覆土對(duì)渣堆氡析出率與伽瑪輻射的影響試驗(yàn)

周芙蓉，楊壽南，黃星宇，王建軍

覆土對(duì)渣堆氡析出率與伽瑪輻射的影響試驗(yàn)

周芙蓉，楊壽南，黃星宇，王建軍

（四川省核工業(yè)輻射測(cè)試防護(hù)院，成都 610066）

牦牛坪稀土礦的開發(fā)，對(duì)礦區(qū)及周圍地區(qū)存在放射性污染問題。試驗(yàn)以牦牛坪的一個(gè)渣堆為研究對(duì)象，選擇當(dāng)?shù)匾兹〉膩喩巴吝M(jìn)行覆蓋試驗(yàn)，研究不同覆蓋厚度與氡析出率和γ輻射劑量率之間的關(guān)系，推薦最佳覆蓋厚度。結(jié)果表明:覆土能降低渣堆的氡析出率和γ輻射劑量率，且厚度越大，氡析出率的降低系數(shù)越大。經(jīng)綜合分析，最終推薦最佳覆蓋厚度為50 cm。

稀土礦渣堆；氡析出率；覆蓋厚度；牦牛坪

自上世紀(jì)80年代以來，隨著牦牛坪稀土礦的大量開發(fā)，與稀土礦共生的放射性核素被大量帶出和廢棄，造成了較嚴(yán)重的放射性污染，同時(shí)也使礦山周圍本來十分突出的地質(zhì)災(zāi)害增加［1-2］。目前，稀土礦山開發(fā)已逐漸成為涼山州環(huán)境影響面廣、污染面源嚴(yán)重、地質(zhì)災(zāi)害隱患很大、同時(shí)放射性污染并存的一個(gè)地區(qū)，其礦山地質(zhì)環(huán)境問題也逐步凸顯，甚至干擾和影響了當(dāng)?shù)鼐用裾５纳詈蜕a(chǎn)活動(dòng)。如何防治減少礦山放射性污染及地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，對(duì)礦山的可持續(xù)發(fā)展有著非常重要的意義，同時(shí)可以為緩解礦山開采引發(fā)的當(dāng)?shù)孛癖娒茏鞒鲐暙I(xiàn)，對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)穩(wěn)定工作起到積極作用。

1　項(xiàng)目實(shí)施背景

牦牛坪年采掘稀土原礦101.5萬噸，產(chǎn)稀土精礦3.8萬噸，產(chǎn)量占全國輕稀土礦的24.07%。2006年稀土產(chǎn)量達(dá)4.92萬噸（稀土精礦），實(shí)現(xiàn)工業(yè)增加值2.6億元，稅收6 300萬元，占全縣財(cái)政總收入的三分之一。稀土產(chǎn)業(yè)成為縣工業(yè)經(jīng)濟(jì)的重要支柱。

但是由于稀土礦山的早期開發(fā)缺乏總體規(guī)劃，稀土礦開采星羅棋布，稀土加工企業(yè)不成規(guī)模、各自為陣，沒有一個(gè)明確的發(fā)展方向和目標(biāo)，長期以來均處于“小、散、亂、差”的狀況。加之資金投入的不足，技術(shù)力量落后，原礦利用率低造成礦產(chǎn)資源浪費(fèi)較大。更為嚴(yán)重的是，在礦山開發(fā)過程中，大量的剝采開挖以及棄渣隨意傾倒、堆放，已在礦區(qū)形成了大量高陡邊坡。尾礦廢渣、廢石堆積如山，局部已出現(xiàn)邊坡變形甚至滑坡現(xiàn)象，還有大量棄渣和尾礦堆積堵塞在瓦維埃河和南河上游等地區(qū)，環(huán)境破壞和地質(zhì)災(zāi)害隱患問題越來越突出。此外，該礦區(qū)稀土礦與鈾、釷礦化共生，稀土礦的開發(fā)也使得與其伴生的放射性核素被大量帶出。目前，牦牛坪采礦場堆礦場地及廢（礦）石堆的鈾、釷比活度較高，一般在200～1 000Bq/kg，最高1 701.7Bq/kg。γ輻射吸收劑量一般在（18～50）×10-8Gy/h，最高可達(dá)75.2× 10-8Gy/h，大都超過當(dāng)?shù)乇镜姿剑?］。部分尾渣在雨水的沖蝕下流入河體，使河水水質(zhì)受到輕微放射性污染。

