不同覆蓋材料抑制廢石堆氡析出試驗(yàn)研究

崔宇，郭錦濤，王文博

（核工業(yè)二〇八大隊(duì)，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

鈾礦地質(zhì)勘查加速推動(dòng)了我國(guó)核工業(yè)的發(fā)展，但在取得顯著成果的同時(shí)，潛在的氡輻射也對(duì)周圍環(huán)境和居民人身安全造成了傷害。氡是世界第二大致肺癌因素［1-3］，控制多孔介質(zhì)的氡析出是鈾礦地質(zhì)勘查遺留設(shè)施治理的重點(diǎn)工作。在鈾礦地質(zhì)勘查遺留設(shè)施治理工作中，廢石堆的治理不僅實(shí)施難度高而且任務(wù)量大。目前覆蓋是治理廢石堆最常用的方法［4-6］，可以有效抑制多孔介質(zhì)中氡析出率和γ輻射劑量率［7-8］，同時(shí)治理成本較低。覆蓋治理面臨的最主要的問(wèn)題之一是覆蓋材料的選取，不同的覆蓋材料對(duì)抑制氡析出的能力存在明顯差異，因地制宜的開展不同覆蓋材料抑制氡析出的研究是實(shí)現(xiàn)覆蓋治理的關(guān)鍵問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)覆蓋治理進(jìn)行了相關(guān)的研究和應(yīng)用，并且取得了豐富的成果。徐樂(lè)昌等人［9］針對(duì)不同的覆蓋材料進(jìn)行了大量覆蓋試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明黏性黃土是抑制氡析出效果最明顯的天然材料，水泥高嶺土漿是抑制氡析出效果最明顯的人工材料。胡良才等人［10］根據(jù)某鈾尾礦的覆土治理試驗(yàn)研究確定了覆蓋材料，并提出了多層覆蓋系統(tǒng)設(shè)計(jì)。Bollh?fer等人［11］通過(guò)對(duì)在北澳大利亞某地區(qū)兩種基質(zhì)（廢石、摻有30%紅土材料的廢石）為期5年氡析出通量的測(cè)量，結(jié)果表明混合基質(zhì)的廢石堆更容易產(chǎn)生季節(jié)性變化，有利于廢石堆退役治理。但是，目前關(guān)于鈾礦地質(zhì)勘查遺留設(shè)施中廢石堆覆蓋材料方面的研究還沒有見諸報(bào)道。鑒于此，本文以某廢石堆為研究對(duì)象，通過(guò)進(jìn)行大量覆蓋試驗(yàn)開展了不同覆蓋材料抑制廢石堆氡析出試驗(yàn)研究，明確不同覆蓋物抑制氡析出的效果，并最終確定該廢石堆合理的覆蓋材料，其研究結(jié)果可為類似退役治理工程提供參考。

1 覆蓋試驗(yàn)及氡試驗(yàn)測(cè)量

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地

試驗(yàn)場(chǎng)地確定為某退役鈾礦廢石堆，試驗(yàn)覆蓋區(qū)域地勢(shì)平坦，高差一般不超過(guò)50 m，屬于高原丘陵地區(qū)。該地區(qū)土壤以砂質(zhì)亞黏土為主，氣候較為干旱，水文條件簡(jiǎn)單，夏季干燥雨量少，冬季寒冷風(fēng)沙多。由于降雨和風(fēng)沙天氣對(duì)氡析出過(guò)程存在影響，試驗(yàn)結(jié)果不穩(wěn)定，因此選取夏季開展本試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)方案

在選取的覆蓋試驗(yàn)區(qū)域中劃分4 塊試驗(yàn)場(chǎng)地，每塊試驗(yàn)場(chǎng)地大小為10 m×10 m。清除試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)的雜物和結(jié)構(gòu)物，并對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行平整，使同一區(qū)域高差小于20 cm，坡度小于5°。在每塊場(chǎng)地的4 個(gè)邊角和中心區(qū)域設(shè)定5 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，首先測(cè)量5 個(gè)測(cè)點(diǎn)的氡析出率平均值作為該試驗(yàn)區(qū)域的本底值。每塊試驗(yàn)場(chǎng)地上按照20 cm 的覆蓋厚度逐層進(jìn)行覆蓋，逐層進(jìn)行測(cè)量，累計(jì)覆蓋厚度達(dá)100 cm 試驗(yàn)結(jié)束。

1.3 覆蓋材料選取與準(zhǔn)備

本次試驗(yàn)選取了砂質(zhì)亞黏土、砂石和礫石作為主要覆蓋材料。砂質(zhì)亞黏土為該礦床主要土壤類型，土源地充足。砂石是地表巖石經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間風(fēng)化等作用，形成了不同大小的破碎顆粒。礫石主要源于開采中的礦體圍巖。在覆蓋試驗(yàn)前，對(duì)砂石和礫石做簡(jiǎn)單的人工處理。由于當(dāng)?shù)厣笆瘍?chǔ)量相對(duì)較少，所以試驗(yàn)設(shè)定以下4 種覆蓋材料進(jìn)行覆蓋試驗(yàn)：1）砂質(zhì)亞黏土覆蓋物；2）礫石覆蓋物；3）砂質(zhì)亞黏土與礫石按照2：1 混合的覆蓋物；4）砂質(zhì)亞黏土與砂石按照2：1 混合的覆蓋物（表1）。

