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基于COMSOL 的铀尾矿堆单层覆盖治理效果分析
2018-04-10
在假设铀尾矿堆为有限厚射气介质体的基础上,推导出了扩散作用时铀尾矿堆单层 覆盖情况下的覆盖层表面氡析出率模型,并对黏土、砂壤土、石膏、重混凝土、水泥砂浆、沥青、建筑 材料等7 种材料分别进行了计算分析。采用COMSOL Multiphysics 软件,对采用相同厚度的7 种材 料对铀尾矿堆进行单层覆盖时覆盖层中的氡浓度分布进行了可视化模拟分析。研究表明:采用相 同厚度的材料对铀尾矿堆进行单层覆盖时,治理效果最佳的材料为重混凝土,其次为沥青,再次为 水泥砂浆,分析结果可为铀尾矿堆覆盖治理提供有益参考。
总第 587 期 现代矿业 2018 年 3 月第 3 期 ∗ 基于 COMSOL 的铀尾矿堆单层覆盖治理效果分析 1 班改革 ꢀ 戴剑勇 1,2 ( 1. 南华大学核资源工程学院;2. 南华大学研究生院) ꢀ ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 在假设铀尾矿堆为有限厚射气介质体的基础上,推导出了扩散作用时铀尾矿堆单层 覆盖情况下的覆盖层表面氡析出率模型,并对黏土、砂壤土、石膏、重混凝土、水泥砂浆、沥青、建筑 材料等 7 种材料分别进行了计算分析。 采用 COMSOL Multiphysics 软件,对采用相同厚度的 7 种材 料对铀尾矿堆进行单层覆盖时覆盖层中的氡浓度分布进行了可视化模拟分析。 研究表明:采用相 同厚度的材料对铀尾矿堆进行单层覆盖时,治理效果最佳的材料为重混凝土,其次为沥青,再次为 水泥砂浆,分析结果可为铀尾矿堆覆盖治理提供有益参考。 关键词ꢀ 铀尾矿堆ꢀ 单层覆盖ꢀ 氡析出率ꢀ COMSOLꢀ 可视化模拟 DOI:10. 3969 / j. issn. 1674-6082. 2018. 03. 057 Analysis of Single Layer Coverage Governance Effects of Uranium Tailings Pile Based on COMSOL Software 1 1,2 Ban Gaige ꢀ Dai Jianyong 1. School of Nuclear Resources Engineering,University of South China; . Postgraduate School,University of South China) ( 2 Abstractꢀ Based on the assumption that the uranium tailings pile is a finite thickness emanation medium body, the radon exhalation rate model that only considering the diffusion under the single layer coverage of uranium tailings pile is deduced. Seven kings of materials such as clay,sandy loam,gypsum, heavy concrete,cement mortar,asphalt and building material are calculated respectively by using the ra- don exhalation rate model. Based on COMSOL Multiphysics software,the distribution of radon concentra- tion in the cover layer of uranium tailings pile is simulated under the same thickness of the above seven kings of