本發(fā)明屬于巖石動力學與鈾礦輻射安全防護領域，具體涉及循環(huán)爆破荷載作用下類鈾礦巖累積損傷確定及氡析出連續(xù)測量方法。

背景技術：

目前世界范圍內，鈾礦開采的主要方法有兩類：溶浸采鈾和常規(guī)采鈾。其中溶浸采鈾方法運用較多，又可細分為原地浸出采鈾(地浸)、原地爆破浸出采鈾和地表堆浸提鈾三大技術。原地爆破浸出采鈾技術中鈾礦巷道爆破掘進過程中，首先在爆破近區(qū)，炸藥爆炸作用對巖石造成直接沖擊破壞，導致巷道圍巖損傷；其次在爆破中遠區(qū)，隨著巷道的掘進，周期性爆破振動對圍巖產生的累積損傷作用，導致爆破初期產生的微裂紋擴展(內部孔隙增大)，進而必然影響鈾礦巖氡析出率，造成氡及子體濃度超標。

對鈾礦巖而言，氡輻射防護格外重要?，F(xiàn)階段，礦井實施機械通風是降低鈾礦開采中產生的氡及氡子體濃度的主要措施。但在設計鈾礦山通風排氡系統(tǒng)時，首先要考慮的就是射氣介質析出到礦井環(huán)境中的氡量，而射氣介質中氡的析出量又受介質內氡運移的影響。大量研究表明，氡在射氣介質中運移行為是一個與溫度、壓力、含水率、孔隙度、滲透性等內外因素相關的時效過程，且國內外學者已經(jīng)對上述氡運移影響因素進行詳細分析，而在循環(huán)爆破荷載作用下鈾礦巖累積損傷特征及氡析出機理(內部孔隙變化、貫通)的研究尚屬空白。

因此，有必要設計循環(huán)爆破荷載作用下類鈾礦巖累積損傷確定及氡析出連續(xù)測量方法，獲取實驗數(shù)據(jù)，得出循環(huán)爆破荷載作用下鈾礦巖累積損傷特征與連續(xù)氡析出率變化之間的關系，為鈾礦井下開采氡輻射防治提供理論依據(jù)。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明特提出一種簡便可行的循環(huán)爆破荷載作用下類鈾礦巖累積損傷確定及氡析出連續(xù)測量方法，通過1)制備類鈾礦巖樣：因鈾礦原巖輻射較大且取樣困難，不利于開展有關室內實驗。為了解決上述問題，依據(jù)相似理論，設計正交實驗，獲取最優(yōu)質量配合比，從而制備類鈾礦巖樣進行后續(xù)實驗。2)tc-4850爆破測振儀：獲取爆破過程中關鍵點的振速、頻率等參數(shù)，為后續(xù)實驗爆破參數(shù)優(yōu)化研究提供依據(jù)；3)zbl-u5系列非金屬超聲波檢測儀：獲取循環(huán)爆破荷載作用前后類鈾礦巖樣縱波波速，進而換算成累積損傷程度；4)rad7測氡儀：獲取循環(huán)爆破載荷作用下累積氡濃度數(shù)據(jù)，進一步處理得到氡析出率連續(xù)變化。綜合形成該循環(huán)爆破荷載作用下類鈾礦巖累積損傷確定及氡析出連續(xù)測量方法。

本發(fā)明的技術方案是：首先依據(jù)相似理論，制備類鈾礦巖樣；其次利用爆破測振儀，獲取試樣爆破過程中關鍵點的振速、頻率等參數(shù)，確定最佳炸藥量；再次利用非金屬超聲波檢測儀，獲取循環(huán)爆破荷載作用前后類鈾礦巖樣的縱波波速，通過公式換算分析循環(huán)爆破荷載作用下類鈾礦巖樣累積損傷特征；然后利用測氡儀連續(xù)測量因循環(huán)爆破荷載作用導致的累積氡濃度變化，并對數(shù)據(jù)進行處理，獲取循環(huán)爆破荷載作用下類鈾礦巖樣氡析出率；最終將所得的數(shù)據(jù)進行綜合分析，研究類鈾礦巖累積損傷特征與氡析出率連續(xù)變化之間的相關關系，揭示循環(huán)爆破荷載作用下類鈾礦巖累積損傷特征及氡析出機理，為鈾礦山安全防護提供參考。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：該方法分為三個階段，包括：1)制備類鈾礦巖樣；2)實施爆破工藝，測量振速、頻率、波速等參數(shù)；3)爆破后氡析出連續(xù)測量試驗；