1.4 氡析出試驗(yàn)測(cè)量

試驗(yàn)所用儀器為FD-216 環(huán)境氡測(cè)量?jī)x，儀器處于檢定的有效期內(nèi)，各項(xiàng)性能達(dá)標(biāo)。測(cè)量方法和原理符合《表面氡析出率測(cè)定積累法》（EJ/T 979—1995）和《環(huán)境空氣中氡的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法》（GB/T 14582—93）。試驗(yàn)過(guò)程中將FD-216 環(huán)境氡測(cè)量?jī)x與配套集氡罩組合（圖1）。

圖1 氡析出率測(cè)量裝置Fig.1 Working scenario of a radon exhalation rate measuring device

當(dāng)試驗(yàn)區(qū)域完成每層覆蓋后，由于受到氡擴(kuò)散速度的影響，需靜置一定時(shí)間確保由廢石導(dǎo)致的表面氡析出率變化傳遞到覆蓋層表面，故本試驗(yàn)在每次覆蓋完畢后靜置24 小時(shí)，并選擇固定時(shí)間對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。具體試驗(yàn)步驟如下：1）布置測(cè)點(diǎn)。將提前設(shè)定的監(jiān)測(cè)點(diǎn)表面清理出直徑不少于30 cm 的平面，將集氡罩平壓在地面上，確保集氡罩周邊壓實(shí)封閉，查看測(cè)量裝置密閉性，確保測(cè)試過(guò)程中無(wú)泄漏；2）設(shè)置參數(shù)。進(jìn)行參數(shù)設(shè)置：充氣時(shí)間5 分鐘，測(cè)量時(shí)間15 分鐘，排氣時(shí)間5 分鐘；3）設(shè)置密封時(shí)間并測(cè)量。連接好試驗(yàn)設(shè)備形成密閉循環(huán)，按下“氡析出率”鍵，設(shè)定密閉時(shí)間為40 分鐘，確認(rèn)后等待數(shù)據(jù)結(jié)果。

表1 砂質(zhì)亞黏土材料屬性Table 1 Sandy sub clay material properties

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

為了直觀對(duì)比不同覆蓋材料抑制氡析出的能力，本文引用降低系數(shù)A描述降低氡析出的效果［12］：

式中：J0為初始狀態(tài)下試驗(yàn)區(qū)域表面氡析出率，Bq/（m2·s）；Jc為覆蓋試驗(yàn)后試驗(yàn)區(qū)域表面氡析出率，Bq/（m2·s）。

為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的科學(xué)性和降低系數(shù)的計(jì)算，試驗(yàn)前調(diào)查了未擾動(dòng)時(shí)試驗(yàn)場(chǎng)地的平均氡析出率，測(cè)試結(jié)果為2.078 Bq/（m2·s）。并對(duì)選取的4 塊試驗(yàn)區(qū)域本底氡析出率進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如下：砂質(zhì)亞黏土覆蓋區(qū)域本底氡析出率為2.23 Bq/（m2·s），礫石覆蓋區(qū)域本底氡析出率為2.20 Bq/（m2·s），砂質(zhì)亞黏土加礫石覆蓋區(qū)域本底氡析出率為2.25 Bq/（m2·s），砂質(zhì)亞黏土加砂覆蓋區(qū)域本底氡析出率為2.18 Bq/（m2·s）。

2.1 砂質(zhì)亞黏土覆蓋試驗(yàn)結(jié)果分析

覆蓋試驗(yàn)后的表面氡析出率隨砂質(zhì)亞黏土覆蓋厚度的增大呈非線性趨勢(shì)減?。▓D2）。由圖2 可見，以覆蓋厚度40 cm 為臨界，減小趨勢(shì)先快后慢。當(dāng)覆蓋厚度超過(guò)68 cm 時(shí)，試驗(yàn)區(qū)域表面氡析出率低于0.74 Bq/（m2·s），滿足治理要求。通過(guò)公式（1）可得，當(dāng)砂質(zhì)亞黏土覆蓋厚度達(dá)到100 cm 時(shí)，降低系數(shù)為3.98。由于孔隙率隨著覆蓋厚度的增大而變小，降低了氡在擴(kuò)散作用下的遷移能力。同時(shí)隨著覆土厚度的增大，氡在多孔介質(zhì)中遷移距離變長(zhǎng)，這兩點(diǎn)原因使氡析出率隨著覆蓋厚度的增加逐漸減?。?3］。覆蓋厚度在40 cm 前抑制氡析出的能力明顯優(yōu)于之后的覆蓋效果，趨勢(shì)明顯。該結(jié)論對(duì)工程治理的經(jīng)濟(jì)合理性有一定指導(dǎo)意義。

