新疆某煤田煤中放射性核素含量计算方法研究

李梦姣，曹凤波，连国玺，孙 娟，葛佳亮，田玉斌

(中核第四研究设计工程有限公司，河北 石家庄 050021)

煤是一种十分复杂的有机物和无机矿物的混合物，几乎地球上所有的元素都可以在煤中发现，铀也不例外[1-2]。铀是一种放射性元素，而大多数煤矿的煤及煤矸石中的铀含量没有达到工业品位，因而人们认为其产生的γ射线对人体的外照射剂量不高，可以不用采取防治措施[3-4]。但在煤炭燃烧过程中会有很大一部分铀富集于煤灰和炉渣之中，据研究，灰渣中的铀通常较煤中的铀高出5～10倍[5]。这样灰渣就成为一个长期的放射源，直接或间接威胁人体健康[6]。因此，研究煤在开采和使用过程中对环境的放射性污染，有重要的生物学和卫生学意义[7]。

新疆境内铀矿资源和煤矿资源赋存丰富，煤炭储量约占全国的1/4，地浸法开采的铀矿天然铀产量约为全国的1/3[8]，且二者埋藏条件相似。其中，在伊南地区有蒙其古尔等4个大型砂岩型铀矿床，在其非铀矿区煤田地层中也发现有天然铀伴生现象。

为规范煤炭资源勘查、开发活动，预防煤炭资源中天然放射性核素的辐射危害，保护环境和人民健康，新疆发布并实施了《煤炭资源开采天然放射性核素限量》(DB 65/T 3471—2013)，规定了煤炭资源放射性核素限量分类及各类煤炭中核素含量限量。

煤炭的核素含量主要通过采集矿区煤炭样品，进行核素分析来获取；对监测点位较少或不具备监测条件的矿山，也可利用钻探过程中开展的放射性测井数据来推测煤中的核素含量。由于钻探工作目的不同，各勘查工作使用的伽马测井方法和测井仪器也各不相同，主要有自然伽马测井和定量伽马测井。其中，定量伽马测井可推算出铀品位，主要用于铀矿勘查中。当前，煤炭勘查主要采用自然伽马测井，其不能直接用于煤中核素含量定量评价。因此，本研究利用自然伽马测井曲线，建立其与煤中铀含量换算关系，以推测煤炭中的铀含量。

1 研究区概况

研究对象为位于新疆伊犁盆地北缘的某煤田，井田境界东西长为8～11 km，南北宽为4.1～10.1 km，面积约为76.50 km2，拟采用井下开拓方式，可采煤层共14个，设计生产能力为6.0 Mt/年，设计剩余服务年限为98年。

该煤田在勘探过程中共施工97个钻孔，各钻孔均开展了自然伽马测井。参考中国地质调查局《我国主要盆地煤铀等多矿种综合调查评价计划项目工作技术要求(第三版)》，将钻孔自然伽马测井曲线中大于50γ的层位划分为放射性异常层[9]。根据本研究对象的自然伽马测井曲线，筛选出12个钻孔存在放射性异常，如图1所示。该煤田共有14层主采煤层，在勘探过程中对这12个钻孔的伽马数据异常层位进行了煤炭监测取样。由于该煤田在开展地质勘查工作时未进行有关铀含量换算系数方面的仪器标定，因此无法直接获取井田全区域的核素含量分布情况。

图1 放射性异常钻孔位置示意图

2 煤中放射性核素种类分析

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及其衰变产物造成的，属于天然放射性辐射。

该煤田在勘探过程中，对部分放射性异常钻孔岩芯取样并监测其铀、钍、钾含量。根据分析结果可知：该煤田放射性异常的钻孔中U天然比活度为0.6～26.4 mg/kg，232Th比活度为1.6～11.2 mg/kg，K比活度为0.5～22.8 g/kg。由于40K的丰度为0.011 8%，即1 g 钾中含有0.118 mg的40K，据此计算40K含量为0.06～2.69 mg/kg。

按照放射性核素含量水平与比活度的关系，对钻孔中的各种放射性核素进行了换算，并与伊犁地区和全新疆土壤中的各种放射性核素的比活度进行对比，结果见表1。

表1 XX煤田放射性核素比活度及相关对比

由表1可知：本研究对象异常钻孔中的U天然比活度高于伊犁和新疆地区土壤的比活度，其高值约为伊犁土壤比活度的4倍；而232Th和40K的比活度则与伊犁和新疆地区土壤的水平相当。这说明该煤田存在放射性异常的主要原因是铀系核素含量较高。铀系核素主要含有238U、235U和234U放射性核素衰变系列，其中238U在天然铀中的丰度为99.274 2%[11]。