圖1　礦區(qū)地形地貌圖

圖2　覆蓋試驗(yàn)用土源

2　研究方案

2.1研究場地選取

試驗(yàn)地的選取應(yīng)具有一定的代表性，不僅考慮了當(dāng)?shù)氐暮０?、地形、氣候、交通狀況和土源的獲取等自然環(huán)境條件，還充分考慮了當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)條件和社會(huì)影響等因素。試驗(yàn)通過對(duì)礦區(qū)的7個(gè)渣堆進(jìn)行γ輻射劑量率及氡析出率水平調(diào)查測(cè)定，最終選出二者水平最高的6號(hào)渣堆進(jìn)行覆蓋試驗(yàn)。

圖4　現(xiàn)場監(jiān)測(cè)圖

2.2場地現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)

課題組于2013年3月開始進(jìn)行牦牛坪稀土礦區(qū)的氡析出率和γ輻射劑量率監(jiān)測(cè)，主要選取7個(gè)渣堆進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每個(gè)渣堆選5個(gè)固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，選定6號(hào)渣堆進(jìn)行氡析出率和γ輻射劑量率的長期監(jiān)測(cè)（3月～10月），同時(shí)測(cè)定渣堆的含水率、空氣濕度、空氣壓力等氣象條件。然后根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果確定在近似年平均值時(shí)間的4月～6月進(jìn)行覆蓋試驗(yàn)。2014年4 ～6月進(jìn)行覆蓋試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)覆土厚度100cm、80cm、60cm、50cm、40cm、30cm、20cm和0cm的氡析出率和γ輻射劑量率，同時(shí)測(cè)定各個(gè)覆蓋厚度下土壤的含水率、空氣濕度、空氣壓力等氣象條件。試驗(yàn)儀器設(shè)備見表1。

2.3研究實(shí)施方案

試驗(yàn)以當(dāng)?shù)匾兹〉暮倭康[石的亞砂土為覆蓋材料，測(cè)定其干容重、含水率、γ輻射劑量率和氡析出率，且使覆蓋層密實(shí)度達(dá)到90%［4］。亞砂土含少量礫石，干容重1.53 g/cm3，含水率為17.4%，γ輻射劑量率為21.3×10-8Gy/h，氡析出率為0.320 Bq/m2s。具體試驗(yàn)方法如下：

1） 覆蓋試驗(yàn)前，先測(cè)量覆蓋厚度為0cm時(shí)試驗(yàn)地的氡析出率、γ輻射劑量率以及相應(yīng)的氣象參數(shù)，選擇固定的5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)點(diǎn)讀2次數(shù)。

2） 一次性覆蓋到100cm厚，測(cè)量試驗(yàn)地的氡析出率、γ輻射劑量率、覆蓋層的含水率以及相應(yīng)的氣象參數(shù)，選擇已有的5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)點(diǎn)讀2次數(shù)，共測(cè)量2次，平均約每7天測(cè)量1次。

3） 將覆蓋層削減80cm后，測(cè)量試驗(yàn)地的氡析出率、γ輻射劑量率、覆蓋層的含水率以及相應(yīng)的氣象參數(shù)，選擇已有的5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)點(diǎn)讀2次數(shù)，共測(cè)量2次，平均約每7天測(cè)量1次。

4） 按上述 （3） 的方法，依次分別測(cè)量60cm、50cm、40cm、30cm和20cm覆蓋厚度下的氡析出率、γ輻射劑量率、覆蓋層的含水率以及相應(yīng)的氣象參數(shù)，選擇已有的5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)點(diǎn)讀2次數(shù)，共測(cè)量2次，平均約每7天測(cè)量1次。

表1　主要儀器設(shè)備

3　結(jié)果與討論

氡析出率測(cè)定受氣象影響較大，在工程實(shí)踐中，公認(rèn)比較合理方法是：各廢石堆的氡析出率的測(cè)定，最好能選擇一代表性的地段進(jìn)行一年的監(jiān)測(cè)，并求出平均值，在其它地段氡析出率的測(cè)定，應(yīng)選擇在近似年平均值的時(shí)間進(jìn)行。因此，有必要對(duì)氡析出率年變化規(guī)律進(jìn)行探討，以利于對(duì)覆蓋厚度的合理計(jì)算與優(yōu)化研究［5］。

通過對(duì)礦山區(qū)域的7個(gè)渣堆的γ輻射劑量率及氡析出率水平調(diào)查測(cè)定，最終選定具有6號(hào)渣堆作為研究對(duì)象。2013年3～10月，課題組在6號(hào)渣堆選擇的5個(gè)固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行全年氡析出率和γ輻射劑量率的監(jiān)測(cè)，同時(shí)測(cè)定了渣堆的含水率、空氣濕度、空氣壓力等氣象條件，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表3。從表2和圖5可以看出，氡析出率受多種氣象因素的作用，且受氣象影響較大，而4月至6月間渣堆的氡析出率接近年均值，因此覆蓋試驗(yàn)選在2014年～6月間進(jìn)行。

