某鈾礦地質(zhì)勘探設(shè)施退役治理覆土試驗(yàn)研究

王文博 張曉文 李錄峰

摘要：鈾礦地質(zhì)勘探設(shè)施退役后，其放射性核素已通過(guò)多種途徑進(jìn)入環(huán)境，存在較大的環(huán)境影響及人身安全隱患，因此對(duì)其進(jìn)行退役治理是勢(shì)在必行。本文以西北地區(qū)某典型的鈾礦地質(zhì)勘探遺留的廢石堆為研究對(duì)象，以砂質(zhì)亞粘土作為覆蓋材料，進(jìn)行了相關(guān)覆土試驗(yàn)。主要研究了覆土厚度與氡析出率和γ輻射劑量率的變化關(guān)系；覆土壓實(shí)度與氡擴(kuò)散系數(shù)的變化關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明：本試驗(yàn)場(chǎng)地作為有限制開(kāi)放場(chǎng)所的最佳覆土厚度為68cm，而作為無(wú)限制開(kāi)放場(chǎng)所的最佳覆蓋厚度不小于110cm；γ輻射劑量率隨著覆土厚度的增大而急劇減小，在覆土厚度達(dá)到45cm時(shí)趨于穩(wěn)定；氡擴(kuò)散系數(shù)隨著壓實(shí)度的增大而減??；覆土厚度與氡析出率的關(guān)系符合。

關(guān)鍵詞：鈾；廢石堆；覆土；氡析出率；氡擴(kuò)散系數(shù)；γ輻射劑量率

The soil cover test for decommissioning treatment of an uranium geological exploration sites

Wang Wen-bo1，2， Zhang Xiao-wen1， Li Lu-feng2

1. School of Resource & Environment and Safety Engineering， University of South China， Hengyang， Hunan， 421001 2. Geological party No.208， CNNC， Baotou， Inner Mongolia， 014010

Abstract：Before the decommissioning of the geological exploration facilities， the radionuclides have entered the environment through many ways. There are great environmental impacts and personal safety dangers， so it is imperative to do decommissioning treatment. In this paper， taking the waste stone pile left over from the geological exploration of a typical uranium deposit in Northwest China as the research object， using the sandy sub-clay for covering material， the related overlying soil test is carried out. In this study， soil covering experiments were performed， which used the sandy sub-clay to cover the waste stone pile of a typical geological exploration of uranium deposit in Northwest China. The effect of thickness of covering soil on the released rate of radon and dose rate ofγ-radiation was investigated. The effect of compaction with covering soil on the radon diffusion coefficient was explored. The result indicated that the optimum covering soil thickness of the test site as restricted open place was 68 cm in the experiments， and that the optimum covering thickness of the test site as an unrestricted open place was not less than 110 cm in the experiments. The results showed that the dose rate ofγ-radiation decreased sharply with the increase of the soil thickness， which was stable when the thickness of covering soil reached 45 cm. The results showed that the radon diffusion coefficient decreased with increasing of compaction degree. The relationship between the thickness of covering soil and radon exhalation rate is as.

Key words： Uranium； Waste rock pile； Soil cover； Radon exhalation rate； Radon diffusion coefficient；γradiation dose rate