3 由测井曲线推算煤的放射性水平

3.1 煤田测井γ与铀含量关系

在中国煤炭地质勘探中发现，煤系地层伴生铀矿的放射性异常，其自然伽马测井曲线有明显的异常反应。因此，20世纪60年代后期煤炭地质勘探规范要求钻孔必须进行测井，并将自然伽马曲线作为必测曲线[12]81。2012年以来，中国以钻孔测井自然伽马曲线异常为主线，在含煤盆地进行铀矿地质勘查选区研究[12]81。在铀系中，当铀镭处于放射性平衡状态时，铀释放的γ射线的照射剂量率仅占γ射线总照射剂量率的2%，镭释放的γ射线照射剂量率占γ射线总照射剂量率的98%[13]。因此，当铀镭平衡时，自然伽马测井曲线伽马异常的幅值反映了岩层放射性射线照射强度，即根据伽马照射量率数值可以推算放射性核素比活度。测井曲线自然伽马异常的幅值与岩石化学分析确定的铀含量成正相关关系，即自然伽马异常越大，铀的含量越高[12]83。

根据新疆维吾尔自治区地方标准《煤炭资源开采天然放射性核素限量》(DB65/T 3471—2013)，煤炭资源中天然放射性核素限量见表2。

表2 煤炭资源天然放射性核素限量

本研究对象煤矿放射性异常的原因为地层中铀系核素含量较高，煤矿中铀镭基本平衡，铀镭含量分布及变化趋势基本一致。由于地勘过程中对放射性异常点进行取样分析时，仅测定了其中的铀含量；因此，本研究以238U含量为代表，作为煤炭资源分区的主要依据。

3.2 煤田自然伽马值与铀含量相关性

本研究以该煤田的地勘报告为依据，分析了自然伽马值与煤矿铀含量之间的关系。自然伽马测井得到的是各点位伽马的瞬时值，各点位数值不一；而铀含量是将取样段的样品混合均匀，数值为取样段的铀含量平均值。因此，首先需对取样段的伽马平均值进行解译，并将取样分析获得的U天然含量转换为238U含量；然后再分析伽马平均值与238U含量之间的关系。经统计，该煤田的自然伽马和铀含量关系如图2所示。

图2 自然伽马和238U含量的关系

由图2可看出，该煤田的自然伽马平均值与238U含量之间存在正相关关系，自然伽马异常越大，238U含量越高，相关关系为y=0.001 3x2-0.015 4x+1.513 9，相关系数为0.938 7。

由于勘探时期的钻孔均已封孔，当前煤田未正式投产，井田范围内仅主巷道可采集煤炭样品。为验证曲线的有效性，本研究在煤田首采区主巷道周边工作面采集5个煤炭样品，并检测样品中的U天然含量，结果见表3。可以看出，本研究得到的自然伽马和238U含量的关系曲线准确度较高，可用于煤田范围铀含量水平的推算。

表3 首采区煤炭取样监测数据

3.3 煤田铀含量总体分布

根据井田勘探报告，该煤田中部的先期开采地段钻孔网布置密度为1 km×1 km，外围控制区钻孔网布置密度为2 km×2 km，井田范围内共分布有97个钻孔，每个钻孔自地表至终采煤层深度都有自然伽马测井曲线。因此，应用上述计算所得的自然伽马测井曲线与铀含量的相关关系，计算出各钻孔各煤层的铀含量，并叠加矿体分布图，通过差值法绘制各煤层238U含量分布图。本研究以21-1煤层和27煤层为例，绘制其238U含量分布，结果如图3、图4所示。

图3 21-1煤层238U含量分布图

图4 27煤层238U含量分布图

由图3可知，21-1煤层在可采范围的大部分区域，放射性核素比活度低于100 Bq/kg，属于豁免监管类水平，其238U比活度整体趋势为从西南到东北方向逐渐增大，在11盘区与12盘区交汇处达到最大值，放射性核素比活度约为344 Bq/kg，属于限制使用类水平，限制使用类面积约为1.68 km2。由图4可知，27煤层铀含量在其可采区域内，放射性核素比活度均小于100 Bq/kg，属于豁免监管类水平。

4 结论

1)以新疆某煤田为研究对象，通过分析其放射性异常钻孔监测数据，确定其放射性异常主要来自铀系核素。

2)通过对比放射性异常钻孔的自然伽马测井曲线及煤中铀含量监测数据，推算出了自然伽马与铀含量之间的相关关系，并由此绘制了煤田范围内铀含量的总体分布，以指导该煤田对各采区及各煤层进行放射性核素煤炭资源分类。