（环境工程专业论文）铀矿废石堆覆盖处理及稳定化研究.pdf

摘要 摘要 多年来，我国在铀矿勘探过程中，产生了大量的放射性铀矿废石，由于历 史的原因，大部分废石一直处于未治理状态。这些铀矿废石堆严重地影响着当 地的生态环境和居民的健康。因此，针对铀矿地质系统放射性废石堆的退役整 治，已成为一项紧迫的工作。 本研究以x ) ( 矿田工作区x x 矿区的k d 8 废石场作为对象，在k d 8 废石场 顶部划出3 块试验场地，分别以红壤、腐殖土和煤渣作为覆盖材料，对铀矿废 石堆进行覆盖和稳定化试验。采用双区扩散理论为基础，经相关近似处理后， 推导出适用于多层覆盖体系和单层覆盖体系的覆盖层厚度只与表面氡析出率 ， j ，之间的数学关系式：茸b i n ；去+ a ，试验表明，该关系式用于工程实际 u ， 是合理和可行的。 进行了红壤、腐殖土和煤渣等三种覆盖材料不同覆盖密度和不同覆盖厚度 下氡析出率和贯穿辐射剂量率的监测，研究覆盖密度及气象因素对氡析出率和 贯穿辐射剂量率的影响及变化，以及覆盖厚度与氡析出率之间的定量关系。 将一定密度和厚度为8 0 c m 的三种覆盖材料分别覆盖在相应的试验场地，并 在覆盖物表面栽种植物，进行喷淋试验，植物根系和渗透液检测，分析植被及 降水在不同覆盖材料中对相关核素的吸收及渗透迁移影响。 试验表明，覆盖物密度和覆盖层厚度越大，氡析出率和贯穿辐射剂量率越 低，但有一个适宜的厚度。红壤和煤渣的氡扩散系数比腐殖土要小，降氡效果 较好。风速、气温、大气压、空气温度及降雨等气象因素影响氡的扩散系数， 使氡的析出率发生变化。植物对特征核素的吸收有限，雨水渗透带出的离子和 核素有限，表明植被和雨水未形成对放射源转移的潜在危害，覆盖治理铀矿废 石堆具有良好的稳定性。利用固体废物煤渣作为覆盖材料，为铀矿废石堆治理 提出了一种以废治废的经济有效方法。 本研究对我国铀矿地质系统废石堆的退役整治具有借鉴作用和参考价值。 关键词：铀矿废石；覆盖材料；覆盖厚度；氡析出率；稳定化 a b s t r a c t a b s t r a c t f o rm a n yy e a r s ，i nt h eu r a n i u mm i n ee x p l o r a t i o nc o u r s e ，o u rc o u n t r yh a s p r o d u c e dm a s s i v er a d i o a c t i v eu r a n i u mm i n es c r a pr o c k f o rt h eh i s t o r i c a lr e a s o n ，t h e m a j o r i t yo fs c r a pr o c k si sn o ta tt h eg o v e r n m e n tc o n d i t i o nc o n t i n u o u s l y t h e s e u r a n i u mm i n ew a s t es t o n ep i l e sa r ea f f e c t i n gt h el o c a le c o l o g i c a le n v i r o n m e n ta n d i n h a b i t a n t sh e a l t hs e r i o u s l y s ot h eu r a n i u mm i n er a d i o a c t i v i t yw a s t es t o n ep i l e r e t i r e m e n ti m p r o v e m e n to ft h eg e o l o g i c a ls y s t e mh a sb e c o m ea u r g e n tw o r k i nt h i sp a p e r , t h eo b j e c to fc o v e rt e s ti st h ek d - 8w a s t er o c kp i l e so fx xm i n eo f x xd i g g i n g s t h r e et e s t i n gs i t e sa r ec h o s e no nt h et o ps u r f a c eo fk d - 8 t h el a t e r i t i c s o i l ，h u m u ss o i la n dc i n d e ra r eu s e da st h ec o v e rm a t e r i a l st oc o v e ra n ds t a b i l i z et h e s e t e s t i n gs i t e s ，r e s p e c t i v e l y t h er a d o n - a t t e n u a t i o nm o d e li sb u i l to nt h eb a s i so ft h e ， d o u b l e 删g0 n 击f l u 豇o n 恤。