1.前言

在軍工鈾礦發(fā)展及技術(shù)利用的過(guò)程中，勘探單位建設(shè)了許多用于科研及其他用途的勘探設(shè)施，這些設(shè)施在滿足了國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求的同時(shí)，也對(duì)環(huán)境造成了一定的影響。目前，鈾礦地質(zhì)勘探設(shè)施退役后，其放射性核素已通過(guò)多途徑進(jìn)入環(huán)境，對(duì)周圍環(huán)境造成一定影響，存在環(huán)境影響隱患和人身安全隱患，因此，鈾礦地質(zhì)勘探設(shè)施進(jìn)行退役治理已勢(shì)在必行[1-3]。其中退役鈾礦中氡析出和γ輻射的防治一直是鈾礦山氡污染治理的重點(diǎn)，而氡擴(kuò)散系數(shù)是氡遷移過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)，研究氡擴(kuò)散系數(shù)是防氡控氡的核心問(wèn)題[4-5]。在經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外多年研究和治理實(shí)踐證明，使用土壤原地覆蓋是抑制鈾礦廢石表面氡析出和屏蔽γ輻射最有效的方法，土壤覆蓋的壓實(shí)度會(huì)直接影響氡在土壤中的氡擴(kuò)散系數(shù)。因此開(kāi)展該地區(qū)鈾礦地質(zhì)勘探設(shè)施的覆土研究是實(shí)現(xiàn)該地區(qū)退役治理的關(guān)鍵問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)外工程技術(shù)人員對(duì)鈾礦退役治理覆土試驗(yàn)進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用和研究，并取得了一定的研究成果。目前，大部分完成了鈾尾礦庫(kù)灘面的退役治理，采用粘土、沙礫和廢石等材料進(jìn)行了覆蓋處理[6]。覆土材料與覆蓋厚度直接關(guān)系到治理效果[7-8]。灘面覆蓋土的含水率也是影響擴(kuò)散系數(shù)及氡析出能力的一個(gè)重要權(quán)重指標(biāo)[9]。氡在多孔介質(zhì)中的運(yùn)移服從Darcy定律，最近進(jìn)行的覆土試驗(yàn)也部分考慮了多因素的影響，包括作用面壓力梯度和溫度波動(dòng)、氡子體的大氣運(yùn)輸、超聲波擾動(dòng)作用、活性炭中瞬時(shí)氡的運(yùn)移及衰減等[10]。但是近年來(lái)國(guó)內(nèi)的覆土試驗(yàn)和研究均沒(méi)有考慮到土壤壓實(shí)度對(duì)氡擴(kuò)散系數(shù)的影響。鑒于此，本文以該地區(qū)某典型的鈾礦地質(zhì)勘探遺留的廢石堆為研究對(duì)象，研究了覆土厚度與氡析出率和γ輻射劑量率的變化關(guān)系，覆土壓實(shí)度與氡擴(kuò)散系數(shù)的變化關(guān)系，并最終確定了該廢石堆的最佳覆土厚度。本次研究為該地區(qū)及相似地區(qū)勘探設(shè)施退役治理工程提供技術(shù)參數(shù)支持。

2.試驗(yàn)方案與結(jié)果

2.1實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地選在某退役鈾礦的廢石堆上進(jìn)行，此廢石堆由20世紀(jì)七八十年代地質(zhì)勘探鈾礦時(shí)從硐探坑里開(kāi)采出來(lái)的鈾廢礦石堆砌而成，是該地區(qū)退役治理勘探設(shè)施的典型代表。覆土實(shí)驗(yàn)工作區(qū)地理位置圖如圖1所示。本次試驗(yàn)的覆蓋治理概念圖如圖2所示。

2.2土源地選取

覆蓋土的性質(zhì)對(duì)覆蓋效果有很大影響，覆蓋土應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)厍闆r選擇孔隙率小、氡擴(kuò)散系數(shù)小、氡滲透性能差、有害元素低的土壤，才能達(dá)到較好封閉效果和便于植被生長(zhǎng)的目的。土源地在選擇時(shí)，土的性質(zhì)既要符合實(shí)驗(yàn)要求，儲(chǔ)量也能夠滿足實(shí)驗(yàn)工作需用量，同時(shí)還應(yīng)具備取土、運(yùn)輸方便和運(yùn)輸距離盡可能短等有利條件，使其性價(jià)比最為合理，本次試驗(yàn)的土源地有害元素分析結(jié)果見(jiàn)表1，輻射監(jiān)測(cè)指標(biāo)結(jié)果見(jiàn)表2。

（據(jù)國(guó)土資源部銀川礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心檢測(cè)報(bào)告）

（據(jù)國(guó)土資源部銀川礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心檢測(cè)報(bào)告）

2.3測(cè)量?jī)x器與方法

γ輻射劑量率依據(jù)《環(huán)境地表γ輻射劑量率測(cè)定規(guī)范》，所用儀器為FD-3013數(shù)字式伽瑪測(cè)量?jī)x。采用直接測(cè)量法進(jìn)行工作，依次測(cè)量各測(cè)點(diǎn)，氡析出率采用累積法測(cè)定，所用儀器為FD-216環(huán)境氡測(cè)量?jī)x。此次實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備均已經(jīng)過(guò)檢定，在有效期內(nèi)，經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)所用儀器的穩(wěn)定性及一致性檢定，所用儀器各項(xiàng)性能均達(dá)標(biāo)，符合EJ/T 822-94《輻射防護(hù)儀器誤差規(guī)定》，確保了儀器在測(cè)量過(guò)程中能正常、穩(wěn)定地工作，保證采集的數(shù)據(jù)資料準(zhǔn)確、可靠，符合要求。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1氡擴(kuò)散系數(shù)與覆土壓實(shí)度的關(guān)系

為了研究覆土壓實(shí)度和覆土厚度對(duì)氡擴(kuò)散系數(shù)的影響，我們可以通過(guò)距離覆土層任意兩點(diǎn)的表面氡濃度和兩點(diǎn)的垂直距離計(jì)算氡擴(kuò)散系數(shù)，具體關(guān)系如下所示[11]：

