新疆某煤田煤中放射性核素含量計算方法研究

李夢姣，曹鳳波，連國璽，孫 娟，葛佳亮，田玉斌

(中核第四研究設計工程有限公司，河北 石家莊 050021)

煤是一種十分復雜的有機物和無機礦物的混合物，幾乎地球上所有的元素都可以在煤中發(fā)現(xiàn)，鈾也不例外[1-2]。鈾是一種放射性元素，而大多數(shù)煤礦的煤及煤矸石中的鈾含量沒有達到工業(yè)品位，因而人們認為其產生的γ射線對人體的外照射劑量不高，可以不用采取防治措施[3-4]。但在煤炭燃燒過程中會有很大一部分鈾富集于煤灰和爐渣之中，據(jù)研究，灰渣中的鈾通常較煤中的鈾高出5～10倍[5]。這樣灰渣就成為一個長期的放射源，直接或間接威脅人體健康[6]。因此，研究煤在開采和使用過程中對環(huán)境的放射性污染，有重要的生物學和衛(wèi)生學意義[7]。

新疆境內鈾礦資源和煤礦資源賦存豐富，煤炭儲量約占全國的1/4，地浸法開采的鈾礦天然鈾產量約為全國的1/3[8]，且二者埋藏條件相似。其中，在伊南地區(qū)有蒙其古爾等4個大型砂巖型鈾礦床，在其非鈾礦區(qū)煤田地層中也發(fā)現(xiàn)有天然鈾伴生現(xiàn)象。

為規(guī)范煤炭資源勘查、開發(fā)活動，預防煤炭資源中天然放射性核素的輻射危害，保護環(huán)境和人民健康，新疆發(fā)布并實施了《煤炭資源開采天然放射性核素限量》(DB 65/T 3471—2013)，規(guī)定了煤炭資源放射性核素限量分類及各類煤炭中核素含量限量。

煤炭的核素含量主要通過采集礦區(qū)煤炭樣品，進行核素分析來獲??；對監(jiān)測點位較少或不具備監(jiān)測條件的礦山，也可利用鉆探過程中開展的放射性測井數(shù)據(jù)來推測煤中的核素含量。由于鉆探工作目的不同，各勘查工作使用的伽馬測井方法和測井儀器也各不相同，主要有自然伽馬測井和定量伽馬測井。其中，定量伽馬測井可推算出鈾品位，主要用于鈾礦勘查中。當前，煤炭勘查主要采用自然伽馬測井，其不能直接用于煤中核素含量定量評價。因此，本研究利用自然伽馬測井曲線，建立其與煤中鈾含量換算關系，以推測煤炭中的鈾含量。

1 研究區(qū)概況

研究對象為位于新疆伊犁盆地北緣的某煤田，井田境界東西長為8～11 km，南北寬為4.1～10.1 km，面積約為76.50 km2，擬采用井下開拓方式，可采煤層共14個，設計生產能力為6.0 Mt/年，設計剩余服務年限為98年。

該煤田在勘探過程中共施工97個鉆孔，各鉆孔均開展了自然伽馬測井。參考中國地質調查局《我國主要盆地煤鈾等多礦種綜合調查評價計劃項目工作技術要求(第三版)》，將鉆孔自然伽馬測井曲線中大于50γ的層位劃分為放射性異常層[9]。根據(jù)本研究對象的自然伽馬測井曲線，篩選出12個鉆孔存在放射性異常，如圖1所示。該煤田共有14層主采煤層，在勘探過程中對這12個鉆孔的伽馬數(shù)據(jù)異常層位進行了煤炭監(jiān)測取樣。由于該煤田在開展地質勘查工作時未進行有關鈾含量換算系數(shù)方面的儀器標定，因此無法直接獲取井田全區(qū)域的核素含量分布情況。

圖1 放射性異常鉆孔位置示意圖

2 煤中放射性核素種類分析

煤中的放射性主要是由其含有的痕量天然放射性核素238U、232Th和40K及其衰變產物造成的，屬于天然放射性輻射。

該煤田在勘探過程中，對部分放射性異常鉆孔巖芯取樣并監(jiān)測其鈾、釷、鉀含量。根據(jù)分析結果可知：該煤田放射性異常的鉆孔中U天然比活度為0.6～26.4 mg/kg，232Th比活度為1.6～11.2 mg/kg，K比活度為0.5～22.8 g/kg。由于40K的豐度為0.011 8%，即1 g 鉀中含有0.118 mg的40K，據(jù)此計算40K含量為0.06～2.69 mg/kg。

按照放射性核素含量水平與比活度的關系，對鉆孔中的各種放射性核素進行了換算，并與伊犁地區(qū)和全新疆土壤中的各種放射性核素的比活度進行對比，結果見表1。

表1 XX煤田放射性核素比活度及相關對比

由表1可知：本研究對象異常鉆孔中的U天然比活度高于伊犁和新疆地區(qū)土壤的比活度，其高值約為伊犁土壤比活度的4倍；而232Th和40K的比活度則與伊犁和新疆地區(qū)土壤的水平相當。這說明該煤田存在放射性異常的主要原因是鈾系核素含量較高。鈾系核素主要含有238U、235U和234U放射性核素衰變系列，其中238U在天然鈾中的豐度為99.274 2%[11]。