r yw i t ht h e 酊m p n 6 e df 0 1 t n u l a 鼍扭1 1 1 南州， w h i c hi sa d a p t e dt ot h em u l t i c o v e r a g es y s t e m sa n ds i n g l e - c o v e r a g es y s t e mf o r c a l c u l a t i n gt h er a d o nr e l e a s er a t ejt f o rv a r i o u sc o v e rt h i c k n e s sxc r e s u l t s i n d i c a t et h a ti ti sr e a s o n a b l ea n df e a s i b l et ou s et h ef o r m u l at oe v a l u a t et h ep r o j e c t p r a c t i c e t h ec o v e rm a t e r i a l s 、 ，i t l ld i f f e r e n tc o v e rd e n s i t ya n dc o v e rt h i c k n e s sw e r eu s e d t om o n i t o rt h er a d o nr e l e a s er a t ea n dt h eg a m m ar a d i a t i o nd o s er a t e ，t oa n a l y z et h e e f f e c ta n dt r e n do fc o v e rd e n s i t yo nt h er a d o nr e l e a s er a t ea n dg a m m ar a d i a t i o nd o s e r a t ea n dt oa n a l y z et h eq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec o v e rt h i c k n e s sa n dt h e r a d o nr e l e a s er a t e 1 1 l et h r e ec o v e rm a t e r i a l sw i t hc e r t a i nd e n s i t ya n d8 0 c mt h i c k n e s sw e r eu s e dt o c o v e rt h et h r e et e s t i n gs i t e s ，r e s p e c t i v e l y 1 1 l ep l a n ti sp l a n t e do nt h ec o v e rs u r f a c ef o r s p r a yt e s ta n dr o o ta n dp e n e t r a t i n gf l u i dd e t e c t i o n t h ee f f e c t so ft h ev e g e t a t i o na n d p r e c i p i t a t i o ni nd i f f e r e n t c o v e rm a t e r i a l so nt h ei n f i l t r a t i o na n dm i g r a t i o no ft h e r e l a t i v en u c l i d e sw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h el a r g e rt h ec o v e rd e n s i t ya n dt h i c k n e s sa r et h es m a l l e r t h er a d o nr e l e a s er a t ea n dt h el e v e lo fg a m m ar a d i a t i o n , b u tt h e r ei sar e a s o n a b l e c o v e rt h i c k n e s s 1 1 1 er a d o nd i f f u s i v i t yo ft h eh u m u ss o i li sg r e a t e rt h a nt h e s eo ft h e l a t e f i t i cs o i la n dc i n d e r , s oi t sr a d o nr e d u c t i o ni si e s se f f e c t i v e t h em e t e o r o l o g i c a l p a r a m e t e r s ，s u c ha s 、) ，i n ds p e e d ，t e m p e r a t u r e ，a