Радиационная опасность в угольных шахтах

УДК 622.8: 621.039.58:-

В.С. Рогалис, М.В. Павленко, А.А. Шилов, О.П. Хитров

РАДИАЦИОННАЯ ОПАСНОСТЬ В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ

Указаны источники выделения продуктов распада радиоактивных элементов при добыче угля в угольных шахтах. Приведены результаты обследования отдельных шахт на предмет радиационной опасности и предложены рекомендации по устранению этой опасности. Большая роль отводится проветриванию шахт. Особое внимание уделено порядку контроля радиационной опасности на рабочих местах с целью предупреждения и защиты горнорабочих от воздействия ионизирующего излучения.

Ключевые слова: горные выработки, порода, радон, радиационная безопасность, шахта, проветривание, угли, атмосфера, радон, торий, норматив.

Радиационная опасность в угольных шахтах связана с наличием естественных радионуклидов, содержащимися в углях и вмещающих породах. Основной вклад в дозу облучения подземного персонала вносят дочерние продукты радона и тория, а также долгоживущие радионуклиды рядов урана и тория, присутствующие в шахтной атмосфере в виде аэрозолей.

Самое высокое выделение наблюдается в местностях, где горные породы содержат высокие концентрации урана (U). Миграции Rn из почв благоприятствуют деформационные явления в горных породах, вертикальные зоны разломов. Считают, что наибольшую интенсивность миграции Rn из пород можно ожидать в условиях, где может присутствовать комбинация следующих геологических факторов: породы, обогащенные U+, интенсивная хрупкая деформация субвертикальных пород, не содержащих кварца, карбоната или глины + земляной покров, состоящий из гравия или песчаных элювиалей.

Большинство угольных шахт проветривается достаточно интенсивно (время воздухообмена менее 2500 с), среднее содержание урана и тория в углях и породах редко превышает 40 Бк • кг-1. Если в этих шахтах обеспечивается норматив по запыленности воздуха (10 мг • м-3), то средний уровень суммарного воздействия радионуклидов на легкие (УВЛ) находится в пределах 0,5...0,7 норматива для шахтеров не урановых руд-

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 1. С. 175-184. © 2017. В.С. Рогалис, М.В. Павленко, А.А. Шилов, О.П. Хитров.

ников и радиационная обстановка является достаточно благоприятной.

Этот газ не имеет цвета, вкуса и даже запаха, однако он обладает массой других, чрезвычайно опасных для организма качеств. Учеными установлено, что он способствует возникновению болезней легких, а также раковых заболеваний, влияющих на организм на генетическом уровне. «Место жительства» радона определить одновременно трудно: он повсюду.

Радиационная обстановка в шахте зависит главным образом от интенсивности ее проветривания, содержания урана и тория в углях и вмещающих породах и, наконец, от скорости выделения радона и тория в рудничную атмосферу.

По предварительным данным обследовано шахт в угольной промышленности России на радиационную опасность составляет примерно 90%. В остальных 10% шахт один или несколько перечисленных выше факторов существенно отличаются от средних значений. В частности, время воздухообмена в отдельных шахта превышает 4000...5000 с., среднее содержание урана и тория может достигать 250 Бк • кг-1 и более, а среднегодовая запыленность атмосферы на некоторых рабочих местах составляет 20.30 мг • м-3.

В результате среднее значение УВЛ может быть в 2.3 раза выше предельно допустимой для нормализации радиационной обстановки необходимо осуществить комплекс специальных защитных мероприятий. В пункте 2.4.6. «Основных санитарных правил» [2] записано: «Производственный контроль за радиационной безопасностью в организации, где происходит облучение работников природными источниками излучения (ПИИ) в дозе более 1 мЗв в год должно осуществляться специальной службой или лицами, ответственными за радиационную безопасность. Такой радиационный контроль предусматривает проведение контроля и учета индивидуальных облучения работников, общее состояние радиационно-экологической обстановки на предприятии и периодически составляется с органами Рос-потребнадзора.