一、類鈾礦巖樣的制備，包括如下步驟：

a、因鈾礦巖的特殊性(其不易大量獲取且有放射性污染)，因此無法滿足大批量實驗所具備的要求，因此可依據(jù)相似原理，進而制備相似材料。采用制備類花崗巖所選取的相似材料及配比，綜合考慮各種原材料的功能作用，同時考慮到巖樣的可操作性，綜合比對確定巖樣試塊的尺寸，制備類花崗巖型鈾礦巖樣。(擬選取鈾尾砂、石英砂、水泥、精鐵粉、微硅粉、蒸餾水及部分外加劑)；

b、依據(jù)a中相關要求，確定類鈾礦巖樣的最佳尺寸：長×寬×厚＝250mm×250mm×200mm，同時制作鋼制爆破容器，采用厚度為10mm的201鋼板制作鋼制爆破容器，尺寸為長×寬×高＝350mm×350mm×250mm(內徑)，爆破容器的上表面采用螺栓與爆破容器進行吻合固定，中間設置密封材料以保證氣密性；

二、實施爆破工藝，測量振速、頻率、波速等參數(shù)，包括如下步驟：

a、制備滿足上述要求的類鈾礦巖樣，對巖樣進行物理、力學及放射性性能測試，獲取巖樣的密度、鐳含量、孔隙度、放射性強度、抗壓強度等參數(shù)。其次實施爆破工藝前，依據(jù)薩道夫斯基經(jīng)驗公式確定安全炸藥量(為了模擬循環(huán)爆破荷載作用，同時避免巖樣完全損壞，炸藥量應盡可能少)：

公式(1)中：v^*為關鍵點振動速度，cm·s^-1；k為爆破地震波的衰減系數(shù)；q為裝藥量，kg；r為測點到藥包中心的距離，m；α為爆破地震波的衰減指數(shù)。其中依據(jù)爆破安全規(guī)程(gb6722-2014)，獲取k、α值，最終計算出安全炸藥量。

為了進一步優(yōu)化炸藥用量，將制備的類鈾礦巖樣放置于自制的鋼制爆破容器內部，在巖樣上表面中心處沿厚度方向鉆取炮孔(h＝120mm)，在中心鉆孔內放置上述規(guī)定炸藥用量及雷管，炮泥封孔，利用起爆器實施爆破，在類鈾礦巖上表面四周中點處黏貼tc-4850爆破測振儀的傳感器，并通過數(shù)據(jù)線與其連接，獲取爆破過程中關鍵點振速、頻率，為后續(xù)炸藥量的優(yōu)化選取提供參考；

利用類鈾礦巖樣爆破過程參數(shù)獲取裝置，獲得爆破過程中關鍵點振速、頻率參數(shù)。裝置結構為：類鈾礦巖樣3置于爆破容器2內，類鈾礦巖樣3上表面中心處放置炸藥和雷管5，類鈾礦巖樣3側面黏貼傳感器ⅰ6，傳感器ⅰ6通過數(shù)據(jù)線8連接爆破測振儀1，炸藥和雷管5通過爆破母線連接起爆器7；爆破容器2頂部通過螺栓4將密封蓋與爆破容器2固定連接。

b、利用循環(huán)爆破荷載下類鈾礦巖樣累積損傷程度確定裝置，研究循環(huán)爆破荷載作用下類鈾礦巖累積損傷演化規(guī)律；

實施單次爆破工藝前后，利用非金屬超聲波檢測儀測量爆破前后巖體縱波波速，進而換算為巖樣的損傷值；此外在巖樣完全損壞之前，實施多次爆破工藝(同等炸藥量)以滿足循環(huán)爆破荷載的條件，最終研究循環(huán)爆破荷載作用下類鈾礦巖累積損傷演化規(guī)律。

隨著爆破損傷模型的不斷完善與發(fā)展，許多學者也通過各種方法建立了評價損傷的損傷變量，如密度變化法，彈性模量變化法，超聲波速變化法，ct數(shù)變化法和割線模量法等。按彈性模量的變化定義損傷因子，e，e^*分別為介質爆破前后的彈性模量，根據(jù)彈性力學理論，有：

