氡是一种天然存在的放射性惰性气体，主要源于岩石和土壤中铀和镭等放射性元素的衰变[8]。

空气中氡浓度升高构成严重的健康风险，因为其衰变子体可以附着在气溶胶颗粒上，被吸入并随后沉积在呼吸道和肺组织中。在放射性衰变过程中，氡及其子体发射具有强电离能力的α粒子，长期吸入可能导致肺组织辐射损伤。

近年来，在主要产煤国家进行了煤矿氡浓度监测。中国、土耳其、巴西、巴基斯坦、印度、澳大利亚和波兰等国已进行了地下煤矿氡水平的测量[9]。许多研究报告了这些国家地下煤矿的氡浓度数据，揭示了不同矿区之间的显著差异。在通风不良或围岩中放射性元素含量升高的矿井环境中，氡倾向于更容易在巷道和采空区积聚，导致相对较高的浓度。本研究汇编并分析了来自 7 个产煤国共 108 个煤矿的氡浓度数据[10], [11], [12], [13], [14]，相应的氡浓度如图 1 所示。氡数据汇编自明确报告地下煤矿环境中定量氡浓度数据的已发表研究。选定的案例需要识别矿井类型、测量位置和氡浓度值，所有数据统一为 Bq/m3 进行比较。尽管各研究中的测量方法和现场条件各不相同，该数据集提供了煤矿氡水平的广泛概述。统计分析表明，这些煤矿中的氡浓度范围为 14 至超过 20,000 Bq/m3，各矿之间差异显著。约 46.3% 的调查矿井显示氡浓度超过 100 Bq/m3，表明相当比例的煤矿环境面临相对较高的氡水平。值得注意的是，一些矿井的氡浓度达到数千 Bq/m3。根据 WHO 指南，室内氡浓度的参考水平通常低于 100 Bq/m3，而欧盟（EU）建议参考水平低于 200 Bq/m3[15]。国际辐射防护委员会（ICRP）建议国家导出参考水平应在 100–300 Bq/m3 范围内建立，并将 300 Bq/m3 作为室内氡的上限参考水平[16]。相比之下，地下空间和矿山相关的职业标准通常更高，例如中国的 GBZ/T 256-2024 标准 [17]。与这些参考水平相比，一些煤矿的氡浓度明显更高，表明地下采矿环境在特定的地质和通风条件下可能导致氡过度积聚。由于围岩中放射性元素的持续衰变和有限的通风条件，氡及其衰变子体倾向于在封闭空间中积聚[18]。当矿工吸入含有氡子体的空气时，氡衰变过程中产生的α粒子可以沉积在呼吸道和肺组织中，对人体细胞造成辐射损伤。Oujy 等人报告了法国和捷克共和国铀矿工的癌症死亡风险与累计暴露之间存在正相关[19]。因此，长期暴露于高浓度氡对矿工构成了巨大的肺癌风险。

煤层开采后，采空区会形成采空区（gob）。在采矿引起的扰动下，上覆地层发生垮落、破碎和弯曲变形，逐渐形成垮落带、断裂带和弯曲下沉带。采空区和上覆地层结构内发育了大量裂隙[20], [21]。煤是一种复杂的有机大分子，含有许多官能团和化学键[22]。它由各种元素（如 O、H、N 和 S）组成，其中碳是主要成分[23]。对于煤自燃的机理，煤 - 氧反应理论在文献中被广泛接受[24], [25], [26]。因此，采矿引起的裂隙不仅为空气进入采空区提供了通道，还为残煤的氧化创造了有利条件。当采空区中的残煤与氧气接触时，会发生缓慢的氧化反应并持续释放热量。在有利条件下，这种放热过程可能引发持续升温并最终导致自燃[27], [28]。煤自燃不仅导致矿井火灾，还产生 CO 和 CO2 等有毒有害气体，对矿井安全和矿工工作环境构成严重风险[29], [30], [31]。

以往的研究[32], [33]表明，煤温升高可以改变煤的内部孔隙结构和微裂隙特征，导致一些以前封闭的孔隙相互连接，从而促进煤中氡的逸出。例如，Zhou 等人通过实验确立了 30-300 °C 氧化加热过程中煤温与氡逸出之间的关系。氡浓度最初随温度升高而增加，在煤特定的阈值处达到峰值[34]。Wen 等人使用程序加热和大型实验系统研究了氡逸出与煤温之间的关系，发现氡逸出最初随温度升高而增加，在接近着火点时达到峰值，随后在高温下下降[35]。以往的研究表明，在低温阶段，氡浓度与煤温之间存在强烈的正相关关系。当采空区发生自燃时，大量氡从煤中释放。这种氡可以随火灾烟雾迁移到工作环境，使矿工和消防员长时间暴露于高浓度氡中，进一步增加了他们过度辐射暴露和相关癌症疾病的风险。

采空区中的煤自燃是一个极其复杂的物理化学过程，伴随着多个物理场的同时相互作用，包括温度场、渗流场和气体浓度场。近年来，数值模拟技术日益成熟，为解决与采空区自燃相关的此类多物理场耦合问题提供了有效的技术支持[36]。该方法基于传热理论、流体力学和孔隙介质流动理论建立数学模型，并通过结合实验室实验和现场测量获得的参数（如温度和气体浓度）变化来进行模拟。它具有成本低和可视化能力强的特点，在解决此类复杂多物理场耦合过程方面显示出明显的优势。许多研究人员采用数值模拟方法调查了采空区残煤自燃中的气体迁移行为。Wu 等人开发了一个多物理场耦合模型，调查了煤自燃过程中热效应对指示气体迁移的影响，揭示了热浮力驱动气体向上积聚，并为优化气体监测布局提供了理论依据[37]。Lu 等人进行了实验和数值模拟，调查了煤自燃过程中氡源的形成，揭示了氡分布源于漏风与“多孔烟囱效应”之间的竞争，热浮力驱动氡到采空区顶部进行表面迁移[38]。Hu 等人调查了推进式长壁采空区自燃和瓦斯爆炸灾害的动态演化，并开发了一个三维计算流体力学模型，该模型与 Coward 三角形耦合，以评估不同氧气浓度下的甲烷爆炸风险[39]。上述研究在解决采空区煤自燃引起的耦合危害方面取得了良好结果，表明数值模拟技术对于调查采空区氡气的迁移和危害特征是可行且可靠的。