Учитывая, что в угольной промышленности действует более 500 шахт и разрезов; оценку радиационной обстановки следует проводить в два этапа.

На первом этапе проводят предварительную оценку, которая заключается в отборе образцов углей и вмещающих пород с последующим измерением содержания в них радия-226, тория 228 и калия-40, а также в изучении радиоактивной загрязнен-

ности исходящих воздушных струй. Запыленность рудничной атмосферы и параметры вентиляционной системы принимаются по данным текущего контроля.

На втором этапе проводят детальное обследование радиационной обстановки на тех шахтах, где по данным предварительной оценки среднее значение УВЛ на рабочих местах превышает норматив. В процессе детального обследования уточняют значения параметров, влияющих на формирование радиационной обстановки во всех горных выработках, и разрабатывают комплекс защитных мер.

Горнотехнические условия в угольных шахтах, как правило, существенно отличаются от условий разработки рудных месторождений. Для угольных шахт характерны более узкий диапазон содержаний радия-226 и тория-228 в углях и вмещающих породах, малое число горизонтов, находящихся в отработке, нередко небольшая глубина залегания угольных пластов, выделение метана.

С учетом этих отличий можно сделать следующие предположения об особенностях радоновыделения в угольных шахтах:

• выделение радона (торона) в единицу объема или с единицы поверхности горных выработок происходит более или менее равномерно по всей шахте;

• повышенная интенсивность выделения радона в атмосферу выработок может иметь место там, где выделяется значительное количество метана, а также в горных выработках, прилегающих к отработанным участкам;

• в шахтах со всасывающим способом проветривания следует ожидать более высокие значения дебита радона, особенно при небольшой глубине отработки;

• интенсивность выделения радона в конвейерные выемочные штреки, по-видимому, будет более высокой по сравнению с вентиляционным (воздухопадающими) выемочными штреками за счет фильтрационного выноса радона из находящегося между ними угольного пласта.

Прогнозирование дебита радона и торона шахта и ее отдельных участков является наиболее сложной задачей при определении потребного количества воздуха по радиационному фактору. Большое число факторов, влияющих на процесс радоно-выделения, и вариабельность горно-геологических условий не позволяют теоретически рассчитать дебит радона, поэтому для его оценки обычно используют метод аналогий и эмпирические зависимости, установленные в процессе радиационного

обследования шахт, чаще всего это приведенное (к единичному содержанию радия-226 (тория-228) в углях и вмещающих породах.

В процессе детального обследования радиационной обстановки необходимо уточнить и фактическую эффективность использования средств индивидуальной защиты органов дыхания (респираторов). Для этого экспериментально определяют среднее значение коэффициента задержки аэрозолей КЗ (относительных единиц) респиратором (но не фильтрующей тканью, а устройством в целом), а также среднее относительное время ношения респиратора персоналом в течение смены (относительная единица).

Одним из компонентов радиационного фона на угольных шахтах и разрезах является гамма-излучение радиоактивных элементов содержащихся в углях и вмещающих породах, обусловленное содержащимися в них радионуклидов естественных радиоактивных элементов семейств урана и тория, а также радиоактивного изотопа калия-40.

Возможные пределы и среднее значения дозы внешнего гамма-облучения в угольных шахтах, составляют для выработок, пройденных в угольных пластах, 0,01...1,3 мЗв/год (в среднем 0,06 мЗв/год), а для полевых выработок — 0,05.0,8 мЗв/год (в среднем 0,12 мЗв/год).

Значимость таких доз можно оценить, сравнивая их со средней дозой внешнего облучения, получаемой за рабочий год персоналом, работающим в помещениях на поверхности (0,23 мЗв), со средней дозой внешнего облучения населения за счет естественного фона 0,8 мЗв/год; с временным пределом дозы внешнего облучения населения в жилищах, рекомендованным Национальной комиссией по радиационной защите (5 мЗв/год сверх естественного фона); с пределом внешнего облучения части населения (5 мЗв/год) и, наконец, с пределом облучения населения за счет техногенных источников, рекомендованным МКРЗ (1 мЗв/год сверх естественного фона).