本文選取其中三個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)量其未覆土表面氡濃度和覆土厚度為15cm的情況下，壓實(shí)度分別為90%，91%，92%，93%，94%的表面氡濃度，然后計(jì)算氡擴(kuò)散系數(shù)。三個(gè)測(cè)點(diǎn)的覆土壓實(shí)度與氡擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系如圖3所示。由圖3可知，三組測(cè)點(diǎn)的氡擴(kuò)散系數(shù)均隨著覆土壓實(shí)度的增大而降低，這是因?yàn)殡痹谕寥乐薪^大多數(shù)是通過(guò)裂隙和孔隙進(jìn)行遷移[12]，覆土壓實(shí)度的增大減小了覆土層的孔隙度，孔隙度的變小直接影響廢石堆中的氡析出，所以氡擴(kuò)散系數(shù)隨著壓實(shí)度的增大而減小。所以在滿足工程應(yīng)用的情況下，應(yīng)盡量加大覆土的壓實(shí)度，減小土壤孔隙度，可以更加有效的防治氡污染。

3.3γ輻射劑量率與覆土厚度的關(guān)系

為了研究γ輻射劑量率與覆土厚度的關(guān)系，我們測(cè)量了相同條件下0cm～90cm覆土厚度每間隔15cm共8個(gè)測(cè)點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。覆土厚度與γ輻射劑量率如圖6所示。由圖6可知，γ輻射劑量率隨著覆蓋厚度的增大顯著減小，當(dāng)覆土厚度達(dá)到45cm時(shí)，γ輻射劑量率趨于穩(wěn)定，之后幾乎不隨著覆土厚度的增大而變化。所以在實(shí)際工程應(yīng)用當(dāng)中，想要控制γ輻射劑量率，一味地增加覆土厚度是無(wú)效的。

3.4覆土厚度的確定

覆土厚度的確定需綜合考慮土壤氡析出率和地表γ射線劑量率限制、土地復(fù)墾厚度和治理前侵蝕土層厚度等因素。參照《鈾礦冶輻射防護(hù)和環(huán)境保護(hù)規(guī)定》，廢（礦）石堆經(jīng)最終處置后，其表面平均222Rn析出率不超過(guò)0.74Bq/（m2·s），根據(jù)《鈾礦地質(zhì)輻射環(huán)境影響評(píng)價(jià)要求》的規(guī)定，有限制開(kāi)放的設(shè)施，γ輻射劑量率低于本底值+174nGy·h-1，無(wú)限制開(kāi)放的設(shè)施γ輻射劑量率是接近本底值?；谏鲜鲭蔽龀雎屎挺幂椛鋭┝柯氏拗频姆治觯倏紤]治理前侵蝕土層約20cm厚度，合理的覆土厚度范圍為25cm～60cm；為了恢復(fù)自然地貌，以及減少風(fēng)蝕和大氣降水的淋浸影響，根據(jù)《土地復(fù)墾技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，為滿足植被恢復(fù)（草灌型）所需的最小覆土厚度為35cm。因此，推薦覆土厚度為68cm～ 110cm，具體根據(jù)鈾礦勘探設(shè)施退役治理難度和退役后續(xù)使用要求選擇合理覆土厚度。若僅要求達(dá)到有限制開(kāi)放的設(shè)施，則覆土厚度68cm即可，而作為無(wú)限制開(kāi)放的場(chǎng)所則覆蓋厚度不小于110cm，且壓實(shí)度均應(yīng)大于90%。針對(duì)本實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的退役治理，覆蓋厚度應(yīng)在68cm時(shí)，已經(jīng)滿足γ輻射劑量率低于本底值+174nGy·h-1的要求，且表面平均氡析出率不超過(guò)0.74Bq/（m2·s）。

4.結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)該地區(qū)典型鈾礦勘探設(shè)施退役覆土實(shí)驗(yàn)研究，本實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地作為有限制開(kāi)放的場(chǎng)所的最佳覆土厚度為 68cm，而作為無(wú)限制開(kāi)放的場(chǎng)所的最佳覆蓋厚度不小于110cm。

（3）本試驗(yàn)綜合考慮土壤氡析出率和地表γ射線劑量率限制、土地復(fù)墾厚度和治理前侵蝕土層厚度等因素，合理的推薦了鈾礦勘探設(shè)施退役治理覆土厚度，并定性研究了壓實(shí)度與氡擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系。為該地區(qū)及相似地區(qū)鈾礦勘探設(shè)施退役治理工程提供參考。

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