柴達(dá)木盆地北緣某煤礦放射性地質(zhì)環(huán)境研究及評價

孫玉琦， 李永紅*， 張樂中， 梁振新， 王偉超， 馬小海， 李 瀟

(1.青海煤炭地質(zhì)局，西寧 810001； 2.中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，西安 710054；3.青海煤炭地質(zhì)一○五勘探隊,西寧 810007)

0 引言

含煤地層的放射性研究起始于20世紀(jì)50年代初，在1955年和1958年日內(nèi)瓦召開的第一屆、第二屆和平利用原子能會議上報告了眾多的煤和其他有機(jī)質(zhì)巖石賦存鈾的研究成果。我國煤田系統(tǒng)在20世紀(jì)60年代也開展了煤中鈾的普查，在西北侏羅紀(jì)煤田、云南古近紀(jì)—新近紀(jì)煤田也都發(fā)現(xiàn)富含鈾的煤[1]，如果這種煤用來發(fā)電，煤渣、粉煤灰、煤矸石被用來做建筑材料，其中的放射性核素將發(fā)生遷移或富集，對人類身體健康產(chǎn)生影響。煤炭燃燒后，輻射性物質(zhì)將更加富集[2]，影響更大，因此查明煤中放射性物質(zhì)非常重要，綜合利用時應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控。近年來許多專家學(xué)者在工程施工區(qū)、礦區(qū)對天然核素放射性水平進(jìn)行了調(diào)查和評價[3-9]，多個省份針對用煤量大的電廠開展了放射性評估，并提出合理處置建議[10-17]。

柴達(dá)木盆地北緣某煤礦區(qū)在煤炭勘查過程中發(fā)現(xiàn)多個鉆孔存在測井放射性異常，異常主要顯現(xiàn)在含煤巖系中侏羅統(tǒng)大煤溝組與石門溝組粉砂巖、煤層及夾矸等巖層中[18]。該礦區(qū)目前正處于生產(chǎn)中，在開采過程中，含放射性異常的煤炭與煤矸石一并被開采出。本文以煤礦區(qū)及周邊為研究對象，通過現(xiàn)場γ輻射劑量率與環(huán)境氡濃度進(jìn)行測量，結(jié)合采樣測試掌握煤及煤矸石、土壤、水的放射性核素含量水平，分析研究煤炭開采對礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境及煤炭利用對環(huán)境的影響，為礦區(qū)生產(chǎn)及煤炭利用活動提供參考。

1 地質(zhì)背景及研究方法

1.1 地質(zhì)背景

礦區(qū)地形北高南低，北部由古元古界侵入巖形成剝蝕高山地貌，中部為沖溝丘陵，南部為地勢平緩的戈壁灘。區(qū)內(nèi)大部被第四系沉積物覆蓋，含煤地層為中侏羅統(tǒng)石門溝組和大煤溝組，巖性主要為灰白、灰黑色泥巖、粉砂巖、砂巖、礫巖及煤層，基底為奧陶系或泥盆系灰綠色片麻巖、紫紅色凝灰?guī)r等。含煤地層上覆古近系、新近系，巖性主要為淺紅色砂巖、泥巖。第四系巖性主要為沖積、洪積砂、礫石，坡積的角礫石、風(fēng)成沙土等。

礦區(qū)南翼發(fā)育被斷層切割的小型向背斜構(gòu)造。含煤地層走向北西—南東，北東翼地層傾角35°左右，南西翼地層傾角45°左右。石門溝組厚12.45～401.66m，平均148.98m，自上而下含煤5層(M1～M5)，可采3層(M2、M4、M5)，煤層總厚度平均63.52m，有益厚度平均27.76m，可采煤層含夾矸0～7層，夾矸巖性以深灰色泥巖為主。大煤溝組厚30.81～182.25m，平均69.53m，含可采煤層1層(M7)，煤層總厚度平均53.23m，有益厚度平均48.80m，含夾矸0～13層，夾矸巖性為深灰色粉砂巖、泥巖，夾矸厚度變化較大。煤層最大埋深750m。礦區(qū)為露天開采，現(xiàn)開采最大深度至+2 960m水平標(biāo)高，垂深達(dá)170m。