t m o s p h e r i cp r e s s u r ea n do t h e r s ，h a v e a b s t r a c t d i s s i m i l a ri m p a c to nt h er a d o nr e l e a s er a t e t h er e l a t i v en u c l i d e s a b s o r b a b i l i t yo f t h ev e g e t a t i o n sa n dt h er a i n f a l lp e n e t r a t i o na r es l i g h t l yd i f f e r e n ta n dv e r ys m a l l ， w h i c hi n d i c a t e st h a tt h e r ei sr i op o t e n t i a lr a d i o a c t i v eh a r mt ot h ev e g e t a t i o na n d r a i n f a l l t h e r ei sag o o ds t a b i l i t yo fc o v e r i n gd i s p o s i n gu r a n i u mm i n ew a s t er o c kp i l e s n l eu s eo fs o l i dw a s t e sa sc o v e rm a t e r i a l sf o rt h eu r a n i u mm i n er a d i o a c t i v i t yw a s t e s t o n ep i l em a n a g e m e n tp r e s e n t sa ne f f e c t i v em e t h o df o rt r e a t i n gw a s t ew i t hw a s t e t h er e s e a r c hh a sp o s i t i v eg u i d a n c ea n dr e f e r e n c ef o rt h eu r a n i u mm i n e s d e c o m m i s s i o n i n ga n dd i s p o s a li no u rc o u n t r y k e y w o r d s ：u r a n i u mw a s t er o c k ，c o v e rm a t e r i a l ，c o v e rt h i c k n e s s ，r a d o nr e l e a s e dr a t e ， i l i z a t i o n i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位做作者签名( 手写舯字日期弦7 年i 明；d 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太茔有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名匆渺导师签名：描怨 签字日期：如。) 年f 明3 d 日 签字日期：刃矽7 年2 月夕。日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 1 1 1 课题背景 自然资源与生态环境是人类赖以生存的物质基础，遵循科学发展观，开展 铀矿地质勘探设施退役整治工程，保护好生态环境，使人口、资源、环境协调 发展是我国现代化建设与环境保护的重要任务之一。 世界核电业的蓬勃发展和军工的需求，已产生了大量的掘采、选矿核废物， 至2 0 0 5 年的统计表明，在世界范围内已经产生了x x m 3 的尾矿( 包括废石) ，这 些废石和尾矿中的辐射剂量取决于其中放射性核素的含量，通常在1 1 0 0b q g - 1 之间变化。 x x 地区是我国重要的铀成矿区，四十多年来( 主要是上世纪六十、七十年 代) ，在x x 地区从事铀矿普查勘探的专业地质队伍共投入钻探工作量约x x m 、 硐探约x x m 、槽探约x x m 3 ，为我国核工业的发展，作出了重大贡献。铀矿普 查勘探工作在取得优异成果的同时，也带来一定的环境问题，如堆积地表的废 ( 矿) 石和排放的废水，不同程度地污染了地表、农田和水体。已挖掘的坑( 井) 口，由于误入( 或坠落) 而给人畜带来一般性安全危害和放射性危害，其中堆 积于地表的副产矿石，铀品位约在0 0 l 以上，极个别的达到1 。这些危害因 素给环境带来负面影响，危及公众的安全，必须予以治理i l 】。 铀矿地质系统在详查和勘探阶段所产生的放射性废石具有以下特点1 2 】： ( 1 ) 废石放射性强度极不均匀 在我国早期的铀矿地质勘查过程中，正常围岩废石与副产品矿石基本上未 分开堆放。