Problematika větrání uranového dolu Rožná I Ing. Petr Kříž, Ing. Mir Muhammad Násir, Ph.D. DIAMO, státní podnik odštěpný závod GEAM Dolní Rožínka, Dolní Rožínka Abstrakt: V souvislosti s pokračováním těžby uranové rudy na ložisku Rožná dochází k otvírce zásob pod úrovní 22. patra v jižním křídle jámy R7S. Jedním z hlavních předpokladů těžby v oblastech, které v současnosti slouží pouze pro odvádění výdušných větrů, je vyřešení dlouhodobého výhledu vedení větrního proudu pro zajištění těžby z dobývacích bloků, neomezení ražby 23. patra a obnovení 24. patra. Větrání podzemních pracovišť na Dole Rožná I má svá specifika, mezi něž například patří otázka samostatných větrních oddělení. Dobývací metody používané na ložisku neumožňují vytváření SVO dle všeobecně platných definic. 1. Zásady větrání uranového dolu Větrání je bezesporu jednou z nedůležitějších oblastí v průběhu celé životnosti dolu od jeho otvírky až po likvidaci. Dokazuje to rozsah legislativních nařízení a předpisů, která jsou stanovena zákony č. 44/1988 Sb. a č. 61/1988 Sb., v platém znění a především vyhláškou ČBÚ č. 22/1989 Sb., jejíž podstatná část řeší právě zařazování dolu z hlediska výskytu metanu, a tedy z hlediska nebezpečí výbuchu a dále způsob větrání dolu. Uranové doly ve většině případů splňovaly podmínku pro doly neplynující ( koncentrace metanu v žádném ovětrávaném důlním díle nedosahuje 0,1% …) a v případě dolu Rožná I je tomu také tak. Zdánlivě jednodušší podmínky provozu větrání v dole bez přítomností metanu jsou však značně zatížené skutečností, že při těžbě radioaktivního nerostu se do větrního proudu uvolňuje radon, a proto musí být kladen zvláštní důraz na zajištění požadavků radiační ochrany pro organizace provozující hornickou činnost stanovená zákonem č. 18/1997 Sb., v platném znění (atomový zákon) a vyhláškou SÚJB č. 307/2002 Sb., v platném znění o radiační ochraně /7/. Problematika radioaktivity je podrobena dlouhodobému zkoumání od 19. století. Když v roce 1896 spatřil poprvé francouzský vědec Henry Antoine Becquerel temnou skvrnu na fotografické desce, způsobenou podvojným síranem uranylodraselným, nikdo netušil jak velký význam to bude mít pro další vývoj lidské společnosti. Nikdo tehdy nemohl předpokládat, že se uran za několik málo desítek let stane jedním z nejdůležitějších zdrojů energie. Ale za to téměř současně s objevením radioaktivity odborná veřejnost zjistila, že záření emitované radionuklidy má vliv na lidský organismus. Zasloužil se o to opět Becquerel, když si skleněnou trubičku s radiem dal do kapsy u vesty a nosil preparát několik hodin. Tento Becquerelův „experiment“ měl za následek, že mu po několika dnech zčervenala kůže v místě, kde byla kapsa vesty. Skvrna připomínala svými obrysy tvar zmíněné trubičky. Později ho ozářené místo začalo bolet, praskala mu kůže a utvořil se puchýř. Becquerel byl nucen navštívit lékaře, který mu léčil ránu asi dva měsíce /6/. U Becquerela šlo o zevní ozáření radiem, které je důležitým zdrojem fotonů gama. Pro zaměstnance uranových dolů ale zevní ozáření představuje podstatně menší nebezpečí než vnitřní ozáření, kde důležitější roli hrají především radioaktivní prach a radon. Při projektování větrání na hlubinných dolech se bere na zřetel mnoho kritérií, která umělá ventilace musí splnit. Jedná se zejména o obsazení pracoviště horníky, ředění koncentrace zplodin po trhacích pracích, ředění exhalace plynných škodlivin, požadované mikroklima,
ředění zplodin vznětových motorů apod. Při výpočtu množství větrů musí být samozřejmě dodrženy předpisy o maximální a minimální rychlosti důlních větrů. V případě uranových dolů je jedním z hlavních kritérií i přírodní radionuklid radon, jehož koncentrace významně ovlivňuje požadované množství čerstvých větrů pro dobývku. Slovem radon je na uranových dolech zpravidla zkráceně označován izotop 222Rn, jenž je členem uranové rozpadové radioaktivní řady /2/. Vzniká v okamžiku spontánní přeměny některého z atomů radia 226Ra. Při přeměně je emitována náhodným směrem částice alfa s kinetickou energií 5,49 MeV a opačným směrem atom radonu s kinetickou energií 0,1 