materials respectively. The study results show that the best governance effect of heavy concrete is superior to the other materials when the uranium tailings pile is covered by using the same thickness mate- rials respectively,secondary for asphalt,thirdly for cement mortar. The study results can provide some meaningful reference for the coverage governance of uranium tailings pile. Keywordsꢀ Uranium tailings pile,Single layer coverage,Radon exhalation rate,COMSOL,Visual simulation ꢀ ꢀ 随着近年来我国核工业迅速发展,铀尾矿堆数 对黏土、砂壤土、石膏、重混凝土、水泥砂浆、沥青、建 筑材料等 7 种材料的氡析出率随覆盖层厚度的变化 情况进行分析;然后应用 COMSOL 软件,选取合适 的物理场,进行相应的参数设置和边界条件设置,对 采用相同厚度的上述 7 种材料分别对铀尾矿堆进行 单层覆盖时覆盖层中的氡浓度分布情况进行可视化 模拟,并结合单层覆盖情况下的覆盖层中氡浓度分 布的数学模型,计算出上述 7 种材料的表面氡析出 率;最后通过综合分析,优选出最适宜用于铀尾矿堆 覆盖的材料。 [ 1] 量呈逐年上升趋势。 袁勤等 通过调查发现尾矿 堆为铀矿山氡污染源,威胁着矿山附近居民身体健 [ 2] 康;张叶等 通过估算某铀矿山 11 个尾矿堆氡析出 率,结果表明,均超出了国家规定的限值,仅有退役 治理后的尾矿堆的氡析出率才满足要求,可见铀尾 矿堆治理工作刻不容缓。 覆盖是一种有效的尾矿堆 治理措施,考虑到治理经济成本、治理效果等因素, [ 3-8] 大量学者对铀尾矿堆覆盖材料进行了研究 。 本 研究首先通过构建单层覆盖情况下的覆盖层中氡浓 1 ꢀ 单层覆盖时铀尾矿堆氡析出模型分析 度分布数学模型,并根据该模型采用 MATLAB 软件 2 24 ꢀ ꢀ 班改革ꢀ 戴剑勇:基于 COMSOL 的铀尾矿堆单层覆盖治理效果分析ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2018 年 3 月第 3 期 2 1 . 1ꢀ 模型构建 铀尾矿堆是一种射气介质体,鉴于以往研究成 D0 d C0 - v0 dC0 - λ·C0 + m0 = 0 , (1) dy - λ·C1 + m1 = 0 , (2) 2 dy 2 果大都是假设尾矿堆为半无限大射气介质,本研究 将尾矿堆简化为有限厚射气介质体。 如图 1 所示, h0 、h1 分别为尾矿堆高度和覆盖层厚度。 首先将尾 矿堆视为一个有厚度的板状射气介质,构建出有限 厚覆盖层中氡浓度分布模型,在此基础上推导出单 层覆盖条件下尾矿堆和覆盖层中氡浓度分布模型与 仅考虑扩散作用时覆盖层表面氡析出率的表达式。 尾矿堆和覆盖层中氡浓度的分布模型可分别表 示为 D1 d C1 - v1 dC1 2 dy dy 式中,D0 、D1 分别为氡在尾矿堆和覆盖层中的扩散 2 系数,m / s;C0 、C1 分别为尾矿堆和覆盖层中的氡浓 3 度,Bq / m ;v0 、v1 分别为尾矿堆和覆盖层中气体的 渗流速度,m/ s;m0 、m1 分别为尾矿堆和覆盖层中产 3 生的可移动氡的浓度,Bq / m ;λ 为氡的衰变常数。 