废石与含有铀矿的副产品矿石混杂在一起，这样倾倒废石直至坑道 施工完毕，结果造成废石堆中放射性强度极不均匀，无疑也增加了放射性废渣 治理工作的难度。 ( 2 ) 废石中放射性核素的半衰期长 铀矿地质系统的废石中存在着铀和钍等长寿命放射性核素，这些核素有的 半衰期长达数百万年【3 1 。 第l 章绪论 ( 3 ) 废石分布范围广 我国目前所发现的铀矿床般具有规模小、品位低、分布广的特点( 4 j ，分布 在多个省、市、一治区，从它们在我囤的分布情况p 】上看，7 0 0 旷8 0 在潮湿多甫 的山区和匠陵地带，2 0 a 一3 0 在十早寒冷地区。而这些废石报多都堆放在山村 农l 周尉，长期经受肛【蚀阿淋，流失严蕈严重危害人民群众的生产q 二活，l 司 时对周围农田、江河、湖泊和草原等造成不同程度的污染。有的渣堆山r 受洪 水冲刷淤塞河流，毁坏农用，直接影响农业生产【6 l 。圈ll 所示为需治理的废石 堆现状，从图11 中可以看出废右已经发生了流失，地表植被受到了破坏，严 重影响区域环境。 削i l废( 矿) l i 堆现状 f i g l 1s m t mo f w a s t er o c k p i l e s 国家对核设施退役工作极为重 ；冕，于“八五”和“ f ”期间先后蜜排 资会，按照“轻、重、缓、急”的j 糸则，对x x 地区部分铀矿地质勘探设施进行 了退役整治，j 治理矿床、矿( 化) 点x x 个、封堵坑口x x 个、治理废( 矿) 石 x x t 、退役实验宣x x 个，经退役整治的核设施基本达到了治理要求，消除了一般 性安全危害和放射性危害取得了良好的社会效益和环境效益。x x 地区在完成 上述两期退役整治之后根据粗略统计，尚遗留有x x 个铀矿( 床) 点、) ) ( 个坑 第1 章绪论 井口、x x t 废石及探槽、剥土等其它些待退役整治的勘探设施。 1 1 2 研究意义 在核设施退役过程中治理难度最大、工作量最多的是含放射性废石堆的整 治，其单项治理工作量占工程总量的7 5 一8 0 ，经费占总经费的7 0 以上。而 废石堆所采取的治理方法将直接影响到工程的投资及治理的效果。 废石堆的氡析出率常常超过o 7 4 b q n 1 2 s 1 的国家管理目标限值。废石堆的主 要危害主要表现在： ( 1 ) y 辐射 y 辐射主要是钍的衰变结果，而钍是铀的衰变子体，因此在铀矿废石堆中， 钍是较丰富的，铀矿废石堆中钍的活度为3 9 3 b q g - 1 。大部分废石堆的贯穿辐射 水平都超过勘探矿区本底水平的数倍甚至数十倍。 ( 2 ) 氡气的析出 氡是一种惰性的放射性气体，其半衰期仅3 8 天，是一种重要的致癌物。研 究表明氡气浓度每增加1 0 0 b q m 。3 ，肺癌风险增加1 6 ，氡也是铀衰变得到的子 体，氡气通过扩散从废石堆中进入大气。 ( 3 ) 放射性粉尘 在风力的作用下，废石堆表面的含放射性核素和重金属的土壤进入大气， 形成气溶胶或大气降尘，从而使放射性核素和重金属扩散，危害生态环境。 ( 4 ) 废石堆浸出液 在废石或尾矿堆中，铀核素呈u 4 + 或u 6 + 形式存在，u 4 + 以u 0 2 形式存在，但 在氧化环境中，易氧化成u 6 + ，而u 6 + 是呈易溶的u 0 2 2 + 状态，在废石( 尾矿) 堆 中，u 0 2 2 + 主要被吸附于f e m n 的氧化物表面，或形成铀酰碳酸盐、铀酰磷酸等 沉淀而被固定在废石堆中，部分2 呈_ u 0 2 2 + 的游离态或可溶态存在。 由于废石堆中常含较丰富的硫化物和重会属元素，硫化物的风化导致孔隙 水和地下水的酸化，从而加速放射性核素和重金属的释放。因此，废石堆浸出 液通常是富含放射性核素和重金属的酸性水。与一般矿山不同的是铀矿山废水 污染的一个重要特征是除含有锡、锰、锌、铝、铬、铅和硫酸根等有害有毒物 质外，还含有铀、钍和镭等放射性元素。 废石堆退役治理的目的：保持废石场长期的稳定，防止由于自然力或其他 原因引起塌垮流失，造成环境污染事故，同时恢复当地的自然生态环境。尽可 第1 章绪论 能合理的降低公众的辐射剂量，使退役整治后各单项工程的相应指标低于国家 和有关部门颁布的相应标准。治理后的环境质量与公众安全，应符合国家和有 关部门颁布的各项规定、标准和规范，防止水土流失、恢复自然地貌。 废石场的退役整治一般需要达到有限制开放使用深度：进行覆盖、植被与 稳定化处置，设立警示牌，以达到控制贯穿辐射剂量率和表层土中2 2 6 r a 核素含 量以及抑制2 2 2 r n 析出的治理目的，退役治理后不得随意破坏和变动退役整治设 施。对于具备施工条件和运输条件的废石场，经过技术经济比较，或采取原地 治理达到有限制开放使用的深度：或采取完全挖除、迁移和集中的方案，实施 后其原址的退役整治将达到无限制开放使用的深度。 为稳定废石场、抑制2 2 2 i u 析出和屏蔽贯穿辐射水平，目前华东地区废石治 理方案有l i j ： ( 1 ) 收集撒落废石，平整坡面，消除土包，削坡并设马道，然后压实坡面； ( 2 ) 在坡脚及沿废石场两长边砌筑挡土墙以稳定废石场； ( 3 ) 在坡顶砌筑截水沟，以防洪水冲刷废石场，在马道设置边沟以防坡面 雨水侵蚀； ( 4 ) 分层覆土压实，覆土厚度达到相应设计厚度，以达到抑制2 2 2 r n 析出 和屏蔽贯穿辐射水平的治理要求： ( 5 ) 坡面采用植草护坡或采用浆砌片石截水骨架护坡进行防护，最后种树 植被、设立警示牌。 