MeV. Jeho doběh v pevné fázi je jen desítky nanometrů, ve vodě asi 100 nm. Tomuto fyzikálnímu jevu provázejícímu rozpad radonu se říká zpětný odraz. Uplatňuje se při každé radioaktivní přeměně, ale jeho význam je zejména při přeměnách typu alfa; u přeměn atomů uranu, thoria a radia umožňuje uvolnění atomů z krystalické mřížky minerálů a jejich následnou migraci. Díky tomuto jevu se i radon uvolňuje z pevné fáze (zrn) v půdě, ve stavebním nebo jiném materiálu do systému pórů v prostředí, kterými se dále snadno šíří difúzí. Na "zabrzdění" emitovaného radonu v systému pórů, a tím na možnost jeho další migrace má významný vliv vlhkost hornin, tj. tenze vodní páry v systému pórů, s rostoucí vlhkostí únik radonu z materiálu roste. Pro poměr radonu, který z materiálu unikl, a radonu, který v materiálu zůstává, je zaveden tzv. emanační koeficient. Ten je pro většinu materiálů v rozmezí jednotek až desítek procent. Vysoký emanační koeficient je např. u půd způsoben jemnou zrnitostí a vlhkostí půdy a často uložením radia a jeho mateřského prvku uranu na povrchu zrn, takže efekt zpětného odrazu při úniku radonu se může výrazně projevit. Další důležitou vlastností radonu je jeho snadná difúze, rozpustnost ve vodě či krvi, nebo možnost jeho „deemanace“ z vody při zvýšení teploty. 2. Současný stav větrání dobývacího pole dolu Rožná I Důl Rožná I má sací systém větrání, který je zajišťován jedním hlavním ventilátorem typu VCD 31,5 M umístěným na výdušné jámě R6 se sníženým příkonem 0,9 MW. Na hlavní výdušné důlní dílo v úrovni 18. patra navazuje slepá jáma R6S, kam směřují výduchy ze všech dobývek. Čerstvý vzduch do podzemí proudí soustavou vtažných jam R1, R2, R3, B1 a B2. Na posledně jmenovanou jámu, která slouží jako hlavní vtažné důlní dílo navazuje další, pro větrání dolu velmi důležité důlní dílo, slepá jáma R7S. Touto jámou do podzemí proudí cca 110 m3.s-1 čerstvého vzduchu, což představuje celkové množství větrů potřebných pro větrání pracovišť na postupu, tj. překopů, komínů a dobývek v dobývacím poli. Ostatní vtažné jámy z hlediska větrání slouží k ovětrávání provozoven, například čerpacích stanic. V případě výpadku hlavního ventilátoru je větrání dolu zajištěno záložním ventilátorem stejného typu umístěným na jámě VKS 7/0. V neprovozních směnách, kdy se provádějí práce související s údržbou a obnovou některých zařízení a důlních děl, je důl větrán pomocným ventilátorem ZVVZ 2240, případně ventilátory VCD 31,5 M se sníženým výkonem. Důl Rožná I je podle výsledků pravidelných měření H2 a CH4 , která se provádějí jednou za dva roky, zařazen mezi neplynující doly. Dalším specifikem dolu je skutečnost, že z hlediska větrání není rozdělen na samostatná větrní oddělení. Vyplývá to z používané dobývací metody (viz kap. 3).
Schéma centrální části dobývacího prostoru Rožná I
Obr. č. 1 Důlní díla na dole Rožná I jsou větrána průchozím nebo separátním větrním proudem. Ve zvláštních případech se větrání důlních děl zajišťuje i stlačeným vzduchem. Průchozím větrním proudem se větrají hlavní vtažná důlní díla a přístupové cesty k pracovištím. Větrání horizontálních a vertikálních důlních děl se při jejich ražbě zajišťuje separátně. Způsob větrání pro jednotlivá důlní díla se konkretizuje podle místních podmínek (ražený profil, radioaktivita hornin atd.), které jsou určující pro typ, průměr a umístění ventilátorů, luten a tlumičů hluku. Separátní větrání je zajišťováno lutnami a ventilátory s typovými označeními FALAX E-40, FALAX E-50, APZ 2-315, APZ 2-400, APZ 2-500, APZ (3)-630/II, APM 630/2, APK Φ800, APT 1000, SVM-5M a Prochodka 500-2M. Lutnový tah se buduje tak, aby první ventilátor separátně větraného důlního díla byl ovládán z průchozího větrního proudu. Samostatnou kapitolou je větrání důlních děl stlačeným vzduchem. Tento způsob se používá tam, kde technologie ražby nebo provoz zařízení neumožňuje použití průchozího nebo separátního způsobu větrání. Jedná se o: -
ražby některých vertikálních důlních děl, prostor komína nad střeleckým povalem před vstupem pracovníka po provedené trhací práci, neproražené patrové rozrážky za odtěžovacími komíny.