然而，尽管以往的研究调查了煤中的氡释放机理及其在采矿环境中的迁移行为，但它们大多数将氡源形成或迁移过程孤立地考虑。采矿引起的裂隙演化、自燃驱动的温度升高、温度依赖的氡释放以及采空区系统中的三维对流 - 扩散迁移之间的耦合效应尚未得到系统解决。因此，本研究旨在开发一种以机理为导向的方法，用于分析煤矿采空区中的氡释放、迁移和积聚，在采矿引起的破碎和煤自燃的耦合效应下。基于气体质量传递理论，建立了一个一维稳态模型，以阐明扩散、对流和放射性衰变对孔隙介质中氡迁移的影响。随后进行了一项封闭氡积聚实验，以量化煤的温度依赖氡释放行为，并使用程序加热实验来表征低温煤氧化过程中的耗氧情况。此外，开发了一个采空区的三维多物理场耦合模型，以模拟气流、氧气、温度和氡场的耦合演化。调查了入口速度、裂隙宽度、裂隙漏风速度和工作面氡释放通量对氡积聚和风险区分布的影响。本研究通过将实验室确定的温度依赖氡源项与以裂隙为主的采空区尺度迁移相结合，推进了以往的努力，从而能够在煤自燃期间评估工作面的氡危害。结果指出了地下煤矿中氡的迁移机理和空间分布，为评估煤矿中的辐射危害和保护矿工职业健康提供了理论支持。

章节片段
多孔介质中氡迁移的分析
煤层开采破坏了上覆顶板的天然应力状态，导致局部应力集中区的形成。这导致采空区上覆地层依次形成垮落带、断裂带和弯曲下沉带，产生大量裂隙和孔隙[40]。如图 2 所示，这些孔隙为氡气迁移提供了充足的空间和通道。根据质量传递理论，气体物质迁移

氡释放和耗氧实验
煤样采集自中国内蒙古白音华煤矿（图 5(a)）。如图 5(b) 所示，大块原煤被破碎并筛分为 3–10 mm 的目标粒径级。对于耗氧实验，样品首先被破碎至 3–10 mm 的粒径。此外，耗氧实验中的煤颗粒在测试前在真空烘箱中于 80 °C 下干燥 48 小时以去除水分[41]。

地下煤自燃期间氡迁移的数值建模
地下煤自燃产生的氡迁移是一个受多种因素控制的极其复杂的过程，无法直接观察。在煤矿开采过程中，上覆地层的破碎和下沉导致大量裂隙的形成。

其中一些被称为地堑断裂的裂隙延伸至地表，并对煤炭自燃产生重大影响。地堑断裂形成于采空区中心上方并定向。基础情况分析：基础情况旨在表征采空区内氧气浓度、温度和氡浓度的空间分布，并阐明在不同条件下这些场之间的基本耦合机制。后续分析采用控制变量法，即相对于基础情况调整单个参数，以量化它们对三个场空间演化的具体影响。在参数研究之前，它是。结论：本研究调查了在采矿扰动和煤炭自燃耦合作用下采空区的氡释放、迁移和积聚，特别强调工作面风险区域的演化。

(1) 一维对流 - 扩散 - 衰减模型阐明了孔隙介质中氡的基本迁移机制。在本研究使用的参数下，在扩散主导条件下，氡衰减迅速，有效迁移距离为。环境影响：本研究强调了采矿引起的裂隙和煤炭自燃如何共同增强地下煤矿中的氡释放和迁移。这些过程可显著增加封闭采矿环境中氡的积聚，对工人造成潜在的辐射风险并影响地下空气质量。了解这些耦合机制改善了复杂地质条件下氡行为的预测，并支持更有效的矿井通风设计。CRediT 作者贡献声明：Ichhuy Ngo：资金获取，数据整理。Bokang Zhang：验证，数据整理。Hung Vo Thanh：验证，数据整理。Zhiyu Zhang：写作 - 审查与编辑，写作 - 初稿，验证，软件，调查，形式分析。Xiaohan Qi：写作 - 审查与编辑，数据整理。Yongjun Wang：方法论，调查。Hemeng Zhang：写作 - 审查与编辑，写作 - 初稿，监督，资源，项目管理，资金获取。利益冲突声明：作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。致谢：本研究得到国家自然科学基金（52304220, W2532035）的支持。意义声明：氡气可在地下煤矿中积聚，并对工人构成重大健康风险，特别是在封闭和通风不良的区域。然而，采矿引起的裂隙的联合效应——特别是它们对煤炭自燃和氡迁移的影响——仍知之甚少，限制了在复杂地下环境中的准确预测。本研究整合了

张智宇 | 张恒猛 | 高可 | 祁晓涵 | 王永军 | 张博康 | Hung Vo Thanh | Ichhuy Ngo
辽宁科技大学安全科学与工程学院，葫芦岛，125105，中国