废石场的挡渣墙、护坡和截水沟等工程稳定期为1 0 0 年。 铀矿山废石和铀水冶尾矿中的污染物易通过降水入渗、氡析出、侵蚀、冰 冻、植物根系侵入和动物掘洞而释放。因此，应设置覆盖层，覆盖要达到如下 目的：抑制氡析出、屏蔽贯穿辐射；防止植物根系和动物侵入；防止冰冻和曝 晒产生裂缝；防止地表水及降雨侵蚀及风蚀；减少降水入渗。一般来说，尾矿 覆盖层概念从下往上通常应包括下列功能层：氡屏蔽层、排水层、防渗层、生 物阻挡层、根系扩展、冰冻防护层、侵蚀防护层、植物生长层和植被层。不同 场址可根据具体情况对上述覆盖层概念进行调整，如气候温暖地区没有必要设 置冰冻防护层；当氡屏蔽层以上各层厚度达到足以将氡析出和辐射水平降到管 理目标限值以下时，氡屏蔽层可以减薄或省去。覆盖层概念是随着认识的提高 和研究的深入而不断完善的。例如，美国早期覆盖层概念仅有氡屏蔽层和乱石 防侵蚀层，中期在氡屏蔽层和乱石层之间增加了冰冻保护层，最终发展到上述 4 第1 章绪论 覆盖层概念【7 j 。 从以上方案可以看出，废石堆整治的关键步骤就是建立覆盖层及其稳定化， 其使用的覆盖材料、层次数及覆盖厚度都直接影响到治理效果的好坏和经费开 支的大小。因此探索研究适合于x x 丘陵、高山地区坡度大、水系发达、年降雨 量大等地理气候特点的废( 矿) 石堆覆盖方案和最优化覆盖模型，进行种植模 式的推荐和施工工艺及养护技术的确定，以此为双地区铀矿勘探遗留设施退役 治理的设计和实施提供工程应用技术方案选择，使今后的设计方案能更加有效 和经济，实施后还华东地区一个山川秀美的环境，给居民一个放心的生产和生 活环境，同时也可以为今后类似地区的退役治理，提供可供借鉴的工程应用技 术和治理模式。课题的实施不仅符合x x 地区的发展目标，还对x x 地区“十一 五、 “十二五 放射性环境整治具有借鉴作用。 1 2 铀矿地质勘探系统废石堆与相关治理技术的现状及发展趋势 1 2 1 概述 目前国内对铀矿勘探系统废石堆的退役治理工作，综合运用回填、覆盖与 封堵的方法，建挡渣墙与护坡的稳定化措施，多种形式的覆盖方案和强化恢复 植被等办法1 9 l 。 国际上各产铀国的矿区多数位于低海拔地区，其治理方法【1 0 l ：美国【l i l 采用 安全封存、拆除、集中、浅地层覆盖等方法；澳大利亚i l2 】多采用集中后水覆盖、 土覆盖和回填等方法；俄罗斯【1 3 】除上述常规方法外，还有利用磷肥废渣等其它 材料进行覆盖，美国、澳大利亚也有用土以外的其它物质作为覆盖材料，如岩 盐、活化沥青等。 放射性废石的治理，首先是消除铀矿石中释放出的放射性气体氡及其子体 对人的危害，防止铀矿石中铀元素淋失进入水体中，降低铀矿石中的y 辐射对 人的健康影响。其次为防止露天堆放的放射性废石被山洪和地表径流冲刷，流 失扩大污染范围。为达到治理放射性废石保护生态环境的目的，通过近十年的 实践，我国治理放射性废石堆的方法可归纳为：拦、清、填、封、疏、盖、植 七字治理方法，具体如下： ( 1 ) 封：封堵坑道口，阻隔氡气和废水的外排。根据坑道涌水量的大小选 择单层或双层封闭法，一般无积水的情况下采用单层坑口封闭法，有流水的情 第1 章绪论 况下采用双层坑口封闭法；根据坑道中流出物的酸碱度来确定所需的水泥【l 4 1 。 ( 2 ) 拦：筑墙拦渣，毛石筑坝挡渣以稳定废( 矿) 石堆。防止副产矿石及废 渣沿沟谷、山坡等堆放，雨水的侵蚀、淋滤及洪水的冲刷，使废渣和副产矿石 大量流失，污染环境。 ( 3 ) 疏：修排水沟将地表水进行疏导以免冲刷废( 矿) 石堆和减少废( 矿) 堆的 淋浸水。 ( 4 ) 填：选铀含量较高的矿石回填至坑( 井) 内。 ( 5 ) 清：清挖流失的废( 矿) 石回填坝内，减少污染面积。 ( 6 ) 盖：用黄土或风化土覆盖废( 矿) 石堆，从而减弱氡气析出、屏蔽贯穿 辐射，将有害物质与周围气、水环境阻隔；减弱降落在尾矿堆上的雨水或地表 径流对尾矿堆的侵蚀；减少风对尾矿堆的侵蚀；减少氡气从尾矿堆中的析出； 阻滞雨水渗入尾矿堆中淋失放射性元素并带入其他水体中，为以后植被绿化打 基础。 ( 7 ) 植：覆盖层上植被绿化，防止覆盖层流失，改善生态环境，种植草皮 和小灌木以还原大自然原有景观，同时使得废石堆不直接被雨水冲刷，维护治 理工程的稳定性。 拦、清、填、封、疏、盖、植七字治理方法主要是对放射性废石堆围盖， 封闭坑道，从而减少有害气体扩散进入空气，降低贯穿辐射强度，阻止雨水渗 入和废水流出携带有害元素进入水体，切断其污染通道；修筑拦渣坝或拦渣墙， 阻挡放射性废石堆因坍塌而扩散；覆盖土层有利于植被绿化。该治理方法是自 2 0 世纪9 0 年代以来，对铀矿地质系统勘查工程退役后的环境治理工作的实践和 总结出来的，使得对放射性废渣石治理工作步入规范化、制度化，为治理铀矿 普查勘探期间遗留问题以及为今后新的铀矿地质勘探工作的环境保护打下了基 础。