地底深处氡浓度的测量方法探究

曹海涛 张文涛 伊小娟 谢荣强

（四川省核工业辐射测试防护院（四川省核应急技术支持中心）,四川 成都 610000）

1 地底深处氡浓度测量的必要性

氡及其子体在各种工程隧道开挖的过程中对人体的辐射剂量已经引起了人们的重视，在隧道开挖前无法估量地底深处氡浓度及氡析出率的大小，在开挖时便无法做出相应的预防措施，对深层的氡浓度及析出率的测量显得尤为重要。目前国内氡浓度的测量的主要依据是《氡及其子体在大气环境中的测量方法》（NFM 60—763）和《氡及其子体测量规范》（EJ/T 605—91）。仅针对浅表层土壤中氡浓度进行测量，对地底深处几百米处的氡浓度及其析出率尚无明确的测量方法和标准。全文总共分为4个部分来解析该方法的实验过程：1） 现有的氡浓度的测量仪器和方法简介利用现有的仪器和方法对地底深处氡的测量所面临的难点。2） 针对所需要攻克的难点进行理论推导，结合现有的仪器初步总结整套测量方法的理论依据和实操的可行性。3） 用初步设计的测量方法及测量仪器对各深度的地下进行监测，从而验证测量方法的可行性。4） 根据实验的结果有针对性地对仪器和方法进行调整。通过该课题研究，初步拟定了针对地下深处的氡浓度及其子体的测量方法。

2 地底深处氡浓度测量系统

2.1 地底深处氡浓度测量的意义

目前，我国高速公路和铁路发展迅猛，随着大量隧道的开挖，在开挖的过程中，人们越来越重视氡及其子体对工作人员的危害，有研究表明氡及其子体对人体所产生的辐射剂量占人体所受到的天然辐射剂量的50%以上。由于地底环境的未知性和不可达性，因此不能准确地判断开挖隧道的岩石圈的氡浓度和氡析出率，工作人员未能及时地采取有效的防护措施，从而会对其人身产生伤害。如果在施工前就能够预先测试出隧道开挖点的氡浓度或氡析出率，那么就能及时制定相应的防护措施及方案，可以选择避开高辐射区域，也可以提前进行监控，从而达到保护工人免受氡及其子体所带来的危害的目的。

现有的监测方法及仪器只能监测土壤中的氡浓度，也就是表层范围内的氡浓度，目前亟需一种在初勘阶段就能监测出地底一定深度的氡浓度的方法为隧道开挖提供基础数据，且可以及时采取有效的防护措施。

2.2 现有仪器和测量方法

该实验选用的测氡仪为PQ2000型测氡仪，该测氡仪是目前公认的测氡标准仪器，具有测量精度高、误差较小以及可连续测量等一系列特点。PQ2000的测量原理是基于成熟的脉冲电离室原理（α能谱仪），测量方法为《氡及其子体测量规范》（EJ/T 605—91）[1]。但是该方法仅能对浅层土壤中的氡浓度进行测量，测量深度为70 cm~100 cm，远远达不到几百米的深度。现有的测氡原理是利用1 m长的空心钢钎打入地底，再连接抽气泵、测氡仪器以及干燥器，对土壤中的氡浓度进行测量[2]。根据现有的仪器，在原有的方法原理上进行改进。实验表明，改进后的方法总体上是可行的。

2.3 地底深处氡浓度测量方法理论假设

现有测量方法的总体思路是要将地底含有氡浓度的气体采集到地面，再在PQ2000连续测氡仪内进行测量。为了能将地底析出的氡气采集到地面，可以利用在地质初勘阶段使用的钻井，钻井通常会钻探到地底隧道所要开挖的深度。目前地质勘查上的钻井所使用的钻杆为中空，如果将连续测氡仪与钻杆连接起来，使地底析出的氡气通过钻杆被抽进测量仪器中，就能测量到该深度氡浓度的数值。因为氡气是不断地析出的，所以在钻杆中会存在富集，这样就需要一个真空泵将原有富集的氡气全部抽出地面，氡浓度随着真空泵的工作会一直下降，同时氡又按照一定的速率均匀地析出，当氡浓度下降到一定数值时，氡浓度趋于稳定，通过该氡浓度值、采样时间及抽气体积可以算得氡析出率。

具体的测量方法如下：1） 用真空泵连接钻杆，经过一定时间的抽气，抽空钻杆内富集的空气，新析出的氡气逐渐扩散至整个钻杆。2） 将钻杆与连续测氡仪连接，通过连续测氡仪自带的抽气泵开始抽气，使用连续测氡仪对新析出的氡气进行测量，从而得出地底深处的氡浓度，并算出氡析出率。

2.4 监测系统的初步设计

根据理论假设的方法，整个系统由连续测氡仪、钻杆、真空泵、连接管线及阀门组成。详细连接方式如图1所示。

图1 监测系统示意图

监测时：先关闭阀门B，打开阀门A，打开真空泵，根据真空泵的流量和钻杆内空气的体积，算出真空泵抽气的时间，将已富集的氡气全部抽出后，关闭真空泵，关闭阀门A，打开阀门B，打开抽气泵及连续测氡仪，开始测量新析出的氡气。一定要保证整个系统的阀门及管线链接处的气密性。在测氡仪的进气端应连接安全瓶。