公式(2)中：μ為泊松比；

假定爆破前后介質的密度近似相等，爆破前后的泊松比也近似相等，則可得：

公式(3)中：sn—累積損傷程度；v0—爆破前試塊的聲波速度，m·s^-1；vn—第n次爆破后試塊的聲波速度，m·s^-1；

循環(huán)爆破荷載下類鈾礦巖樣累積損傷程度確定裝置結構為：在類鈾礦巖3側面關鍵點位置黏貼傳感器ⅱ9，傳感器ⅱ9通過數(shù)據(jù)線8連接超聲波檢測儀10；

備注：上述關鍵點后續(xù)依據(jù)實例詳細說明。關鍵點的選取原則為符合測量要求且便于傳感器的布置。

三、爆破后氡析出連續(xù)測量試驗，包括如下步驟：

a、目前國內外現(xiàn)有的氡析出率測量方法中仍存在部分問題，主要有濕度效應及泄漏和反擴散等影響因素。為了有效避免其測量誤差，本發(fā)明采用密閉腔體法(裸露單面/雙面)，將上述爆破容器2作為氡收集器，同時考慮到類鈾礦巖樣3上表面為爆破易損壞區(qū)域(會有部分損壞，表面積增大導致氡析出量失真)，為了分析類鈾礦巖樣內部損傷的貫穿過程，即單次爆破后利用鋁箔紙包裹類鈾礦巖樣的相關面，即裸露四周面的單面或者對稱的雙面，利用測氡儀33測量其爆破后氡析出量，收集數(shù)據(jù)；

本發(fā)明利用循環(huán)爆破荷載下類鈾礦巖樣氡析出測量裝置進行爆破后氡析出連續(xù)測量試驗。該裝置結構為：出氣管32穿過爆破容器2頂部的蓋，連通到干燥管34上端的進氣口，干燥管34內裝有干燥劑35，從干燥管下端的出氣口出來的氣管通過過濾篩36連通到測氡儀33的進氣口，測氡儀的出氣口出來的氣管與爆破容器2頂部的出氣管32連通，利用鋁箔紙11包裹相關面，對裸露面進行氡析出量測量，分析其爆破后氡析出量，收集數(shù)據(jù)；

b、單次爆破后，直至類鈾礦巖樣完全損壞(內部損傷貫穿至四周表面)，以模擬循環(huán)爆破荷載作用，連接測氡儀的進氣管、出氣管，從而獲得多組氡析出量數(shù)據(jù)，研究循環(huán)爆破荷載作用下類鈾礦巖氡析出率連續(xù)變化規(guī)律；

c、測氡儀是一種便攜式，可連續(xù)取樣測量的儀器。該儀器采用靜電采集原理，通過內置泵將干燥后的無子體微粒的氡氣氣流抽入一個0.7l的半球形腔體內之后，氡氣衰變產生的子體在靜電場中被收集在半導體探測器表面，rad7就是通過測量這些子體產生的α而得出氡濃度，在sniff模式下，其測氡的靈敏度為0.2cpm/(37bq·m^-3)。在測量時，rad7測量周期選擇5min一個點，測量200個點進行氡濃度線性擬合；

根據(jù)fick第一定理和長方體氡析出穩(wěn)態(tài)模型假設，長方體中氡濃度變化應滿足下面的方程：

其中：

公式(4)中：c(x)為試樣中氡濃度分布，bq·m^-3；c0為密閉氡收集器內起始氡濃度，bq·m^-3；ρ試樣為密度，kg·m^-3；λ為氡有效衰變常數(shù)，s^-1；cra為鐳含量，bq·kg^-1；se為射氣系數(shù)；η為試樣孔隙度；d為試樣氡的擴散系數(shù)cm²·s^-1；h為試樣的高度，cm；x為自變量；e為常數(shù)；

而對于裸露雙面情況，氡的分布較裸露單面不一致，因此表達式也會有所不同，具體公式如下：

根據(jù)氡的擴散運移規(guī)律，通過使用rad7測氡儀密閉測量獲得氡析出累積濃度的數(shù)據(jù)的測量值并擬合得出測量值的析出率k。通過試樣單面和雙面得出表面氡析出率的理論表達式為：