Сравнение доказывает, что лишь в исключительных случаях (при совпадении максимумов содержаний всех ЕРН в углях и вмещающих породах) подземный персонал угольной шахты может получить дозу внешнего облучения, превышающую значение дозы от естественного радиационного фона на поверхности. Но и в этих случаях дополнительная (над фоновая) доза не превысит предела, рекомендованного МКРЗ для населения, и 20% предела, установленного НРБ-99 для отдельных лиц из населения.

Можно ожидать, что средняя доза внешнего облучения персонала за год работы в угольной шахте будет в 2.4 раза меньше, чем доза, получаемая за этот же период работающими на поверхности, и в 6.12 раз меньше годовой дозы за счет среднего значения естественного фона на поверхности.

Из вышеизложенного следует, что на угольных шахтах и разрезах внешнее гамма-излучение не является значимым радиа-ционно опасным фактором, а систематический контроль и учет дозы внешнего облучения подземного персонала необходимы только на тех шахтах, где среднее содержание ЕРН превышает по радию-226 порядка 200 Бк • кг-1, а по торию-232 порядка 150 Бк • кг-1.

Уровни воздействия РОФ (радиационно-опасных факторов) на персонал угольных шахт могут различаться, по меньшей мере, на два порядка величины в зависимости от содержания радионуклидов в углях и вмещающих породах, запыленности атмосферы, дебита радона и проветриваемого объема шахта, количества подаваемого в шахту воздуха.

Целью предварительного обследования является классификация шахт в зависимости от уровня суммарного воздействия РОФ. По этому признаку все угольные шахты и разрезы можно разделить на три категории:

I категория — радиационно безопасные шахты, где средний уровень суммарного воздействия РОФ на легкие не превышает 0,5 норматива для отдельных лиц из населения, а максимальные годовые дозы облучения не превышают норматив.

II категория — умеренно опасные в радиационном отношении шахты, где средний уровень суммарного воздействия РОФ находится в диапазоне 0,5.1,0 норматива, а среднегодовые превышения норматива наблюдаются не более, чем на 30% рабочих мест.

III категория — радиационно опасные шахты, где средний уровень суммарного воздействия РОФ в течение всего года превышает норматив.

В шахтах I категории для обеспечения безопасности персонала достаточны эпизодические (один—два раза в год) измерения ВСЭ (величина скрытой энергии), ДПР (дочерние продукты радона) и ДПТ (дочерние продукты торона) в исходящей воздушной струе шахты, а защитные меры сводятся к снижению запыленности рудничной атмосферы и более эффективному использованию респираторов.

В шахтах II категории необходим систематический радиационный контроль уровней РОФ на рабочих местах и исполь-

зование дополнительно к противопылевым других защитных мероприятий на тех участках, где среднегодовой уровень суммарного воздействия РОФ превышает норматив. К числу таких мероприятий относятся установка перемычек между отдельными участками, потерявших производственное значение, улучшение распределения воздушного потока в сети горных выработок и т.д.

В шахтах III категории должно быть проведено детальное обследование радиационной обстановки и по его результатам выданы рекомендации по снижению радиоактивной загрязненности рудничной атмосферы.

Задачами предварительного обследования являются:

• определение содержания естественных радионуклидов в углях и вмещающих породах;

• расчет содержания ДРН (дочерние радионуклиды) в атмосфере (с учетом данных о запыленности воздуха) по всем рабочим местам и транспортным выработкам;

• расчет мощности дозы гамма-излучения по всем рабочим местам с учетом содержания ЕРН в углях и вмещающих породах;

• определение содержания радона и ВСЭ, ДПР и ДПТ во всех исходящих и входящих воздушных струях шахты;

• расчет ВСЭ ДПР и ДПТ на всех рабочих местах с учетом фактического распределения воздуха в рудничной вентиляционной сети;

• расчет уровней суммарного воздействия РОФ на всех рабочих местах (с учетом использования средств индивидуальной защиты органов дыхания);

• оценка радиационно обстановки на шахте и подготовка предложений по организации дозиметрического контроля и повышению эффективности использования средств защиты.