但长远来说，由于各种自然环境因素( 温度、湿度、p h 、e h ) 及交通、生 产、人流和物流等社会环境变化快，直接影响到需要控制的核素的迁移行为， 经过较长时间后，放射性废渣堆中的核素有可能由于水循环系统作用迁移到人 类的生活环境中，不能有效阻滞核素的迁移。针对这一问题，我们提出了用地 球化学工程学的方法阻滞放射性核素的迁移，使其固定在某一安全区域，避免 对环境及人类生活造成不利影响。 6 第1 章绪论 1 2 2 废石覆盖及相关治理技术的现状及发展 铀矿山产生的废石、尾矿和露天采场废墟等固体污染源的治理工作要贯穿 在矿山开采前、开采时及退役后。矿山设计时应全面规划，合理布局排土、废 石场和尾矿库，既方便退役时的回填和处置，又便于矿山运输、堆放和管理。 开采后应尽量减少排土、废石和尾矿等的产出率，加强对废石和尾矿等的管理， 使其在役期间对环境的影响降至最小。 铀矿山废石及部分尾矿应尽可能用来充填地下采空区或露天采场废墟，减 少地表的堆存量，减轻环境污染，这是铀矿山废石无害处理的重要途径。在没 有充填条件的矿山，应建造安全可靠的废石场，而细尾矿及堆浸尾渣经过中和 处理后应堆积在专门建造的尾矿库中。 当废石、尾矿堆积和回填满了以后，应采用各种物理、化学和综合的方法【l 5 】 治理废石场、露天采场废墟和尾矿库。覆盖是铀矿山固体废物退役的必备治理 方法【1 6 1 。常用的覆盖材料有黄土、塑料蒯1 7 】、土工膜、混凝土和沥青等，有人 用不同覆盖材料进行了对氡的屏蔽效果试验，试验结果见表1 1 【l 引，该表给出了 不同覆盖材料的降氡效果。其中混凝土和沥青有较好的降氡效果，降氡效率分 别达9 6 6 和9 9 6 ，2 c m 厚的混凝土相当于l m 厚的黄土层，l c m 厚的沥青相当于 2 m 厚的黄土层，但因造价和施工等原因，目前仍广泛使用黄土作为覆盖材料。 表1 1不同覆盖材料的降氡效果 t a b l 1r o d o nr e d u c i n ge f f e c to f d i f f e r e n tc o v e rm a t e r i a l s 湖南工业无纺布厂采用聚酯长丝针刺土工布与聚乙烯塑膜热压粘合成的复 合土工膜【1 4 1 ，其渗透系数为1 0 。1 1m s 。这种材料强度高、耐穿刺、防腐蚀， 可被视为一种非常优良的屏蔽性材料，适用于覆盖铀废石场，达到抑制氡析出 7 第1 章绪论 的目的。实验证明该复合土工膜抑制氡析出效果好。氡析出率的国家管理目标 限值为0 7 4b q m 也s 1 ，湖南某铀矿废石场用黄土覆盖后氡析出率为 0 4 7 5 b q m 之s 一，而用复合土工膜覆盖后氡析出率为0 0 3 1b q m 。2 s ，仅为 国家管理限值的4 1 8 。 化学法是用化学物质与尾矿砂发生反应，形成一种抗风、防水的硬壳，防 止扬尘和尾砂流失的方法。常用的化学物质有：树脂黏合剂；含钙、铵、 钠的物质；石灰浆和水泥；硫酸处理过的黄铁矿等。 防氡密封剂【6 】喷洒在矿岩表面，使之形成一层密封膜，从而起到降低氡析出 率的作用。铀矿山常用的几种防氡材料女1 1 7 1 0 9 、7 1 5 0 、偏氯乙烯共聚乳液、多 硫共聚物和水泥砂浆等，其防氡效果在5 5 - 9 7 ，但在具体的应用时应考虑 到防氡覆盖材料的毒副作用，在同等覆盖效果的前提下尽量选用毒副作用小的 防氡覆盖材料。喷涂防氡层在室内环境治理上和矿井氡气治理中有所应用，但 限制其广泛应用的主要因素就是费用高昂，用于废石堆治理经济代价过高。 覆盖后栽种植物是最常用的一种防氡治理方法，是在露天采场废墟、废石 场和尾矿库等黄土覆盖的表层种上植被的方法，可以有效地保护覆盖层，改善 生态环境面貌。一般选用的草种有连根草、假俭草、其他耐旱植物或灌木，如 旱快柳、穗槐和沙打旺等耐旱、耐贫脊的植物。 覆盖材料的厚度，核工业铀矿开采研究所吴桂惠、周星火【旧】根据双区扩散 理论，结合在七一二矿的现场实验，采用了归一化的方法推断实验地点原始氡 析出率，通过不同覆盖厚度下覆盖前后的氡析出率，导出了覆盖材料扩散系数 ， 的计算式为：d c = 从，( 1 n 鞠，满足标准要求的氡析出率o 7 4 b q m - 2 s 一的覆 ，o 厂= _ = 一 盖厚度计算式：x ，生l n l ；核工业总公司7 2 1 矿的吴卫红和夏登桂【2 0 】采 。 v 力0 7 4 用多孔介质双区扩散理论，通过对7 2 1 1 8 废石场的现场试验，求出满足合理的覆 盖厚度以及不同覆盖厚度对降氡的效果。 若尔盖高原地区铀矿勘探遗留设施治理与植被恢复技术研究1 2 l 】中，针对高 海拔、高寒地区，气候变化剧烈，生态环境脆弱和植被恢复难等特点，选用土 源、小颗粒围岩、熟土、化学树脂和砾石作为覆盖材料，测量覆盖材料厚度为 l m 、0 8 m 、0 6 m 、0 4 m 、0 2 m 时的贯穿辐射剂量率和氡析出率。 近年来，越来越多的地球化学工程学方法被研究出来，并在工业界和环境 第1 章绪论 治理与管理中得到应用【2 】。