3.
Projektování větrání pracovišť v závislosti na používané dobývací metodě a obsahu „U“ kovu v dobývané rudě
Pro dobývací práce na dole Rožná I jsou schváleny následující dobývací metody: 1. 2. 3. 4.
Výstupkové dobývání s vyztužováním a zakládáním vydobytých prostor Sestupné lávkování na zával pod umělým stropem Dobývání rudních čoček z mezipatrových chodeb Výstupkové dobývání na skládku
V současné době je na dole Rožná I výhradně používána dobývací metoda sestupné lávkování na zával pod umělým stropem. Princip metody spočívá v sestupném dobývání dobývacího bloku horizontálně raženými lávkami pod umělým stropem a v zavalení vydobyté prostory závalem nadložních hornin na předem položený strop. Směrná délka bloku může být až 80 m při délce křídel až 40 m na každou stranu od hlavního blokového komína. Úklonná výška je dána výškou patra a úklonem rudné zóny (žíly). Výška lávky může být max. 3 m a šířka najednou ražené lávky max. 8 m (pásy o šířce 4 m). Po ukončení ražby lávky a provedení průzkumných prací se na srovnanou počvu položí umělý strop a výztuž se sestřelí. Uvedený postup se opakuje do úplného vydobytí dobývacího bloku.
Schéma dobývání a větrání na dobývacím bloku 4P-2197
Obr. č. 2 Při projektování větrání na uranových dolech se musí brát v úvahu jak výše uvedené vlastnosti radonu, tak dobývací metoda. Dobývací metoda sestupné lávkování na zával pod umělým stropem umožňuje, aby výdušné větry byly odváděny do hlavních výdušných důlních děl vydobytými částmi ložiska, tj. stařinami. Má to své výhody i nevýhody. Největší pozitivum spočívá v tom, že se s každým dalším výlomem rozšiřuje cesta k odvádění výdušných větrů, čímž se z velké části eliminuje odpor na výdušné straně větrní sítě. Je to velmi důležitý moment pro větrání dolu, neboť se alespoň zčásti kompenzuje nepříznivý vliv dobývání ve
stále větších hloubkách, které je doprovázeno zvětšujícím se odporem větrní sítě. Nevýhodou této metody ovšem je, že neumožňuje vytváření samostatných větrních oddělení. Dobývané bloky jsou propojené nejen mezi sebou, ale i se stařinami nejvyšších pater (viz obr. 2). Těžko lze stanovit konec samostatných větrních oddělení. V praxi jediným vážným problémem je z tohoto hlediska složitost ochrany při požáru. Propojení dobývek se stařinami několika pater, která jsou navíc z velké části zavalena komplikuje účinný zásah na výdušné straně větrní sítě. Důl Rožná I si toto nebezpečí uvědomuje. V havarijním plánu z téměř 70 havarijních situací je přes 50 případů věnováno právě požární ochraně. Projekt větrání na uranovém dole by měl především vycházet z na první pohled jednoduchého předpokladu, že pokud se zajistí odsávání radonu z důlního díla, který je mnohem těžší než vzduch, budou s největší pravděpodobností splněna i ostatní kritéria důležitá pro výpočet objemového průtoku důlních větrů. Dalším důležitým předpokladem je správné stanovení radonové vydatnosti, která se definuje jako růst koncentrace radonu v čase. Praktické zkušenosti ukazují, že je to velmi složitý úkol. Na Dole Rožná I jsme na třech pracovištích provedli měření koncentrace latentní energie produktů přeměny radonu (dále jen „KLE p. p. Rn“), která je přímo úměrná koncentraci radonu v důlním ovzduší. Na