由于在雨天對(duì)氡析出率的測(cè)量影響較大，所以在有雨的天氣不對(duì)覆蓋層的氡析出率進(jìn)行測(cè)量。在監(jiān)測(cè)各覆蓋層的氡析出率和γ輻射劑量率的同時(shí)，記錄相應(yīng)的氣象參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，氡析出率隨著覆土厚度的增加而減?。ū?），且覆土厚度越大，氡析出率的降低系數(shù)越大，說明抑制氡析出率的效果越好。但當(dāng)覆土厚度達(dá)到50cm后，覆土厚度的增加對(duì)氡析出率的相對(duì)降低系數(shù)減小。

按照雙區(qū)擴(kuò)散理論Xc∝ln（Jt/Jc），經(jīng)線性擬合可以得到覆土關(guān)系式為：Xc=160.8ln（Jt/Jc）-6.67。

從圖6可以看出，覆土對(duì)渣堆的貫穿輻射劑量具有一定的屏蔽效應(yīng)，當(dāng)覆土厚度達(dá)到50cm時(shí)基本接近土源的貫穿輻射劑量值。綜合考慮植被生長所需的土層厚度最低限值為20cm，因此推薦最佳覆蓋厚度為50cm。

表2　氡析出率及氣象年變化規(guī)律分析

圖5　試驗(yàn)渣堆氡析出率年變化趨勢(shì)

表3　不同覆蓋厚度與氡析出率的關(guān)系

圖6　覆蓋厚度與γ輻射劑量率的關(guān)系曲線

4　研究結(jié)論

課題以冕寧牦牛坪稀土礦的渣堆為研究對(duì)象，選擇當(dāng)?shù)匾兹〉暮倭康[石的亞砂土進(jìn)行覆蓋試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，渣堆的氡析出率和γ輻射劑量率隨著覆蓋厚度的增加而減小，且渣堆的氡析出率的相對(duì)降低系數(shù)隨著覆蓋厚度的增加不斷減小。當(dāng)覆蓋厚度達(dá)到50cm后，渣堆的γ輻射劑量率基本與土源的本底值相當(dāng)。按照雙區(qū)擴(kuò)散理論Xc∝ln（Jt/Jc），經(jīng)作圖法定出斜率B為160.8，截距A為-6.67，確定覆土厚度與抑制氡析出率的關(guān)系式為：Xc=160.8ln（Jt/Jc）-6.67。綜合分析，最終推薦最佳覆蓋厚度為50cm。

［1］ 沈波，馬東濤.牦牛坪稀土礦礦山地質(zhì)環(huán)境問題及治理［J］. 中國礦業(yè)，2012，21（5）:67～70.

［2］ 劉徽平，胡詠梅，鐘明龍.我國稀土放射性核素研究進(jìn)展［J］. 有色金屬科學(xué)與工程，2013，4（4）: 103～106.

［3］ 鐘貴江.四川省冕寧縣稀土礦區(qū)放射性環(huán)境調(diào)查與評(píng)價(jià)［D］. 成都:成都理工大學(xué)，2011:29～43.

［4］ 周星火，鄧文輝.覆土密度對(duì)降低氡析出率的影響試驗(yàn)研究［J］. 鈾礦冶，2004，23（1）: 41～43.

［5］ 楊龍泉.某退役鈾礦山廢石堆氡所治理技術(shù)研究［D］. 上海: 華東理工大學(xué)，2010: 37～69.

Research on The Effect of Covering Soil Thickness on Radon Exhalation Rate And γ-Radiation of Slag Muck

ZHOU Fu-rong YANG Shou-nan HUANG Xing-yu WANG Jian-jun
（Sichuan Radiation Detection and Protection Institute of Nuclear Industry， Chengdu 610066）

The development of the Maoniuping REE deposit resulted in radioactive pollution. This study searches after the relation of covering soil thickness with and radon exhalation rate/γ-radiation in order to obtain optimum covering soil thickness. The results show that radon exhalation rate and γ-radiation of slag muck are reduced with covering soil thickness with best covering soil thickness of 50 cm.

Maoniuping； slag muck； radon exhalation rate； covering soil thickness

P631.6

A

1006-0995（2015）04-0614-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2015.04.032

2014-10-23

周芙蓉（1986-），女，四川德陽人，博士，主要研究方向環(huán)境污染治理