1.2 研究方法

1.2.1 伽馬輻射劑量率測量

伽馬輻射劑量率測量在礦區(qū)及外圍測量按照1km×1km的網(wǎng)度開展，采坑與渣山加密測量，面積約220km2。測量所用儀器為HD-2005χ-γ劑量率儀，量程范圍：(1～100 000)×10-8Gy/h；固有誤差：≤10%，工作前通過廠家標(biāo)定，工作中每日在固定點(diǎn)進(jìn)行儀器長期穩(wěn)定性測量，變化值小于5%。根據(jù)測量規(guī)程，測量時距地1m，每個測點(diǎn)采集10個數(shù)據(jù)，取平均值作為測值。

1.2.2 環(huán)境氡濃度測量

空氣氡濃度測量：儀器設(shè)備為上海申核電子儀器有限公司的FD-216環(huán)境氡測量儀。測量依據(jù)為《氡及其子體測量規(guī)范》(EJ/T605—91)。測量方法選擇礦區(qū)內(nèi)伽馬輻射劑量率測點(diǎn)高值區(qū)(>16×10-8Gy/h)進(jìn)行空氣氡濃度測量，空氣氡濃度的測量主要集中在礦區(qū)內(nèi)部，包括各煤礦的采坑及渣堆。

水中氡濃度測量：所用儀器為FD216環(huán)境氡測量儀，在采坑積水、測區(qū)內(nèi)積水坑進(jìn)行水中氡濃度測量，測量依據(jù)為《氡及其子體測量規(guī)范》(EJ/T605—91)。

1.2.3 采樣與測試分析

本次研究工作中現(xiàn)場樣品采集或原位測量主要是在露天礦采坑、渣堆、礦區(qū)周邊中進(jìn)行的(圖1)，分析礦區(qū)及周邊伽馬輻射劑量率區(qū)域分布特征，礦區(qū)空氣氡、水氡的含量，煤層及矸石放射性核素含量水平(表1)。

表1 研究區(qū)樣品采集及測量Table 1 Study area sampling and testing data

測試分析樣品主要在現(xiàn)場采集煤、巖石放射性核素鐳、釷、鉀樣品,每個樣品重約500g,保存于布袋中,送回實(shí)驗室測定分析，測試煤、巖石中238U、226Ra、232Th、40K的含量，本次測試由核工業(yè)203研究所完成測試，測試方法及儀器見表2。

表2 樣品測試方法及儀器Table 2 Sample test methods and instruments

2 數(shù)據(jù)處理

一般而言，放射性環(huán)境的影響評價采用各核素的比活度數(shù)據(jù)進(jìn)行，本次工作測試了放射性核素的含量，需要轉(zhuǎn)換為比活度單位。

2.1 天然放射性元素含量與放射性核素比活度轉(zhuǎn)換

由于238U、226Ra、232Th和40K系列核素是地表介質(zhì)中的主要γ輻射體，因此根據(jù)放射性核素的衰變積累規(guī)律，可以運(yùn)用地表介質(zhì)中鉀、鐳、鈾、釷的含量推算出地表介質(zhì)的放射性水平參數(shù)值。表3列出了巖石或土壤中天然放射性元素含量與放射性核素比活度轉(zhuǎn)換系數(shù)，將鈾、鐳、釷、鉀含量乘以相應(yīng)轉(zhuǎn)化系數(shù)即可得到元素比活度[18]。

a.伽馬輻射劑量率測點(diǎn)分布； b.野外測量及采樣分布圖1 野外測量及采樣分布Figure 1 Field surveying and sampling points distribution

表3 巖石或土壤中天然放射性元素含量與放射性核素比活度轉(zhuǎn)換系數(shù)Table 3 Natural radioactive element contents in rock or soil and radionuclide specific activity conversion coefficients

