李夢(mèng)姣，曹鳳波，連國璽，孫 娟，葛佳亮，田玉斌

(中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司，河北 石家莊 050021)

煤是一種十分復(fù)雜的有機(jī)物和無機(jī)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(dá)到工業(yè)品位，因而人們認(rèn)為其產(chǎn)生的γ射線對(duì)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(huì)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(gè)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(duì)環(huán)境的放射性污染，有重要的生物學(xué)和衛(wèi)生學(xué)意義[7]。

新疆境內(nèi)鈾礦資源和煤礦資源賦存豐富，煤炭儲(chǔ)量約占全國的1/4，地浸法開采的鈾礦天然鈾產(chǎn)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(gè)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(dòng)，預(yù)防煤炭資源中天然放射性核素的輻射危害，保護(hù)環(huán)境和人民健康，新疆發(fā)布并實(shí)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(jìn)行核素分析來獲??；對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位較少或不具備監(jiān)測(cè)條件的礦山，也可利用鉆探過程中開展的放射性測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)來推測(cè)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(cè)井方法和測(cè)井儀器也各不相同，主要有自然伽馬測(cè)井和定量伽馬測(cè)井。其中，定量伽馬測(cè)井可推算出鈾品位，主要用于鈾礦勘查中。當(dāng)前，煤炭勘查主要采用自然伽馬測(cè)井，其不能直接用于煤中核素含量定量評(píng)價(jià)。因此，本研究利用自然伽馬測(cè)井曲線，建立其與煤中鈾含量換算關(guān)系，以推測(cè)煤炭中的鈾含量。

1 研究區(qū)概況

研究對(duì)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(gè)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為6.0 Mt/年，設(shè)計(jì)剩余服務(wù)年限為98年。

該煤田在勘探過程中共施工97個(gè)鉆孔，各鉆孔均開展了自然伽馬測(cè)井。參考中國地質(zhì)調(diào)查局《我國主要盆地煤鈾等多礦種綜合調(diào)查評(píng)價(jià)計(jì)劃項(xiàng)目工作技術(shù)要求(第三版)》，將鉆孔自然伽馬測(cè)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(duì)象的自然伽馬測(cè)井曲線，篩選出12個(gè)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(duì)這12個(gè)鉆孔的伽馬數(shù)據(jù)異常層位進(jìn)行了煤炭監(jiān)測(cè)取樣。由于該煤田在開展地質(zhì)勘查工作時(shí)未進(jìn)行有關(guān)鈾含量換算系數(shù)方面的儀器標(biāo)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(chǎn)物造成的，屬于天然放射性輻射。

該煤田在勘探過程中，對(duì)部分放射性異常鉆孔巖芯取樣并監(jiān)測(cè)其鈾、釷、鉀含量。根據(jù)分析結(jié)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(jì)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(guān)系，對(duì)鉆孔中的各種放射性核素進(jìn)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(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表1。

表1 XX煤田放射性核素比活度及相關(guān)對(duì)比

由表1可知：本研究對(duì)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(dāng)。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(cè)井曲線推算煤的放射性水平

3.1 煤田測(cè)井γ與鈾含量關(guān)系

在中國煤炭地質(zhì)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(cè)井曲線有明顯的異常反應(yīng)。因此，20世紀(jì)60年代后期煤炭地質(zhì)勘探規(guī)范要求鉆孔必須進(jìn)行測(cè)井，并將自然伽馬曲線作為必測(cè)曲線[12]81。2012年以來，中國以鉆孔測(cè)井自然伽馬曲線異常為主線，在含煤盆地進(jìn)行鈾礦地質(zhì)勘查選區(qū)研究[12]81。在鈾系中，當(dāng)鈾鐳處于放射性平衡狀態(tài)時(shí)，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(dāng)鈾鐳平衡時(shí)，自然伽馬測(cè)井曲線伽馬異常的幅值反映了巖層放射性射線照射強(qiáng)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(cè)井曲線自然伽馬異常的幅值與巖石化學(xué)分析確定的鈾含量成正相關(guān)關(guān)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(biāo)準(zhǔn)《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(duì)象煤礦放射性異常的原因?yàn)榈貙又锈櫹岛怂睾枯^高，煤礦中鈾鐳基本平衡，鈾鐳含量分布及變化趨勢(shì)基本一致。由于地勘過程中對(duì)放射性異常點(diǎn)進(jìn)行取樣分析時(shí)，僅測(cè)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(guān)性

本研究以該煤田的地勘報(bào)告為依據(jù)，分析了自然伽馬值與煤礦鈾含量之間的關(guān)系。自然伽馬測(cè)井得到的是各點(diǎn)位伽馬的瞬時(shí)值，各點(diǎn)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(duì)取樣段的伽馬平均值進(jìn)行解譯，并將取樣分析獲得的U天然含量轉(zhuǎn)換為238U含量；然后再分析伽馬平均值與238U含量之間的關(guān)系。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，該煤田的自然伽馬和鈾含量關(guān)系如圖2所示。

圖2 自然伽馬和238U含量的關(guān)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(guān)關(guān)系，自然伽馬異常越大，238U含量越高，相關(guān)關(guān)系為y=0.001 3x2-0.015 4x+1.513 9，相關(guān)系數(shù)為0.938 7。

由于勘探時(shí)期的鉆孔均已封孔，當(dāng)前煤田未正式投產(chǎn)，井田范圍內(nèi)僅主巷道可采集煤炭樣品。為驗(yàn)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(gè)煤炭樣品，并檢測(cè)樣品中的U天然含量，結(jié)果見表3?？梢钥闯觯狙芯康玫降淖匀毁ゑR和238U含量的關(guān)系曲線準(zhǔn)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(cè)數(shù)據(jù)

3.3 煤田鈾含量總體分布

根據(jù)井田勘探報(bào)告，該煤田中部的先期開采地段鉆孔網(wǎng)布置密度為1 km×1 km，外圍控制區(qū)鉆孔網(wǎng)布置密度為2 km×2 km，井田范圍內(nèi)共分布有97個(gè)鉆孔，每個(gè)鉆孔自地表至終采煤層深度都有自然伽馬測(cè)井曲線。因此，應(yīng)用上述計(jì)算所得的自然伽馬測(cè)井曲線與鈾含量的相關(guān)關(guān)系，計(jì)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(jié)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(shì)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(dá)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(nèi)，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(jié)論

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

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