例如：g a b a l l a h 和k i z b e r t u s t 2 2 】提出，借助树皮中的螯 合有机分子从被污染的流体中提取重金属，是一种有效的方法。h a g e t 冽等讨论 了借助纤维素的还原作用从蒸压釜的流体中移离重金属的方法。z e v e n b e r g e n t ：z 4 】 等研究了城市废弃物焚烧时产生的人工玻璃质经自然风化变成粘土矿物的过 程，以及这种风化过程与重金属淋滤的联系。m e i m a 和c o m 锄s 【2 5 j 阐明了新生产 物、共沉淀作用和吸附作用对s b 从焚灰中淋滤的影响。s t e e n b r u g g e n 和h o l l m a n 2 6 】 探讨了沸石的人工生产及其用作分子筛和过滤器的问题。b r o e k m a n s 【2 7 】以与砂岩 的天然成岩作用相对应，讨论了因砂岩砾的风化使混凝土退化变质的问题。 d i n g l 2 剐等人研究的通过将多种类型的活性废弃物混合，引发固相沉淀并充填孔 隙空间，而使废物堆自封闭的课题。s p e c k 【2 9 】等讨论了通过将废硫酸灌入地下灰 岩体使之中和的可能性，该方法会造成体积庞大的石膏，并可能导致地下岩石 的膨胀，使地面隆起。j o n c k b l o e d t ( 3 0 1 证明，废硫酸也可用镁质硅酸盐( 橄榄石) 充分地中和，同时可产生非晶硅石等有用的产品。地球化学工程学在工业和环 保领域的应用实践充分展示了地球化学工程学工艺的效益及其产业化的前景。 根据i a e a 推荐，低浓度含铀废水是指其放射性活度浓度范围在3 7 - - 3 7 1 0 5 b q l 1 ，所含放射性元素为铀，一般还含有钍、镭等放射性元素和重金属等 其他污染物质的废水，该废水亦称低放废水。废水中的铀一般呈六价形式( u 0 2 2 + ) 存在，当硫酸铀酰在p h 0 的不可观测的随机变量。 该模型称为线性回归模型，x 为自变量，】，为因变量。简单线性回归模型 包含下列基本条件： ( 1 ) 模型中的系数风、届是线性的； ( 2 ) 自变量x 是确定的，无误差的随机变量； ( 3 ) 因变量y 为随机变量，一般假设它对每个固定的x 都是正态的； ( 4 ) 随机误差s ，是独立的，也即是两个随机误差之间的协方差等于0 ； ( 5 ) 随即误差的均值为零； ( 6 ) 的方差对f - 1 ，以恒相等； ( 7 ) e 是观测值j ，中与自变量无关的部分。 以上这些基本条件对于简单线性回归模型都很重要，应尽量保证它们在所 建立的模型中得到满足。但是在实际问题中往往很难使上述各条件都满足。这 第2 章覆盖试验物理模型及数据处理方法 门风+ 屈一= 乃 成+ 届# = x i y ， j 如鬟i 器 p 2 9 ， ：1 - 型 、 第2 章覆盖试验物理模型及数据处理方法 当r 2 = 1 ，表明误差平方和等于0 ，即y 百分百地为x 所说明，若其等于o ， 说明y 与x 无关。在实际工作中，这两种情况很少见，一般地尺2 是在0 到1 之 间变化的数，需要指出的是，由( 2 2 9 ) 得到的r 2 值往往偏高，因此有必要对 其进行修正，将自由度考虑进去，修正后的拟合度表达式为： n l 一蛩二塑娑二垄( 2 - 3 0 ) ：( j ，一y ) 2 ( 以一1 ) 以相关系数为基本内容的分析叫相关分析，该分析方法在只要了解两特征 相互关系的密切程度的情况下是恰当的，相关系数的理论值一般是无法了解的， 只能利用有限的样本来对它进行估算，假设有珂对观测数据( ，y ，) ，f = l ，刀， 相关系数估算，可由下式计算： ，：丝兰丝尘( 2 一- 3 ，= ；= 兰宝兰i - = = = = = = = = = = = = = = = =(1 ) ( x - - - ) 2 ( y 一歹) 2 相关系数，可正可负，当它为正时，表明一个变量增加时，另一个也平均的 增加；若，为负，情况刚好相反。相关系数与拟合度之间的关系式为： r = r( 2 3 2 ) 2 3 小结 ( 1 ) 从介绍氡的一般性质以及影响它分布的因素开始，对覆盖试验模型进 行简单介绍和对基于双区扩散理论的覆盖厚度的公式进行了推导，得出本课题 中覆盖厚度五与氡析出率以之间的近似普适关系式：鼍召h 云云+ 么。 ( 2 ) 根据覆盖厚度与氡析出率之间的关系式，介绍了有关简单线性回归分 析的数据处理方法。 第3 章 试验内容及研究方法 第3 章试验内容及研究方法 3 1 试验源项 3 1 1 试验源项的基本特征 x x 矿田工作区共有四个工区，共设废石堆x x 个，占地面积x x m 2 ，总废 石量达x x t 。x x 矿田工作区x x 矿区的废石场基本情况如下表3 1 。 