2.2 伽馬輻射劑量率、比活度本底值的確定

2.2.1 伽馬輻射劑量率本底值的確定

調(diào)查區(qū)東北部為花崗巖等基巖山體，為本區(qū)鈾源區(qū)，放射性整體偏高，因此本區(qū)伽馬輻射劑量率基底值的確定需去除掉東北部的測點(diǎn)數(shù)據(jù)，同時開采區(qū)為受采坑影響區(qū)域，該部分?jǐn)?shù)據(jù)不作為本底值計算的數(shù)據(jù)源。綜上，選擇西南部古近系、新近系及第四系中105個點(diǎn)的測值平均值作為該區(qū)伽馬輻射劑量率基底值，最終確定基底值為13.6×10-8Gy/h，根據(jù)《煤炭資源開采天然放射性核素限量》(DB65/T 3471—2013)[19]，確定礦區(qū)開采區(qū)高于18.6×10-8Gy/h的值為限制開采類，低于18.6×10-8Gy/h為豁免監(jiān)管類。

2.2.2 放射性核素比活度本底值的確定

本區(qū)地表土壤放射性核素比活度平均值作為本區(qū)放射性核素本底值，238U、232Th、226Ra放射性核素比活度本底值分別為32.84Bq/kg、30.30 Bq/kg、35.5 Bq/kg，根據(jù)(DB65/T 3471—2013)《煤炭資源開采天然放射性核素限量》，本區(qū)放射性核素比活度在238U>132.8 Bq/kg、232Th>130.3 Bq/kg、226Ra>135.5 Bq/kg范圍時為限制使用類。

3 含煤巖系放射性特征及評價

通過對采坑邊幫煤層出露完整的位置進(jìn)行伽馬輻射劑量率剖面測量，剖面控制含煤地層石門溝組與大煤溝組，含7層煤層，并對煤、巖石樣品進(jìn)行采集，在室內(nèi)分析完成巖土中放射性核素放射性比活度測定。通過測定和相應(yīng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析了解煤系巖石中放射性核素U、Ra、Th、K的含量水平和分布特征，并評價對環(huán)境的影響。

3.1 伽馬輻射劑量率特征

剖面上共測試伽馬輻射劑量率點(diǎn)22個，最低14.5×10-8Gy/h，最高22.6×10-8Gy/h，平均18.6×10-8Gy/h。測量結(jié)果顯示：煤層圍巖的輻射性整體高于煤層，根據(jù)巖性放射性特征來看，泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、 細(xì)砂巖與中砂巖較高， 均超過20×10-8Gy/h，煤層最低，粗砂巖、含礫粗砂巖次之。測試分析結(jié)果也顯示：煤層的各核素放射性比活度低于周邊圍巖。剖面測值高于18.6×10-8Gy/h的有12個，全部為煤層頂?shù)装迳澳鄮r，煤層的伽馬輻射劑量率皆小于18.6×0-8Gy/h。

圖2 含煤地層各巖性伽馬輻射劑量率特征Figure 2 Petrological gamma radiation dose rate featuresof coal measure strata

3.2 放射性核素比活度特征

通過測試，煤層中U的放射性比活度在10～40.39Bq/kg，平均21.91Bq/kg，Th的放射性比活度在10.27～51.75Bq/kg，平均23.12Bq/kg，K的放射性比活度在3.17～161.67Bq/kg，平均40.42Bq/kg，Ra的放射性比活度在3.44～77.14Bq/kg，平均32.05Bq/kg；圍巖中U的放射性比活度在48.96～104.04Bq/kg，平均67.96 Bq/kg，Th的放射性比活度在57.46～110.03Bq/kg，平均82.92Bq/kg，K的放射性比活度在488.18～817.86 Bq/kg，平均618.48Bq/kg，Ra的放射性比活度在30.05～138.20Bq/kg，平均78.50Bq/kg。從測試分析成果顯示煤層的放射性比活度同樣小于圍巖的，也證明了伽馬輻射劑量率測量的準(zhǔn)確性。

3.3 含煤地層放射性評價

評價按照測試分析結(jié)果為準(zhǔn)，結(jié)果表明只有M2煤層頂板巖層為限制使用類，M2煤頂板粉砂質(zhì)泥巖中226Ra的比活度為138Bq/kg，超過135.5Bq/kg，但小于3700Bq/kg，屬于限制使用類，其余地層中各放射性核素比活度都屬豁免監(jiān)制類。

煤層圍巖被開采后，以矸石的形式堆放，所以按照《建筑材料放射性核素限量(GB6566—2010)》[20]評價，評價按以下兩個指標(biāo)進(jìn)行：

(1)