Углубленное изучение радиационной обстановки проводят с целью выбора оптимального комплекса дополнительных защитных мер, позволяющих полностью нормализовать радиационную обстановку в шахте с минимальными затратами.

Основными задачами детального обследования являются:

• измерение уровней РОФ на всех основных рабочих местах и в транспортных выработках и расчет доз облучения отдельных лиц с учетом маршрута их передвижения по горным выработкам;

• проведение газовоздушной съемки шахты и определение источников радиоактивного загрязнения атмосферы;

• выбор рационального комплекса корректирующих защитных мероприятий, обеспечивающего соблюдения норм радиационной безопасности для всего подземного контингента работников.

Количественная оценка радиационного риска и обоснование допустимых пределов воздействия радионуклидов на организм шахтеров являются весьма сложной задачей, рассмотрение которой выходит за рамки его доклада. Поэтому при оценке радиационной обстановки на угольных шахтах и разрезах следует ориентироваться на официальные документы.

В этих рекомендациях шахтеры угольных шахт и разрезов отнесены к ограниченной части населения (категория Б), для которой установлен предел дозы за календарный год, равный (5 мЗв) для всего тела и (15 мЗв) для легких.

Принимая годовое время облучения шахтеров равным 1700 ч в год, а годовой объем вдыхаемого воздуха равным 2500 м3 в год, указанные выше пределы дозы в соответствии с НРБ-7997 не будут превышены, если среднегодовые уровни РОФ на рабочем месте не превысят следующих значений:

• мощность поглощенной в воздухе дозы гамма-излучения Р - 410 мкР • ч-1;

у

• содержание в воздухе короткоживущих ДПР (в единице эквивалентной равновесной концентрации радона — ЭРКк ) — 110 Бк • м-3;

• содержание в воздухе короткоживущих ДПТ (в единице эквивалентной равновесной концентрации торона — ЭРКр ) — 8,9 Бк • м-3;

• содержание в воздухе ДРН ряда урана-радия (по суммарной альфа-активности) — 37 мБк • м-3;

• содержание в воздухе ДРН ряда тория (по суммарной альфа-активности) — 18 мБк • м-3.

При определении доз облучения горнорабочих, исходя из действующих документов, его величина значительно варьируется, что связано с особенностями труда в угольных шахтах (высокая запыленность воздуха рабочей зоны, большое время работы и объем вдыхаемого воздуха за год). Установленная таким образом доза облучения не может служить основанием при оценке влияния радиационного фактора на данный момент контингент населения. Однако радиационное воздействие на горнорабочих, даже с учетом поправок при расчетах, обусловленное радиационным фактором рабочих мест угольного предприятия, может значительно превышать допустимое. Дозы облучения

горняков различных шахт, очистных лав и проходческих забоев существенно различаются, поскольку определяются с учетом особенностей трудового процесса (способ добычи угля и ведения проходческих работ — комбайн, отбойный молоток, буровзрывные работы, состояние вентиляции и т.д.). Концентрации радона в воздухе жилых помещений типичного угледобывающего города колеблются от 25 до 925 Бк/м3.

Совместное действие на организм радона и ряда факторов окружающей среды (пыль, выхлопные газы автотранспорта, продукты сгорания табака и др.) усиливают неблагоприятные эффекты, обусловленные этими факторами. Установлено, что в сочетании с табачным дымом онкогенный эффект действия радона возрастает в 2—10 раз и, что особенно важно, сокращается скрытый период развития легких (у курящих шахтеров — на 3—12 лет). По мнению специалистов, удвоение частоты рака легких по сравнению с мало облучаемым населением следует ожидать у людей, подвергающихся в течение жизни воздействию радона при его концентрации в окружающей среде равной 300—500 Бк/м3.