图 1ꢀ 尾矿堆单层覆盖的几何模型 由于式(1) 为二阶常系数非线性齐次方程,式 ( ( 2)为二阶常系数线性齐次方程,因此,可分别设式 1)、(2)的通解为 2 0 2 0 +4λD0 v +4λD0 )y + m0 , v0 2D0 v v0 ( - ( - - )y - C0 = a01 e 4D 2 0 + a02 e 2D0 4D 2 0 (3) (4) 2 1 2 1 v +4λD1 v1 ( - v +4λD1 )(y-h0) + m1 , v1 2D1 ( - - )(y-h0) - C1 = a11 e 4D 2 1 + a12 e 2D1 4D 2 1 式中,a01 、a02 、a11 、a12 为计算系数。 =v1 =va ,m1 = 0 时,覆盖层上表面氡析出率 J 的计算 2 26 若不考虑渗流作用和覆盖层中 Ra 含量,即 v0 公式可表示为 2 Mη1 D1 ·D0 J = , (5) λ λ λ λ y0 y0 - y0 y0 D0 - e D0 ) - η0 λD0 ( e D0 + e D0 )+ η1 λD1 式中,η1 为覆盖层孔隙率;η0 为尾矿孔隙率;M 为尾 ( e 表 1ꢀ 尾矿堆表面覆盖材料参数 扩散系数 D0 / (m / s) 孔隙率 覆盖层与尾矿堆孔 隙率之比 η / η 矿堆表面产生可移动氡的能力,B / q(m/ s)。 覆盖材料 2 η 1 1 0 1 . 2ꢀ 实例分析 湖南省某铀尾矿堆采用黏土进行覆盖,尾矿库 ꢁ 6 黏土 砂壤土 石膏 2. 06×10 1. 63×10 0. 19 0. 23 0. 01 0. 08 0. 16 0. 10 0. 28 0. 315 6 0. 382 1 0. 016 6 0. 132 9 0. 265 8 0. 166 1 0. 465 1 ꢁ 6 2 面积为 1 000 m ,铀矿品位为 0. 05% ,铀镭平衡系数 1. 70×10ꢁ6 ꢁ 6 ꢁ 10 为 1. 03,尾矿堆的扩散系数 D0 为 3. 27×10 ,射气 重混凝土 水泥砂浆 沥青 6. 80×10 5. 70×10ꢁ7 ꢁ 8 2 系数为 18% ,尾矿堆的渗透率为 5×10 m ,尾矿的 ꢁ 8 ꢁ 3 3 1. 59×10 1. 85×10 孔隙率 η0 为 0. 602,尾矿密度为 1. 5×10 kg / m ,氡 ꢁ 6 建筑材料 ꢁ 6 ꢁ1 的衰变常数 λ 取值为 2. 1×10 s ,尾矿堆表面产生 可移动氡的能力为 M =3. 526 Bq / (m/ s)。 在不考 虑尾矿堆中空气渗流变化的情况下,覆盖前尾矿堆 的氡析出率取为某个固定值,为简化计算,本研究取 ꢀ ꢀ 由图 2 可知:在一定厚度范围内,氡析出率随着 覆盖层厚度的增加而降低,即覆盖层的防氡效果随 着厚度的增加而提升;随着覆盖层厚度继续增加,氡 析出率降低幅度越来越小;当覆盖层厚度超过某个 值时,随着覆盖层厚度增加,氡析出率将不再变化, 即对于某种材料来讲,在厚度达到某个值时增加覆 盖层厚度对于提升防氡效果收效甚微;分别采用相 同厚度的材料对铀尾矿堆进行单层覆盖时,对铀尾 0 。 分别采用土壤、砂、石膏、重混凝土、水泥砂浆、沥 青、建筑材料 7 种介质对尾矿堆进行覆盖,根据式 5),令覆盖材料和尾矿堆的孔隙率、扩散系数均相 ( 等,根据表 1,采用 MATLAB 软件计算分析了覆盖层 表面的氡析出率随覆盖层厚度的变化关系(图 2)。 2 25 总第 587 期 现代矿业 2018 年 3 月第 3 期 矿堆治理效果最佳的是重混凝土,覆盖效果由好至 2 26 ꢀ ꢀ 班改革ꢀ 戴剑勇:基于 COMSOL 的铀尾矿堆单层覆盖治理效果分析ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2018 年 3 月第 3 期 创建新模型—创建几何—选择材料—设置边界条 件—网格剖分—后处理。 氡的运移很大程度上取决 于温度梯度。 存在温度梯度时,多孔介质中会有气 流。 本研究将尾矿堆和覆盖层视为理想的混合系 统,选取 COMSOL 软件中的全局常微分和微分代数 方程(ge)模块、Richards 方程模块(dl)、多孔介质稀 物质传递模块(tds)模块,分析瞬态条件下尾矿堆及 覆盖材料中氡及其子体的分布特征。 尾矿堆的相关 参数仍采用 1. 