(2)

式中：CRa為鐳的放射性比活度，Bq/kg；CTh為釷的放射性比活度，Bq/kg；CK為鉀40的放射性比活度，Bq/kg。

結(jié)果顯示所有樣品IRa<1、Ir<1，故可作為建筑物任意材料，對周圍放射性處于安全范圍內(nèi)。所以，礦區(qū)煤層開采的放射性處于豁免監(jiān)制類，巖層中僅有M2煤層頂板巖層處于限制使用類，但其可作為矸石堆放，對周邊環(huán)境無明顯影響。

從含煤巖系放射性特征分析，該煤礦的開采對周邊放射性環(huán)境無明顯影響。

4 礦區(qū)周邊放射性特征

4.1 伽馬輻射率特征

礦區(qū)周邊伽馬輻射劑量率測值最小8.94×10-8Gy/h，最大25.7×10-8Gy/h，平均15.99×10-8Gy/h。礦區(qū)周邊屬于未揭露基巖地域，故按照《環(huán)境地表γ輻射劑量率測定規(guī)范(GB14583—1993)》[21]評價(表4)。

表4 含鈾煤礦地表γ輻射劑量率分區(qū)Table 4 Uranium-bearing coalmine surface gamma radiation dose rate zoning

區(qū)內(nèi)環(huán)境γ輻射照射對居民產(chǎn)生的有效劑量當(dāng)量可用下式進(jìn)行估算：

He=DγKt

(3)

式中：He為有效劑量當(dāng)量，Sv；Dγ為環(huán)境地表γ輻射空氣吸收劑量率，Gy/h；K為有效劑量當(dāng)量率與空氣吸收劑量率比值，采用0.7Sv/Gy；t為環(huán)境中停留時間，h。

根據(jù)公式(3)計算可知本區(qū)伽馬輻射劑量率一年的有效劑量當(dāng)量最高為0.47mSv(23.4×10-8×0.7×360×8)；結(jié)果顯示，礦區(qū)外圍伽馬輻射劑量率屬于偏高區(qū)，根據(jù)輻射防護(hù)規(guī)定，本區(qū)屬于輻射安全區(qū)(公眾人員的年有效劑量當(dāng)量不超過1mSv)。

4.2 空氣氡濃度

空氣氡濃度最低值為5.8Bq/m3，最高值為36.4Bq/m3，平均值15.72Bq/m3，遠(yuǎn)低于空氣氡濃度的輕度危險區(qū)200Bq/m3，屬于安全區(qū)范圍。

4.3 土壤放射性

在礦區(qū)周邊采集土壤樣品，測試其放射性核素的比活度，本次采集土壤樣品25個，根據(jù)《擬開放場址土壤中剩余放射性可接受水平規(guī)定(暫行)(HJ53—2000)》[22]進(jìn)行評估，按公式(4)判別是否達(dá)到可接受水平：

(4)

式中：Ci為放射性核素i在土壤中的污染濃度，Bq/kg；Cil為放射性核素i在土壤中的可接受水平，Bq/kg；n為土壤中存在的污染核素數(shù)目。

根據(jù)規(guī)范可知U放射性比活度可接受水平為1 050Bq/kg，Th的放射性比活度可接受水平為630Bq/kg，所以按照公式(5)計算：

(5)

如果以上等式成立，即土壤放射性為可接受。

計算結(jié)果顯示26個土壤樣品的放射性都在可接受范圍內(nèi)(圖4)。煤礦開采對周邊放射性環(huán)境影響不大。

圖4 土壤中放射性性可接受水平值Figure 4 Radioactivity acceptable level values in soil

4.4 水體放射性評價

本次工作測量水中氡濃度4處，為采坑內(nèi)的兩個積水處以及兩個降塵采水坑，平均值為7.89Bq/L，最高值為15.83Bq/L，采坑中測值都很低，不具異常；而兩個降塵采水坑測值偏高，具異常(>11)，降塵采水坑距離較近，在結(jié)綠素采坑南部500m左右，周邊為第三系(古近系、新近系)砂礫巖層，推測其異常成因與該處為北部蝕源區(qū)水文排泄區(qū)，放射性物質(zhì)較為富集有關(guān)，測試化驗分析結(jié)果見表5。