試樣單面：

試樣雙面：

公式(5)(6)中：e0為固有析出率，bq·m^-2·s^-1；只與本身的特性有關。將公式(5)和公式(6)進行對比，簡化后可以得到氡擴散長度的計算公式：

公式(8)中：l為氡的擴散長度，cm；h為圓柱體試樣高度，cm。

擴散長度得出后，后根據(jù)公式(9)得到最終的氡的擴散系數(shù)；

d、因(循環(huán))爆破荷載作用必定對巖體內部孔隙結構造成損傷，導致相關物理參數(shù)發(fā)生變化，實施單次爆破工藝后，需重新測量相關參數(shù)。其中氡有效衰變常數(shù)λ為常量，鐳含量cra與射氣系數(shù)se均為固定量(只需通過相關理論公式測定一次)，氡的擴散系數(shù)d可在單次爆破后通過公式(8)和公式(9)獲取，孔隙度η可通過吸水法測量，密度ρ隨即也發(fā)生改變。即首先將試樣放入恒溫干燥箱內，溫度調節(jié)至110℃，對試樣進行干燥直至其質量不變，記質量為mdry；然后將試樣放置于水中，浸泡24h后取出稱量，記質量為mwet。

孔隙度η、密度ρ的計算公式分別為：

公式(10)中：v為試樣的體積，m³；ρw為室溫下水的密度，kg·m^-3。

最終將單次爆破后獲取的氡的擴散系數(shù)d、密度ρ、氡有效衰變常數(shù)λ、鐳含量cra、射氣系數(shù)se、孔隙度η、高度h回代入公式(7)，最后得到修正后的連續(xù)固有析出率；

備注：單次爆破后重新測量損傷后巖樣的氡的擴散系數(shù)d、密度ρ、孔隙度η等，直接得到爆破荷載作用后的固有析出率。重復試驗，獲取固有氡析出率連續(xù)變化。

以zbl-u5系列非金屬超聲波檢測儀所獲取的巖樣累積損傷程度和rad7測氡儀所獲取數(shù)據(jù)處理得到的固有氡析出率連續(xù)變化規(guī)律等數(shù)據(jù)為依據(jù)，綜合分析循環(huán)爆破荷載作用下類鈾礦巖累積損傷程度確定及其氡析出率連續(xù)變化規(guī)律。

有益效果及優(yōu)點是：本發(fā)明依據(jù)相似理論制備類鈾礦巖樣；利用炸藥模擬循環(huán)爆破荷載作用；爆破過程中利用tc-4850爆破測振儀獲取相關點的振速、頻率等參數(shù)，既為進一步研究累積損傷提供依據(jù)，也為后續(xù)炸藥量的優(yōu)化選取提供參考；采用zbl-u5系列非金屬超聲波檢測儀獲取其累積損傷程度，其次采用rad7測氡儀獲取多組氡析出量數(shù)據(jù)，并對其進行數(shù)據(jù)處理，獲取固有析出率連續(xù)變化規(guī)律。經(jīng)過綜合分析循環(huán)爆破荷載作用下類鈾礦巖累積損傷程度確定及其氡析出率連續(xù)變化規(guī)律。該試驗裝置制作簡單，試驗數(shù)據(jù)詳實可靠，成本低廉且可重復使用。利用該方法既彌補了循環(huán)爆破荷載作用下類鈾礦巖累積損傷特征及氡析出機理研究的空缺，同時又可為鈾礦山井下氡輻射防護提供參考和依據(jù)。進一步推動巖石動力學與鈾礦輻射安全防護領域的發(fā)展。本方法彌補了循環(huán)爆破荷載作用下類鈾礦巖累積損傷特征及氡析出機理研究的空缺，同時又可為鈾礦山井下氡輻射防護提供參考和依據(jù)。

附圖說明

圖1為本測量方法流程圖；

圖2為循環(huán)爆破荷載作用下類鈾礦巖樣氡析出測量裝置示意圖；

圖3為類鈾礦巖樣爆破過程參數(shù)獲取裝置；

圖4為循環(huán)爆破荷載作用下類鈾礦巖樣累積損傷程度確定裝置。

具體實施方式

循環(huán)爆破荷載作用下類鈾礦巖累積損傷確定及氡析出連續(xù)測量方法，下面具體以一個實例結合附圖對本發(fā)明作進一步的說明：

(1)依據(jù)目前申請者所在的團隊已掌握的類鈾礦巖相似材料制備技術，實施正交試驗，制作多組試塊，養(yǎng)護完成后，進行相關物理、力學參數(shù)測定，獲取巖樣的密度、鐳含量、孔隙度、放射性強度、抗壓強度等參數(shù)。確保與鈾礦巖樣相類似，進而獲取類鈾礦巖樣相似材料的最佳配比。