2 节中铀尾矿堆数据,覆盖材料的相 图 2ꢀ 氡析出率随覆盖材料厚度的变化特征 关参数仍采用表 1 中的数据。 模型自由实体层次采 △ —黏土; ○ —建筑材料; ☆ —砂壤土; × —石膏; + —水泥砂浆; ◇ —沥青; □ —重混凝土 用自由剖分三角形网格进行剖分。 差排序为重混凝土、沥青、水泥砂浆、石膏、砂壤土、 建筑材料、黏土。 对于黏土、砂壤土、水泥砂浆、建筑材料、石膏、 重混凝土、沥青 7 种材料,取覆盖厚度 0. 3 m 分别模 拟分析起始状态(0 d)、稳定状态(10 d)时氡浓度的 分布特征,结果见图 3。 2 ꢀ 氡析出 COMSOL 模拟分析 COMSOL 是一款兼容性好、功能强的多物理场 耦合软件,其灵活性较好。该款软件的建模流程为 图 3ꢀ 不同材料覆盖层中氡浓度分布特征 4 3 ꢀ ꢀ 分析图 3 可知:0 d 时 7 种材料覆盖层中氡初始 壤土覆盖层中氡浓度为(1. 31 ~ 1. 5) ×10 Bq / m ; 4 3 浓度为 1. 5×10 Bq / m ;10 d 时,0. 3 m 厚黏土覆盖 0. 3 m 厚水泥砂浆覆盖层中氡浓度为(1. 2 ~ 1. 5) × 4 3 4 3 层中氡浓度为(1. 4 ~ 1. 5) ×10 Bq / m ,0. 3 m 厚砂 10 Bq / m ;0. 3 m 建 筑 材 料 覆 盖 层 中 氡 浓 度 为 2 27 总第 587 期 现代矿业 2018 年 3 月第 3 期 4 3 ( 1. 32 ~ 1. 5)×10 Bq / m ;0. 3 m 厚石膏覆盖层中氡 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 4 3 浓度为(0. 95 ~ 1. 5)×10 Bq / m ;0. 3 m 厚重混凝土 4 3 [1]ꢀ 袁ꢀ 勤,蔡ꢀ 松. 某铀矿山退役治理源项调查[J]. 采矿技术, 017,17(1):36-38. 覆盖层中氡浓度为(12. 3 ~ 1. 5) ×10 Bq / m ;0. 3 m 4 2 厚沥青覆盖层中氡浓度为(0. 241 ~ 1. 5) ×10 Bq / [ 2]ꢀ 张ꢀ 叶,张雄杰,覃国秀. 某铀矿山废石堆场氡污染调查[ J]. 铀矿地质,2017,33(3):174-177. 3 m 。 可见,按照覆盖效果由好至差排列依次为重混 凝土、沥青、水泥砂浆、黏土、石膏、建筑材料、砂壤 土。 [3]ꢀ DALDOUL G,SOUISSI R,SOUISSI F,et al. Assessment and mob- ility of heavy metals in carbonated soils contaminated by old mine tailings in North Tunisia[ J]. Journal of African Earth Sciences, 3 ꢀ 结ꢀ 语 2 015,110:150-159. 通过构建铀尾矿堆覆盖层表面氡析出率模型, [ 4]ꢀ BILIBIO C,SCHELLERT C,RETZ S, et al. Water balance assess- ment of different substrates on potash tailings piles using non- weighable lysimeters[ J]. Journal of Environmental Management, 2017,196:633-643. 并使用 MATLAB 软件进行了计算分析,得出覆盖层 氡析出率随覆盖层厚度增加逐渐降低,直至某个厚 度值达到稳定,且在相同厚度材料单层覆盖的条件 下,对铀尾矿堆治理效果最佳的材料为重混凝土,覆 盖效果由好到差排序依次为重混凝土、沥青、水泥砂 浆、石膏、砂壤土、建筑材料、黏土。 通过 COMSOL 模拟覆盖层中氡浓度分布情况,得出在相同厚度材 料单层覆盖的条件下,对铀尾矿堆治理效果的最佳 材料为重混凝土,覆盖效果由好到差排序依次为重 混凝土、沥青、水泥砂浆、黏土、石膏、建筑材料、砂壤 土。 