浅析侏罗系地层中放射性核素对煤田开发环境的影响

摘 要:本文论述侏罗系地层中铀作为放射性伴生矿产赋存于煤层的顶部、或顶底板砂岩中,在煤田开发过程中会遇到放射性核素238U,232Th、226Ra衰变产生的氡(222Rn)及子体总α及总β形成的内辐射和伽玛(γ)射线产生的外辐射,因核辐射看不见、摸不着,闻不到,如不重视、高浓度氡、高强度伽玛(γ)射线对生产者轻者造成放射性职业病,重者带来生命危险,对生产带来重大危害,建议煤田开发过程中应加强放射性核辐射监测及防护,对促和谐、求安全、谋发展具有重要意义,尤其对新疆伊犁盆地,鄂尔多斯盆地及其周边(宁夏东部)煤田开发有战略意义。

关键词:放射性核素 层间氧化带 半衰期 α衰变 β衰变

中图分类号:X83 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)06(c)-0100-01

1 侏罗系地层中放射性核素238U形成机理

侏罗系地层中其中统(直罗组、延安组)为大型河流相和冲积平原相沉积,岩性由灰白色粗－细粒长石砂岩、石英砂岩、灰－灰黑色粉砂岩、页岩、泥岩组成,夹多层可采煤层,自下而上岩性由粗变细,底部具砾岩与砂砾岩。属陆相(大型盆地和山间盆地)碎屑岩含煤建造,是主要的煤系地层、因其具泥、砂、泥互层结构,岩石矿物成分多为酸性、中酸性岩石经风化剥蚀搬运沉积而来的长石,石英,长石中铀化学丰度较高,地层孔隙度相对较大,岩石相对疏松,透水性较好。灰色砂岩中有机物碎屑含量适当,加之中侏罗世以后气候干旱,富含游离氧的渗入水可以顺层流动,成岩环境的不同含水层从原生还原条件逐步过渡到氧化条件,砂岩中铀元素被氧化成U+6,融入水随水径流,在流动过程中,铀在具泥砂泥结构的特定氧化还原过渡环境中被有机物质还原,并再生富集,通过一定的地质时期,形成一定或较大规模的可地浸砂岩铀矿床,如鄂尔多斯东胜大型砂岩型铀矿床、伊犁盆地砂岩型铀矿。当热大部分区块因地质环境的不同则形成铀异常体。

2 侏罗系煤系地层中放射性核素分布及物理辐射特征

侏罗系地层中放射性核素以铀系中的238U为主,铀异常体(未达到工业边界品位)、铀矿化体或者铀矿体(特指铀含量在万分之三以上的)多以透镜状、鸭舌状,卷曲状赋存在煤层的顶、底板砂岩中,即所谓的层间氧化带型铀矿,大者单个矿体长度在500米以上,宽度在200米以上,厚度几米至几十米,具有一定金属量,小者长度小于200多米,宽度几米至几十米,厚度几十公分至几米,有分布广、连续性差的特点,无论其规模大小都会对煤田开采形成一定危害。

238U放射性核素其半衰期4.5亿年左右,通过3次α衰变和2次β衰变变成226Ra,226Ra同样经过1次α衰变和2次β衰变变成氡(222Rn)及子体,222Rn直至衰变成稳定铅元素111Pb才算结束。其核素衰变过程中产生有毒有害的氡气,同时放出强辐射的伽玛射线,还有能量较低的α射线和β射线。氡的半衰期3.825天、平均寿命在5.515天(132小时左右),较易溶于电解质含量低的水,在煤系地层中以气体扩散或者随水迁移两种形式运移,在岩石中的扩散长度(扩散速度)小,空气中扩散速度是岩石介质的中的10000倍。侏罗系煤系地层中的铀—— 镭基本处于平衡状态,或者稍偏铀,1克镭1小时可产生2.7亿Bq的氡,可见煤系地层中氡会得到源源不断的补充,尽管它平均寿命在5.515天,也会在地层中局部富集形成高浓度氡气层,其界面浓度高者可达到几千到几万(Bq/m3),国家职业标准为2700(Bq/m3),安全标准为400(Bq/m3),伽玛(γ)射线辐射剂量率可能在几千nGy/h,国标安全标准为174nGy/h,如此环境职业发病率高,其危害性可想而知。