表5 礦區(qū)水樣放射性分析結(jié)果Table 5 Mine area water sample radioactivity analyzed results

根據(jù)測試數(shù)據(jù)分析，兩個降塵采水坑的U含量明顯高于礦坑積水的U含量，這是水中氡濃度兩者差距的影響因素，也說明礦區(qū)南部為放射性U的水文上的排泄區(qū)。據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GBT14848—93》[23]，南部兩個采水坑中受到水中總α與總β影響，北部兩個采水坑中，因Ni的含量較高，水質(zhì)屬于較差—極差類，不可用作農(nóng)業(yè)灌溉與飲用水，僅可選擇性使用。根據(jù)《廢水排放標(biāo)準(zhǔn)GB8978—1996》[24]，總α<1Bq/L，總β<10 Bq/L，即為可排放，故礦區(qū)水體皆未超出可接受范圍。

5 煤灰放射性特征及評價

煤樣在1 000℃溫度下焚燒后形成煤灰，對其放射性核素比活度進(jìn)行測試，煤灰中U的放射性比活度最大846Bq/kg，最小84Bq/kg，平均250Bq/kg；Th的放射性比活度最大428Bq/kg，最小117Bq/kg，平均250Bq/kg；K的放射性比活度最大373Bq/kg，最小56Bq/kg，平均162Bq/kg；Ra的放射性比活度最大742Bq/kg，最小81Bq/kg，平均258Bq/kg。相較原煤，煤灰中各放射性核素比活度明顯高于煤中各放射性核素比活度(圖5)，這應(yīng)該與煤的煤質(zhì)及放射性核素本身的特性相關(guān)。

圖5 煤與煤灰中放射性核素比活度散點(diǎn)圖Figure 5 Scatter diagram of radionuclide specific activitiesin coal and coal ash

通過各放射性核素煤灰與煤中放射性核素比活度增加倍數(shù)的擬合，發(fā)現(xiàn)通過燃燒，煤灰中的U、Th、K三個放射性核素增加的倍數(shù)相關(guān)性非常高，可以達(dá)到98%以上，Ra的離散性較以上三種核素較大(圖6)，但仍具有一定的相關(guān)性，這說明煤在燃燒后煤灰中的放射性核素比活度幾乎以相同的倍數(shù)增加。

根據(jù)《擬開放場址土壤中剩余放射性可接受水平規(guī)定(暫行)(HJ53—2000)》，對煤灰的放射性進(jìn)行分析(圖7)，發(fā)現(xiàn)M2煤層的煤灰放射性值分別是1.01與1.28，大于1，超出可接受范圍，雖然M2煤層厚度薄，非主要可采煤層，仍建議對煤的使用進(jìn)行跟蹤調(diào)查，妥善處理。

6 結(jié)論

1)研究區(qū)含煤地層中煤層的放射性整體偏低，相反煤層頂?shù)装?圍巖)放射性要偏高，M2煤層頂板巖層為限制使用類，但作為建作物材料堆放是處于安全范圍內(nèi)。

2)研究區(qū)伽馬輻射劑量率、空氣氡濃度、水中氡濃度、土壤放射性均在輻射安全范圍內(nèi)，煤礦開采對周邊放射性地質(zhì)環(huán)境影響不大。

圖6 煤灰中各放射性核素富集因子相關(guān)性擬合圖Figure 6 Correlativity fitting diagram of radionuclide enrichment factors in coal ash

圖7 煤層煤灰放射性值Figure 7 Coal seams coal ash radioactivity value

3)煤灰放射性核素比活度較煤中顯著增加，其中U、Th、K三個放射性核素比活度增加的倍數(shù)相關(guān)性非常高，可以達(dá)到98%以上，Ra的離散性較以上三種核素較大。

4)M2煤層的煤灰樣品中放射性超出可接受范圍，雖M2煤層厚度薄，為非主要可采煤層，處理利用時仍需要編制具有針對性的方案，并付諸實(shí)施，同時建議追蹤調(diào)查煤使用區(qū)的放射性地質(zhì)環(huán)境。