圖2 氡析出率隨砂質(zhì)亞黏土覆蓋厚度變化趨勢(shì)Fig.2 Variation trend of radon exhalation rate with the sandy subclay cover thickness

2.2 礫石覆蓋試驗(yàn)結(jié)果分析

氡析出率隨著礫石覆蓋厚度的增大逐漸減小，在覆蓋厚度達(dá)40 cm 前幾乎呈線性趨勢(shì)減小。當(dāng)覆蓋厚度超過(guò)85 cm 時(shí)，試驗(yàn)區(qū)域表面氡析出率低于0.74 Bq/（m2·s），滿足治理要求。通過(guò)公式（1）可得，礫石覆蓋厚度達(dá)到100 cm 時(shí)，降低系數(shù)為3.19（圖3）。由圖3 可見，覆蓋厚度從40～80 cm 變化時(shí)，試驗(yàn)區(qū)域表面氡析出率出現(xiàn)了先慢后快的變化趨勢(shì)，這個(gè)反?，F(xiàn)象與測(cè)量覆蓋厚度60 cm 時(shí)當(dāng)天的天氣情況有關(guān)，測(cè)試當(dāng)天為陰天，空氣大氣壓相對(duì)較低，從而氡析出率較大［14］。

2.3 砂質(zhì)亞黏土加礫石覆蓋試驗(yàn)結(jié)果分析

部分鈾礦廢石堆退役治理中可能存在土源地不充足的情況，所以我們選擇將砂質(zhì)亞黏土和礫石按照2：1 進(jìn)行混合作為覆蓋物進(jìn)行試驗(yàn)（圖4）。由圖4 可知，氡析出率隨著砂質(zhì)亞黏土和礫石混合物覆蓋厚度的增大呈非線性減小。當(dāng)覆蓋厚度超過(guò)82.8 cm 時(shí)，試驗(yàn)區(qū)域表面氡析出率低于0.74 Bq/（m2·s），滿足治理要求。通過(guò)公式（1）可得，砂質(zhì)亞黏土和礫石混合物覆蓋厚度達(dá)到100 cm 時(shí)，降低系數(shù)為3.63。

圖3 氡析出率隨礫石覆蓋厚度變化趨勢(shì)Fig.3 Variation trend of radon exhalation rate with the gravel cover thickness

圖4 氡析出率隨砂質(zhì)亞黏土加礫石混合物覆蓋厚度變化趨勢(shì)Fig.4 Variation trend of radon exhalation rate with the mixture cover thickness of sandy subclay and gravel

2.4 砂質(zhì)亞黏土加砂覆蓋試驗(yàn)結(jié)果分析

氡析出率隨著砂質(zhì)亞黏土加砂混合物覆蓋厚度的增大呈非線性減?。▓D5）。由圖5可知，當(dāng)覆蓋厚度超過(guò)87.2 cm 時(shí)，試驗(yàn)區(qū)域表面氡析出率低于0.74 Bq/（m2·s），滿足治理要求。通過(guò)公式（1）可得，砂質(zhì)亞黏土和砂混合物覆蓋厚度達(dá)到100 cm 時(shí)，降低系數(shù)為3.30。不同覆蓋物對(duì)氡析出率抑制效果明顯不同，從降低系數(shù)可以得出：砂質(zhì)亞黏土＞砂質(zhì)亞黏土+礫石（2：1）＞砂質(zhì)亞黏土+砂（2：1）＞礫石（圖6）。孔隙率是氡在多孔介質(zhì)中運(yùn)移的重要參數(shù)之一［15］，不同覆蓋材料在相同條件下孔隙率存在差異。覆蓋材料孔隙度越小抑制氡析出率效果越好。

圖5 氡析出率隨砂質(zhì)亞黏土加砂混合物覆蓋厚度變化趨勢(shì)Fig.5 Variation trend of radon exhalation rate with mixture cover thickness of sandy subclay and sand

圖6 降低系數(shù)與覆蓋厚度的關(guān)系曲線Fig.6 Relation curve between reduction coefficient and cover thickness

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某鈾礦廢石堆覆蓋材料抑制氡析出的試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：

1）通過(guò)對(duì)比降低系數(shù)得出砂質(zhì)亞黏土的覆蓋效果最佳，砂質(zhì)亞黏土+礫石（2：1）次之，砂質(zhì)亞黏土+砂（2：1）位列第3，最后是礫石；

2）根據(jù)抑制氡析出效果來(lái)看，砂質(zhì)亞黏土和砂質(zhì)亞黏土+礫石（2：1）混合物都是覆蓋效果明顯的覆蓋材料，具體選擇應(yīng)根據(jù)退役治理礦山當(dāng)?shù)赝猎吹貨Q定；

3）在該試驗(yàn)區(qū)域砂質(zhì)亞黏土覆蓋厚度超過(guò)68 cm 時(shí)，符合廢石場(chǎng)環(huán)境整治標(biāo)準(zhǔn)。砂質(zhì)亞黏土+礫石（2：1）混合物覆蓋厚度超過(guò)82.8 cm 時(shí)，符合廢石場(chǎng)環(huán)境整治標(biāo)準(zhǔn)。