3 放射性核素辐射对煤田开发的影响

侏罗系地层煤田开发过程中井巷道建设及采煤过程中可能随时会遇到铀矿化体或者铀异常体,其放射性辐射将对井田建设及煤层开采人员形成危害,氡气及子体(附在矿尘颗粒)通过呼吸系统进入人体形成内辐射,长时间会得矽肺病,诱发其它病变,形成职业性疾病。近距离伽玛辐射可损伤皮肤,长时间作业诱发身体病因,会导致职业病变,高强度照射,大剂量吸入都会危及生命。因核辐射看不见、摸不着,所以对煤田的开发影响极大。

4 煤田放射性环境评价、放射性核素检测及预防意义

随着国民经济的快速发展、尤其能源开发的速度更是突飞猛进,日生产量剧增,过去很长一段时间、煤田开发安全方面只注意瓦斯、透水等问题,而未将核辐射纳入安全范围,自从日本核电站发生核辐射问题后,我们国家也逐步把煤田放射性环境评价列为煤炭开发的重要条件之一,通过放射性环境评价,预测煤田环境放射性水平,进行井巷放射性核素检测跟踪,及时发现核辐射,对井田及时采取措施进行治理与防护意义重大。

5 煤田放射性环境检测手段及防护措施

在煤田开发过程中、检测主要手段为物理及化学测试、物理手段为采用伽玛辐射仪(FD-3013、或HD系列辐射仪)监控伽玛辐射场,观测伽玛辐射量率是否超标,氡气浓度测量仪 (北京核仪器研究所制FD-216、或上海地质仪器厂HD系列)监控巷道及工作面空气氡浓度是否超标,如超标则应立即采取防护及治理措施。化学测试主要是对煤矸石、井巷水体采集样品,在化验室进行铀、钍、镭等核素浓度测量,比活度总α和总β测量,观测矸石及水体对环境是否形成污染。

防护措施如下。

(1)封堵法:加强巷道防护,用高标号水泥浇铸井巷巷道壁(厚30cm～50cm左右),并在其外侧喷洒防氡涂料。特高氡浓度采用铅塑料板,局部岩石(煤或水)要进行观测采用铅玻璃进行封堵。

(2)通风法:一般采用压入式正压通风,以控制和减少氡析出率,使氡气得到及时稀释,以便降低氡浓度,并给一定备用通风系数,一般可取20%。在井巷较长的情况下可以另附建通风道,保证工作面生产正常。

(3)工作人员佩戴活性炭防毒口罩(活性炭能大量吸收氡气),及时排除矿井积水,减少巷道水中氡的析出和扩散。在伽玛辐射剂量率高的情况下,除加强防护壁外,可给工作人员配发质量较轻的医用铅纤维辐射防护服。

(4)适当调整工作班次,降低作业时间。

6 结论与建议

安全是效益,绿色生产是当代企业生产的主题,坚持煤田开发中以人为本的理念,重视煤田地层中放射性环境评价,尤其对侏罗系煤田开发过程中健全放射性核素检测机制,生产中实施核素检测跟踪工作,对企业的安全生产具有重要意义。

参考文献

[1] 徐高中.成因地质模型法研究新疆伊犁盆地砂岩型铀矿床预测评价准则[J].西北铀矿地质98/1,第24卷.

[2] 铀矿物探[M].原子能出版社出版(北京2108信箱).新华书店北京发行所发行.

[3] GB 15848-2009.铀矿地质辐射防护和环境保护规定[S].中国国家标准化管理委员会.