При расчете базовой нагрузки для шахтеров шахт производственных объединений рекомендуется принимать два основных радиационно-опасных фактора: мощность эксплуатационной дозы (гамма-альфа) и содержание в шахтной атмосфере радиоактивных газов радона и торона и дочерних продуктов их распада, и содержание радиоактивных элементов в угольной пыли.

Общая средняя базовая нагрузка на примере шахт ПО «Ту-лауголь» за время пребывания в шахте 1700 ч в год составила 1,83 мВт, что не отличается от средних значений других угольных предприятий. Однако есть шахты в производственных объединениях «Гуковуголь» и «Ростовуголь», в которых базовые нагрузки достигают от 4,5 до 13 мЗв/год, что является уже довольно опасной величиной.

Радиоэкологическое обследование угольных шахт, должно стать одной из составляющих программы обеспечения безопасности шахтеров.

Поэтому, данные рекомендации предложены в соответствии с требованиями норм и правил по контролю за радиационной обстановкой и обеспечению безопасностью трудящихся на угольных шахтах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Яворский З. И. Искусственные источники естественных радионуклидов в окружающей среде / Симпозиум по естественной радиации окружающей шахтной среды. — Хьюстон, 1981.

2. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99).

3. Основные санитарные правила обеспечения радиационной безопасности (ОСОПОРБ-99).

4. Методика определения фонов индикаторных источников на выемочных полях шахты России. Утверждено 28.05.1997 г. зам. председателя Госгортехнадзора России.

5. Методика оценки радиационной обстановки на угольных шахтах и разрезах РД 8-016-91, 1992.

6. Федеральный Закон «О государственном регулировании в области добычи и использования угля, об особенностях социальной политики работников организаций угольной промышленности» от 20.06.1996 г.

7. Методика определения фонов индикаторных газов на выемочных полях шахт России. Утверждено 29.05.1997 г. Первым Заместителем топлива и энергетики.

8. Приказ Ростехнадзора от 11.12.2013 № 599 «Об утверждении Федеральных норм и правил в области» промышленной безопасности «Правил безопасности при ведении горных работ и переработка твердых полезных ископаемых». Зарегистрировано в Минюсте России 02.07.2-14 № 32935.

9. Методические указания по обеспечению требований радиационной безопасности при добыче и переработке минерального сырья на предприятиях (организациях) горнорудной и нерудной промышленности отнесенных к радиационно опасным производствам. РД 03-151-97.

10. Ионизирующие излучения и их измерения. Термины и определения. ГОСТ 15484 81. - М.: Стандарты, 1981.

11. ГСН. Единицы физических величин. ГОСТ 8417-81 (СТ СЭВ 1052-78). - М.: Стандарты, 1982. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Рогалис Викотор Станиславович1 — доктор технических наук, Павленко Михаил Васильевич — кандидат технических наук, НИТУ «МИСиС», e-mail: mihail_mggy@mail.ru, Шилов Анатолий Алексеевич1 — кандидат технических наук, Хитров Олег Павлович1 — эксперт, 1 НПК «Техсервис».

UDC 622.8: 621.039.58:-

Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 1, pp. 175-184. V.S. Rogalis, M.V. Pavlenko, A.A. Shilov, O.P. Khitrov RADIATION HAZARD IN COAL MINES

In the article the sources of release of the products of radioactive decay elements of coal mining in the coal mines. The results Survey of selected mines on the subject of radiation hazard and recommendations for addressing this danger. Big role given to the ventilation of mines. Of particular importance in the article order control of radiation hazard in the workplace, with the aim prevent and protect miners from exposure to ionizing radiation.

Key words: underground workings, rock, radon, radiation safety, mine, ventilation, coal, atmosphere, radon, thorium, standard.