(2)類鈾礦巖樣尺寸為長×寬×厚＝250mm×250mm×200mm，同時在巖樣上表面中心處沿厚度方向鉆取炮孔(h＝120mm)，在中心鉆孔內放置定量炸藥及雷管，炮泥封孔，利用起爆器實施爆破。其次實施爆破工藝前，在滿足循環(huán)爆破荷載條件的前提下依據(jù)薩道夫斯基經(jīng)驗公式確定安全炸藥量。具體可在上表面四周中點處黏貼tc-4850爆破測振儀的傳感器，同時為了避免邊界效應，采用細砂充填四周，并通過數(shù)據(jù)線與其連接，獲取爆破過程中相關點的振速、頻率等爆破參數(shù)，既為進一步研究累積損傷提供依據(jù)，也為后續(xù)爆破參數(shù)的優(yōu)化選取提供參考。公式如下：

式中：v^*為質點振動速度，cm·s^-1；k為爆破地震波的衰減系數(shù)；q為裝藥量，kg；r為測點到藥包中心的距離，m；α為爆破地震波的衰減指數(shù)。

(3)采用厚度為10mm的201鋼板制作鋼制爆破容器，尺寸為長×寬×高＝350mm×350mm×250mm(內徑)，自制爆破容器，將所制備的巖樣放置在自制的爆破容器中間位置，同時在巖樣上表面中心處沿厚度方向鉆取炮孔(h＝120mm)，在中心鉆孔內放置定量炸藥及雷管，炮泥封孔，利用起爆器實施爆破工藝。

在單次爆破前后，分別獲取損傷巖樣的鐳含量、射氣系數(shù)、孔隙度、氡的擴散系數(shù)、密度，在關鍵點位置(關鍵點的選取以四周中心位置為基準線，依次間隔5cm進行布置)，使用zbl-u5系列非金屬超聲波檢測儀測量巖樣初始波速及單次爆破后巖體波速，換算為單次爆破損傷程度。公式如下：

式中：sn—累積損傷程度；v0—爆破前試塊的聲波速度，m·s^-1；vn—第n次爆破后試塊的聲波速度，m·s^-1。

(4)為了有效避免其測量誤差，擬采用密閉腔體法(裸露單面/雙面)，故將上述自制爆破容器作為氡收集器，同時考慮到上表面為爆破易損面(會有部分損壞，表面積增大導致氡析出量失真)，為了分析內部損傷的貫穿過程，即單次爆破后利用鋁箔紙包裹相關面，裸露四周的單面或者對稱的雙面，進而利用rad7測氡儀測量其爆破后氡析出量，收集數(shù)據(jù)。單次測量過程中，rad7測量周期選擇5min一個點，測量200個點進行氡濃度線性擬合；

(5)在沒有完全損壞試塊的前提下(內部損傷貫穿至四周表面)，多次爆破模擬循環(huán)爆破荷載作用，重復步驟(3)、步驟(4)測得多次爆破損傷后的連續(xù)固有氡析出率，對數(shù)據(jù)進行處理修正，得到修正后的連續(xù)固有析出率。公式如下：

式中e0為單次爆破后連續(xù)固有氡析出率，bq·m^-2·s^-1；λ為氡有效衰變常數(shù)，s^-1；cra為鐳含量，bq·kg^-1；se為射氣系數(shù)；d為試樣氡的擴散系數(shù)，cm²·s^-1；mdry為試樣進行干燥處理直至其不發(fā)生改變的質量，kg；mwet為試樣放置于水中，浸泡24h后的質量，kg；v為試樣的體積，m³；ρw為室溫下水的密度，kg·m^-3。

以zbl-u5系列非金屬超聲波檢測儀所獲取的巖樣累積損傷程度和rad7測氡儀所獲取的連續(xù)氡析出率等數(shù)據(jù)為依據(jù)，綜合分析循環(huán)爆破荷載下類鈾礦巖累積損傷程度確定及氡析出率連續(xù)變化規(guī)律。