každém z nich po vypnutí hlavního ventilátoru a ventilátorů separátního větrání rostla KLE p. p. Rn jiným tempem. Pokus se uskutečnil takto: Vybrali jsme tři dobývky s odlišnou průměrnou kovnatostí rudy, kde se uran dobýval metodou sestupného lávkování na zával pod umělým stropem. Na dobývce „A“ se obsah uranu v rudě pohybovala okolo 0,50 %, dobývka „B“ měla kovnatost cca 0,25 % a na dobývce „C“ kovnatost činila cca 0,20 %. Za provozu hlavního ventilátoru a ventilátorů separátního větrání byly naměřeny následující hodnoty: Tabulka 1: KLE p. p. Rn před zastavením umělého větrání Dobývka A B C
Kovnatost (%) 0,50 0,25 0,20
KLE p. p. Rn (μJ.m-3) 1,4 1,8 0,2
Poté jsme umělé větrání úplně zastavili a v jedenáctiminutových intervalech – tak dlouho trvá měření KLE p. p. Rn přístroji řady RP 106 – provedli další tři měření s výsledky uvedenými v tabulce 2. Tabulka 2: KLE p. p. Rn po zastavení umělého větrání Dobývka
Kovnatost (%)
A B C
0,50 0,25 0,20
KLE p. p. Rn (μJ.m-3) po zastavení umělého větrání za 11 min za 22 min za 33 min 10,6 33,2 65,8 8,7 16,3 33,8 0,9 8,5 20,6
Naměřené hodnoty jednoznačně dokládají, že ani v rámci jednoho ložiska nemusí být radonová vydatnost všude stejná. Tam, kde je vyšší kovnatost, bude zaznamenán vyšší nárůst koncentrace radonu v čase. Naopak v části ložiska, kde je obsah uranu v rudě nižší, výron radonu za jinak stejných podmínek bude pomalejší. V odborné literatuře se uvádí několik matematických vzorců k výpočtu objemového průtoku čerstvých větrů dle radonové vydatnosti /3, 4/. Avšak pro náročnost stanovení této
veličiny se nezřídka uranové doly uchylují k odborným odhadům množství větrů. Po praktické stránce je tento způsob někdy mnohem platnější. Dlouhodobé pozorování na Dole Rožná I prokázalo, že existuje silný vztah mezi obsahem uranu v rudě a množstvím čerstvých větrů potřebných k odstranění radonu z dobývky. Měření, která jsme na dole prováděli, svědčila o tom, že tam, kde je kovnatost nižší, za jinak stejných podmínek je zapotřebí méně čerstvých větrů k ovětrávání pracoviště; naopak na dobývky s vyšší kovnatostí je nutno přivádět mnohem více čerstvého vzduchu, aby KLE p. p. Rn byla na přijatelné úrovni. Přitom růst objemového průtoku důlních větrů ve vztahu ke kovnatosti není lineární, nýbrž parabolická. Na pracovištích s vyšším obsahem uranu v rudě potřebujeme relativně nižší množství větrů na odvětrání radonu exhalovaného do důlního ovzduší. I mezi kovnatostí a celkovou osobní efektivní dávkou, která vyjadřuje míru ozáření horníků v uranových dolech existuje určitá korelace. V roce 2000 oddělení větrání a likvidací závodu Rožná I sledovalo výsledky osobních dozimetrů a kovnatost uranové rudy na 6 dobývkách. Objemový průtok čerstvých větrů na sledovaných dobývkách se pohyboval v rozmezí 4 až 5 m3.s-1, průměrná vážková prašnost činila 0,5 mg.m-3. Výsledky pozorování, zpracované statisticky jsou vyneseny do grafu, kde vertikální osu tvoří hodnoty osobní efektivní dávky, zaznamenané za jeden měsíc a na horizontální ose je obsah uranu v těžené rudě. Křivka proložená měřenými hodnotami má empirický vzorec: y = 1,45 – 3,40 x + 17,20 x2, kde x je obsah uranu v těžené rudě (%), y je měsíční osobní efektivní dávka (mSv).