AUTHORS

Rogalis V.S.1, Doctor of Technical Sciences, Pavlenko M.V., Candidate of Technical Sciences, e-mail: mihail_mggy@mail.ru,

National University of Science and Technology «MISiS»,

119049, Moscow, Russia,

Shilov A.A.1, Candidate of Technical Sciences,

Khitrov O.P.1, Expert,

1 NPK «Techservice», Moscow, Russia.

REFERENCES

1. Yavorskiy Z. I. Iskusstvennye istochniki estestvennykh radionuklidov v okruzhayush-chey srede. Simpozium po estestvennoy radiatsii okruzhayushchey shakhtnoy sredy (Symposium on Natural Radiation in Mines), Kh'yuston, 1981.

2. Normy radiatsionnoy bezopasnosti (NRB-99) (Radiation Standards (NRB-99)).

3. Osnovnyesanitarnyepravila obespecheniya radiatsionnoy bezopasnosti (OSOPORB-99) (Basic sanitary regulations on radiation safety (OSOPORB-99)).

4. Metodika opredeleniya fonov indikatornykh istochnikov na vyemochnykh polyakh shakhty Rossii. Utverzhdeno 28.05.1997 g. zam. predsedatelya Gosgortekhnadzora Rossii.

5. Metodika otsenki radiatsionnoy obstanovki na ugol'nykh shakhtakh i razrez,akh RD 8-016-91 (Radiation assessment procedure for open pit and underground coal mines, RD 8-016-91), 1992.

6. Federal'nyy Zakon «Ogosudarstvennom regulirovanii v oblasti dobychi i ispol'zovaniya uglya, ob osobennostyakh sotsial'noy politiki rabotnikov organizatsiy ugol'noy promyshlen-nosti» ot 20.06.1996 (Federal Law on the Governmental Regulation of Coal Mining and Utilization and on Features of Social Policy as Regards Coal Mining Industry Personnel from 20.06.1996).

7. Metodika opredeleniya fonov indikatornykh gazov na vyemochnykh polyakh shakht Rossii. Utverzhdeno 29.05.1997 g. Pervym Zamestitelem topliva i energetiki (Procedure to determine background effect of indicating sources in mine fields in Russia. Approved 29.05.1997).

8. Prikaz Rostekhnadzora ot 11.12.2013 № 599 «Ob utverzhdenii Federal'nykh norm i pravil v oblasti» promyshlennoy bezopasnosti «Pravil bezopasnosti pri vedenii gornykh rabot i pererabotka tverdykhpoleznykh iskopaemykh». Zaregistrirovano v Minyuste Rossii 02.07.214 № 32935 (Approval of the Federal Standards and Regulations on Industrial Safety, and Mineral Mining and Processing Safety Regulations, Decree of the Federal Service for Ecological, Technological and Nuclear Supervision of Russia, no. 599 as of December 2013. RF Ministry of Justice registration no. 32935 as of July 2, 2014).

9. Metodicheskie ukazaniya po obespecheniyu trebovaniy radiatsionnoy bezopasnosti pri dobyche ipererabotke mineral'nogo syr'ya na predpriyatiyakh (organizatsiyakh) gornorudnoy i nerudnoy promyshlennosti otnesennykh k radiatsionno opasnym proizvodstvam. RD 03-15197 (Guidelines on radiation safety in mineral mining and processing at radiation-hazardous metal and non-metal industry production units. RD 03-151-97).

10. Ioniziruyushchie izlucheniya i ikh izmereniya. Terminy i opredeleniya. GOST15484 81 (Ionization radiation and measurements. Terms and definitions. State Standart 15484 81), Moscow, Standarty, 1981.

11. GSN. Edinitsy fizicheskikh velichin. GOST 8417-81 (ST SEV 1052-78) (State Standard 841781 (ST SEV 1052-78). GSI. Units of physical quantities), Moscow, Standarty, 1982.