2.5 现场试验测量及数据分析

考虑到氡气在液体和固体中的吸附性，该现场试验选择2个钻井为干孔，岩层结构均为花岗岩，钻井中无液体存在。

2.5.1 现场监测工作方案

为了得到可靠的试验数据，在现场测量之前必须做好相应的监测工作方案，在试验过程中严格按照监测工作方案实施。该监测工作方案如下：1） 监测依据。该监测是基于《氡及其子体测量规范》（EJ/T 605—91）[1]。2） 监测因子。空气中的氡浓度。3） 监测环境说明。现场监测时，收集环境温度、环境湿度以及天气状况等信息。4） 使用仪器和方法。到达现场后首先检查仪器的完整性和有效性，查看仪器的电压是否正常，干燥剂是否完好。用套管将测氡仪、真空泵与钻杆连接起来，连接完毕后检查气密性。按照钻井的深度、管口直径以及真空泵的流量计算出第一阶段的抽气时间。5） 测量操作严格按仪器操作规程进行，测量实行全过程质量控制，按照统计学原则处理监测数据，监测前后检查仪器的工作状态是否正常。

2.5.2 实验数据结果

该试验监测了孜拉山的2个钻孔，钻孔的深度相对比较深，测量前检查了钻孔的完整性，满足相应的实验要求。该监测结果见表1。

表1 空气中氡浓度监测结果

该监测过程严格按照监测工作方案执行，数据结果真实可信，随后对DE-孜拉山-深-07孔及DE-孜拉山-深-01孔2个深孔的监测数据进行计算分析。

数据分析如下。

已知钻杆的长度为380 m，直径为50 mm，根据圆柱体的体积公式（如公式（1）所示）计算出钻杆中空气体积为745.75 L。

在套管及整个管线内装满水，再用量筒测得其体积约为1.2 L。整个测量系统中的空气体积为746.95 L，约为747 L。

该测量选用的真空泵速率为240 L/min，将原钻杆富集的氡气全部抽离共需要4 min。然后再用PQ2000连续测氡仪进行测量，测量时间为10 min。在DE-孜拉山-深-07孔测得氡浓度值为32 Bq/m3，氡析出率为3.2 Bq/m3·min。

在DE-孜拉山-深-01孔测量得出的数据小于30 Bq/m3。经过现场踏勘，发现该钻井的下方疑似存在大裂隙，整个系统未封闭，因此该试验结果不成立。

由于缺乏对地底深处的氡浓度进行测量的相应方法，因此研究人员无法有效地对监测数据进行比对，该测量数据的有效性存疑。

整个系统按照最初的设计图将测氡仪、抽气泵、真空泵、相关的阀门及导管与地底的钻杆连接起来，整个监测系统如图2~图3所示。

图2 DE-孜拉山-深-01孔现场监测系统

图3 DE-孜拉山-深-07孔现场监测系统

2.6 测量方法的疑点及改进

经过2次现场试验及对最终数据结果进行分析，发现该方法存在不足的地方是无法对数据的有效性和准确性进行判定。

如果钻井的深度超过一定数值，则新析出的氡气扩散至整个系统的时间过长，不便于测量。

如果地下存在与外界相同的裂隙，则该方法存在较多的空气稀释，测量结果不准确。

针对以上的疑点，对整个实验设计进行改进，决定在真空泵和钻杆之间增加1个固定体积的采样器。具体设计如图4所示。

图4 监测系统示意图

改进后的测量系统的操作过程如下：1） 先关闭阀门B、C，开启阀门A、D打开真空泵，抽出地下的空气，让地底的氡气进入采样器。2） 关闭阀门A、D，打开阀门B、C和连续测氡仪，10 min后记录第一次监测的数值。该数值由原有的氡气及新析出的氡气组成。3） 重复第一步和第二步，然后记录第二次监测的数值。4） 对比第二次的监测数值和第一次的监测数值，如果明显减少，则继续按照第一步和第二步进行操作，经过多次测量，直到前后2次测量的氡浓度值相同时结束测量，该值即为该地底深度的氡浓度值。

改进后的测量系统的总体思路是采用空气采样的原理，先把地底的空气采集到特定容积的采样器中，再通过连续测氡仪对采集的空气样本进行测量。由于地勘的钻井是一个漫长的过程，在该钻勘的过程中会持续析出氡气，最后在钻杆中富集，因此第一次采集的空气样本所测到的氡浓度会很高，也不能反应该点的氡浓度的析出速率，要立即对空气进行第二次采集，随着钻杆里富集的空气被抽出，氡气的析出速度赶不上抽气的速度，这样在第二次、第三次所采集的地底空气样本中的氡浓度会持续下降，直到钻杆中富集的氡气被全部抽出，只剩下该点持续析出的氡气和抽离开的气体氡浓度达到一种平衡，当前后2次测量的数值相同或相近时，就说明已经达到平衡，这样容器里面采集的气体中氡的含量就为均匀析出的氡气。测量结果就为该深度的氡浓度值，再根据测量时间及容器体积就能计算得出氡气的析出速率。

由于之前选择的2处测量钻井在初勘结束后便进行封洞处理，并不能再次使用改进的测量系统对其进行测量，因此实验前后的数据未能进行对比。该实验方法在理论推导和计算中可行，在实际运用时还要另外选择新的深孔钻井进行测量，但是该方法已经对地底深处氡浓度的测量探究提供了方向，使地底深处氡浓度的测量成为可能。

3 结论

该文对新方法的探究是以实际应用为前提的，经过理论假设、推导、现场试验和数据分析，最终得出新改进的方法，该方法总体上可行，能准确地测量地底一定深度的氡浓度及氡析出率；另外该方法也有相应的局限性，如果该地点的氡浓度相对较低或氡析出率较为缓慢，则需要延长监测时间，该方法数据测量的检测下限也相对较高，但是如果作为隧道开挖前的氡的防护监测，该方法就完全适用，该点的氡浓度一旦被系统检测出来，就说明该点的氡浓度及氡析出率的值均达到了需要防护的限值，提前为隧道的开挖与防护提供了数据支撑，避免人体受到氡及其子体的侵害。