综合研究表明:在同等覆盖厚度的条件下,对铀 尾矿堆进行覆盖较理想的材料依次为重混凝土、沥 青、水泥砂浆。 [ [ 5]ꢀ 戴剑勇,汪ꢀ 敏,邹树梁. 铀尾矿堆覆盖材料混合智能优化选 择研究[J]. 原子能科学技术,2016,50(7):1329-1335. 6]ꢀ WANG F, WARD I C. Radon entry, migration and reduction in houses with cellars[J]. Building & Environment,2002,37(11): 1 153-1165. [7]ꢀ SAHOO B K,MAYYA Y S,SAPRA B K, et al. Radon exhalation studies in an Indian uranium tailings pile[J]. Radiation Measure- ments,2010,45(2):237-241. [ 8]ꢀ 张ꢀ 哲,朱民安,张永祥. 地下工程与人居环境氡防护技术 [ M]. 北京:原子能出版社,2010. ( 收稿日期 2017-09-04) ■ ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ 3 3 合治理[J]. 现代矿业,2016(9):225-226. 2]ꢀ 李晓东,贾敏涛. 冬瓜山铜矿湿式抑尘技术[ J]. 现代矿业, 2016(8):209-210. ( 上接第 211 页)10. 9 mg / m 降至 6. 4 mg / m ,表明 [ [ 该系统的降尘效果显著。 表 2ꢀ 高压喷雾降尘系统应用前后粉尘浓度对比 mg/ m 3 3]ꢀ 薄以军,吕ꢀ 琳. 我国粉尘职业危害现状及预防对策[J]. 中国 安全科学学报,1998(4):26-30. 4 0 h CTWA 15 min CSTEL 应用前 应用后 检测点 应用 应用 [4]ꢀ 吴ꢀ 江,吴冷峻. 冬瓜山铜矿某卸矿站综合防尘系统设计与应 用[J]. 金属矿山,2009(8):132-134. 前 后 最大 超限 最大 超限 值 倍数 值 倍数 [ 5]ꢀ 杨ꢀ 凯,吕淑然. 铜兴公司卸矿溜井冲击性粉尘治理研究[J]. 有色金属:矿山部分,2013(3):68-70. ꢁ 875 m 有轨运输中段 4. 1 2. 1 1. 8 0. 2 0. 6 0. 1 6. 4 0. 8 0. 7 0. 1 ꢁ 875 m 卸矿作业区 10. 9 1. 4 2. 2 0. 3 [ 6]ꢀ 王福成,勾光学,王英敏,等. 溜井卸压除尘净化综合技术研究 ꢁ 875 m 有轨运输中转站 [ J]. 有色金属:矿山部分,2000(6):43-45. 5 ꢀ 结ꢀ 语 分析了冬瓜山铜矿井下ꢁ875 m 水平卸矿站卸 [7]ꢀ 李ꢀ 政. 坑下矿山高溜井漏风及粉尘污染控制技术研究[J]. 有色金属:矿山部分,2006(9):42-45. 矿过程中冲击性粉尘的产生机理,设计了一套高压 喷雾降尘系统,该系统通过高压喷雾抑制卸矿时产 生的扬尘和冲击性粉尘,通过水幕进一步净化外溢 粉尘。 现场应用表明,该系统能够显著降低粉尘浓 度,对于大幅改善该矿井下作业环境大有裨益,对于 类似矿山也有一定的借鉴价值。 [8]ꢀ 王英敏,染昌才. 溜矿井冲击风且的计算及其控制[J]. 有色金 属:矿山部分,1981(1):41-45. [ 9]ꢀ 胡伯其. 柔性吊帘在高溜井中的应用[ J]. 工业安全与防尘, 986(10):35-37. 10]ꢀ 王海宁. 矿山高溜井多片式挡风板应用研究[J]. 金属矿山, 005(3):58-60. 1 [ 2 ( 收稿日期 2017-09-07) 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 [ 1]ꢀ 李晓东,黄寿元,贾敏涛. 冬瓜山铜矿粉尘职业危害因素及综 2 28
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