6
n a m ě ře n é h o d n o ty
5 4 (mSv)
y - měsíční osobní efektivní dávka
Závislost osobní efektivní dávky na kovnatosti těžené rudy
3 2 1
y = 1 ,4 5 - 3 ,4 0 * x + 1 7 ,2 0 * x * x
0 0
0 ,2
0 ,4
x - o b s a h u ra n u v tě ž e n é ru d ě (% )
Graf č. 1
0 ,6
Množství radonu v ovzduší uranového dolu můžeme částečně eliminovat i jinak než větráním. Jak vyplývá z jeho výše uvedených vlastností, radon se rozpouští v důlních vodách a při zvýšení teploty se uvolňuje do okolí, při snížení teploty naopak zůstává vázaný v hornině (rudě) /2, 5/. Tuto skutečnost si uvědomili těžaři v Kanadě, když začátkem třetího tisíciletí v lokalitě Cigar Lake otevřeli vysokoobsahové ložisko uranu, ležící v hloubce cca 450 m s tím, že rudní těleso bude zmrazeno /1/. Dosáhlo by se tak jednak zvýšení pevnostních charakteristik ložiska a jednak zastavení výronu radonu z důlních vod. Je otázka, na kolik se toto opatření ovlivní koncentraci radonu na pracovištích. Každopádně, volba dobývací metody je důležitým parametrem pro větrání uranového dolu. 4. Změny ve větrní síti dolu po otevření zásob na 23. a 24. patře Do konce roku 2006 bylo hlavním úkolem oddělení větrání a BP zajistit dostatečné ovětrání pracovišť v dobývacím poli mezi 20. a 22. patrem jámy R7S a vzhledem k předpokládanému ukončení těžby v roce 2008 nebylo nutné provádět zásadní změny ve větrání. Situace se podstatně změnila rozhodnutím pokračovat v těžbě uranu na ložisku Rožná pod úrovní 22. patra. Otevření zásob pod úrovní 22. patra bude mít vliv na větrání dolu především až po dokončení horizontálních a vertikálních razicích prací v okamžiku, kdy dojde k propojení těchto důlních děl s 22. patrem. Do té doby nebude vliv na bilanci větrů nijak zásadní, neboť se i před otevřením těchto zásob zajišťovalo větrání 24. patra jakožto ústupové cesty mezi jámami R3 a R7S. Po propojení pracovišť 23. a 24. patra s 22. patrem logicky musí dojít ke změně bilance větrů v rozšířeném dobývacím poli (20. – 24. patro). V tomto případě není vyloučeno ani zvýšení výkonu hlavního ventilátoru, který v současné době je provozován na ekonomicky přijatelnější nižší výkon. Větrání 23. patra je v současné době zajišťováno samostatnými lutnovými tahy s tím, že výduchy jsou odváděny sacím lutnovým tahem na 24. patro mimo obnovenou část jižního křídla, aby nedocházelo k omezování pracovních operací v důsledku trhacích prací při ražbě překopu. 24. patro je větráno průchozím větrním proudem. Větrání případných rozrážek, komor a komínů do okamžiku jejich propojení s 23., resp. 22. patrem bude prováděno separátními lutnovými tahy. Výduchy z těchto důlních děl budou odváděny do jámy R6S. Po propojení důlních děl 23. a 24. patra s výše situovanými horizonty budou výduchy odváděny podobně jako na současných provozovaných patrech přes stařiny. Dobývky budou větrány dovrchně. Vtažné větry budou na pracoviště proudit od jámy R7S z úrovně patra, výduchy odváděny do stařin, resp. komínů a výdušných důlních děl, odtud pak do jámy R6S. Množství čerstvých větrů na jednotlivých patrech bude závislé na počtu pracovišť. 5. Závěr Komplexní řešení problematiky větrání uranového dolu je nutné nejen pro zajištění podmínek stanovených státní báňskou správou (rychlost větrů, teplota atd.), ale také limitů stanovených SÚJB. Při nedostatečném hodnocení dalších souvisejících faktorů (např. obsah „U“ kovu na dobývaném pracovišti), může docházet u pracovníků k narůstání osobních efektivních dávek i bez překračování stanovených limitů jednotlivých pracovišť. Proto je nezbytné již při projektování větrání celého dolu a jednotlivých důlních děl přihlížet na tyto skutečnosti. V případě nesprávného stanovení množství čerstvých větrů může být nárůst osobních efektivních dávek radiačních pracovníků velmi vysoký. Tato skutečnost může dlouhodobě omezovat výrobu dolu, protože je nutné provádět regulaci kvalifikovaných pracovníků mimo důlní pracoviště.
Literatura: 1. Internetové stránky firmy Cameco, 2002 2. Kolektiv autorů: Principy a praxe radiační ochrany SÚJB, Praha, 2000 3. Otáhal, A.: Důlní větrání VŠB, Ostrava, 1992 4. Šiška, F., Otáhal, A., Prokop, P., Sedlatý, V.: Banské vetranie ALFA, Bratislava,1993 5. Vancl, V.: Dozimetrie ionizujícího záření v československém uranovém průmyslu ČSÚP, koncern, Příbram, 1982 6. Korsunskij, M. J. : Atomové jádro SNTL, Praha 1957 7. Doporučení SÚJB o požadavcích radiační ochrany pro organizace provozující hornickou činnost, která může vést k ozáření pracovníků, obyvatel nebo životního prostředí, 2003