3 由測井曲線推算煤的放射性水平

3.1 煤田測井γ與鈾含量關系

在中國煤炭地質勘探中發(fā)現(xiàn)，煤系地層伴生鈾礦的放射性異常，其自然伽馬測井曲線有明顯的異常反應。因此，20世紀60年代后期煤炭地質勘探規(guī)范要求鉆孔必須進行測井，并將自然伽馬曲線作為必測曲線[12]81。2012年以來，中國以鉆孔測井自然伽馬曲線異常為主線，在含煤盆地進行鈾礦地質勘查選區(qū)研究[12]81。在鈾系中，當鈾鐳處于放射性平衡狀態(tài)時，鈾釋放的γ射線的照射劑量率僅占γ射線總照射劑量率的2%，鐳釋放的γ射線照射劑量率占γ射線總照射劑量率的98%[13]。因此，當鈾鐳平衡時，自然伽馬測井曲線伽馬異常的幅值反映了巖層放射性射線照射強度，即根據(jù)伽馬照射量率數(shù)值可以推算放射性核素比活度。測井曲線自然伽馬異常的幅值與巖石化學分析確定的鈾含量成正相關關系，即自然伽馬異常越大，鈾的含量越高[12]83。

根據(jù)新疆維吾爾自治區(qū)地方標準《煤炭資源開采天然放射性核素限量》(DB65/T 3471—2013)，煤炭資源中天然放射性核素限量見表2。

表2 煤炭資源天然放射性核素限量

本研究對象煤礦放射性異常的原因為地層中鈾系核素含量較高，煤礦中鈾鐳基本平衡，鈾鐳含量分布及變化趨勢基本一致。由于地勘過程中對放射性異常點進行取樣分析時，僅測定了其中的鈾含量；因此，本研究以238U含量為代表，作為煤炭資源分區(qū)的主要依據(jù)。

3.2 煤田自然伽馬值與鈾含量相關性

本研究以該煤田的地勘報告為依據(jù)，分析了自然伽馬值與煤礦鈾含量之間的關系。自然伽馬測井得到的是各點位伽馬的瞬時值，各點位數(shù)值不一；而鈾含量是將取樣段的樣品混合均勻，數(shù)值為取樣段的鈾含量平均值。因此，首先需對取樣段的伽馬平均值進行解譯，并將取樣分析獲得的U天然含量轉換為238U含量；然后再分析伽馬平均值與238U含量之間的關系。經統(tǒng)計，該煤田的自然伽馬和鈾含量關系如圖2所示。

圖2 自然伽馬和238U含量的關系

由圖2可看出，該煤田的自然伽馬平均值與238U含量之間存在正相關關系，自然伽馬異常越大，238U含量越高，相關關系為y=0.001 3x2-0.015 4x+1.513 9，相關系數(shù)為0.938 7。

由于勘探時期的鉆孔均已封孔，當前煤田未正式投產，井田范圍內僅主巷道可采集煤炭樣品。為驗證曲線的有效性，本研究在煤田首采區(qū)主巷道周邊工作面采集5個煤炭樣品，并檢測樣品中的U天然含量，結果見表3。可以看出，本研究得到的自然伽馬和238U含量的關系曲線準確度較高，可用于煤田范圍鈾含量水平的推算。

表3 首采區(qū)煤炭取樣監(jiān)測數(shù)據(jù)

3.3 煤田鈾含量總體分布

根據(jù)井田勘探報告，該煤田中部的先期開采地段鉆孔網布置密度為1 km×1 km，外圍控制區(qū)鉆孔網布置密度為2 km×2 km，井田范圍內共分布有97個鉆孔，每個鉆孔自地表至終采煤層深度都有自然伽馬測井曲線。因此，應用上述計算所得的自然伽馬測井曲線與鈾含量的相關關系，計算出各鉆孔各煤層的鈾含量，并疊加礦體分布圖，通過差值法繪制各煤層238U含量分布圖。本研究以21-1煤層和27煤層為例，繪制其238U含量分布，結果如圖3、圖4所示。

圖3 21-1煤層238U含量分布圖

圖4 27煤層238U含量分布圖

由圖3可知，21-1煤層在可采范圍的大部分區(qū)域，放射性核素比活度低于100 Bq/kg，屬于豁免監(jiān)管類水平，其238U比活度整體趨勢為從西南到東北方向逐漸增大，在11盤區(qū)與12盤區(qū)交匯處達到最大值，放射性核素比活度約為344 Bq/kg，屬于限制使用類水平，限制使用類面積約為1.68 km2。由圖4可知，27煤層鈾含量在其可采區(qū)域內，放射性核素比活度均小于100 Bq/kg，屬于豁免監(jiān)管類水平。

4 結論

1)以新疆某煤田為研究對象，通過分析其放射性異常鉆孔監(jiān)測數(shù)據(jù)，確定其放射性異常主要來自鈾系核素。

2)通過對比放射性異常鉆孔的自然伽馬測井曲線及煤中鈾含量監(jiān)測數(shù)據(jù)，推算出了自然伽馬與鈾含量之間的相關關系，并由此繪制了煤田范圍內鈾含量的總體分布，以指導該煤田對各采區(qū)及各煤層進行放射性核素煤炭資源分類。