表3 1x x 矿区废石场参数 t a b3 1p a r a m e t e r so fx xd i g g i n g sw a s t er o c kp i l e s 本试验涉及的源项是具有放射性的物质，在试验过程中应尽量减少放射性 污染的潜在可能性，因此，放弃了将放射性废石运到江西省核工业环境监测中 心做实验的思路，而是在废石场所在地点进行试验，这样就不用考虑因放射性 废石运输所带来的各种问题，以及试验结束后覆盖源项的处置和放射性污染场 地的清理等一系列问题。从表3 1 可以看出，x x 矿区的四个废石场的废石量彼 此相差很多，但都具备了在废石场顶部进行本试验的条件，经综合考虑了各方 面因素后，本试验的源项取自k d 8 废石场上的废石，而试验场地就设在该废石 场的顶部。在堆顶分别划分3 m x 3 m 的3 块废石堆地作为试验场地，为了防止 相邻试验场地之间渗透液的横向扩散和该废石场的其它废石的渗透液对相关试 验场地的影响，在试验过程中对各试验场都做深防渗隔层。同时为了便于渗透 液的收集，分别在每个试验场地的废石层下2 r n 处凿一导液孔。 在进行覆盖试验前，于2 0 0 8 年5 月2 0 日对这三个试验场地分别进行了氡 析出率和贯穿辐射水平监测，每个废石场各监测了7 个氡析出率值和9 个贯穿 第3 章试验内容及研究方法 辐射剂量率值，其监测结果的平均值见表3 2 。同时记录了当时的气象参数：气 温2 5 ，风速2 3 m s ，气压1 0 1 7 k p a ，相对湿度为5 7 。 表3 2 试验场地的辐射背景值 t a b3 2v a l u e so fr a d i o a c t i v eb a c k g r o u n di nt h r e et e s t i n gs i t e s 试验场地编号 鍪b q 篓m 避暑s贯薯黜! i l 旱斛 一。 l u 。u v l 撑 1 4 58 7 2 撑1 6 89 2 3 撑1 7 07 9 在表3 2 中，1 撑试验场地将在覆盖试验过程中采用红壤作为覆盖层；2 撑试验 场地采用在当地自制的腐殖土( 将落叶、杂草及污泥等按一定比例混合而成) 作为覆盖层；3 群试验场地采用当地的煤渣作为覆盖层。 3 1 2 源项所在地周边环境及社会概况 x x 矿田工作区为一中央高而四周低的中山低山丘陵区，中央主峰x x 海拔 高程1 2 1 9 2 m ，其次是x x ( 海拔1 0 7 0 8 m ) ，约占全区面积的1 8 ，其四周海拔较 低，一般在2 0 0 - - - 4 0 0 m 上下，谷底标高约8 0 1 0 0 m 。山坡较陡，河流切割明显。 该矿田工作区位于x x ，处在x x 。其矿田内的地层由基底和盖层火山岩系两部 分组成。x x 矿床属火山熔岩亚型。 x x 矿田工作区地处中亚热带湿润季风区，气候温和，雨量丰沛，光照充足。 四季分明，夏冬长，春秋短。四季气候的特点是：春寒、夏热、秋燥、冬冷； 春末夏初阴雨连绵，伏秋多干旱；无霜期较长，冰冻期短。多年平均气温1 7 ， 最高气温3 9 5 ，最低气温9 8 ，平均相对湿度8 2 ，年平均降雨量1 8 0 0 r a m ， 年最大降雨量2 4 1l m m ，年最小降雨量为11 0 0 1 2 0 0 m m ，年平均风速1 6m s ， 最大风速2 8m s 1 ，主导风向为n n w 方向。矿区地表水系较发育，山涧小溪以 中央为分水岭，向四周呈放射状分布。 x x 矿田所属的地理位置是x x 与x x 两县的交界处，其中，x x 县全县总面 积2 4 1 3 k i n 2 ，人口密度1 5 0 人k m 2 ，人口约3 5 5 万，人口自然增长率8 3 0 。 x x 县全县总面积1 5 2 0k m 2 ，人口密度2 0 1 人k m 2 ，人口约3 2 0 万，人口自然增 长率为8 7 1 o 。工作区内人口的分布与地形、气候及交通有关，主要分布在县 城、乡镇、矿区及周围，山区内部为狭窄的平坦地，有少量居民点。区内人群 第3 章 试验内容及研究方法 健康状况良好，无特殊和突出的地方病。 3 2 覆盖材料的确定 本研究中在选用覆盖材料时，参考了大量文献材料，选取几种常用的材料 ( 如红壤、塑料膜、复合土工膜、混凝土、沥青、煤渣和腐殖土等) 进行比较 分析。综合对比分析几种常用的覆盖材料，选取几种常见易得、价格低廉、适 合大规模使用的材料作为本课题试验研究的覆盖材料。综合对比结果见表3 3 。 表3 3 各种覆盖材料综合对比结果 t a b3 3t h er e s u l t so fc o m p r e h e n s i v ec o m p a r i s o no fv a r i o u sc o v e r i n gm a t e r i a l s 从表3 3 的分析结果得出，塑料膜、复合土工膜等覆盖材料能有效降低氡析 出率，但屏蔽贯穿辐射较差，需覆盖土层，大面积的施工难度大；混凝土、沥 青等材料的降氡及屏蔽贯穿辐射价格昂贵，不利于植被绿化及长期稳定废石堆； 红壤、煤渣及腐殖土等材料价格低廉易获取，施工简单，植被绿化后能有效增 加废石堆的稳定性。 因此，本课题试验研究所采用的覆盖材料包括红壤、腐殖土和煤渣，其中 红壤取自于矿区所在地，腐殖土由自己配制而成，主要是将落叶、杂草和污泥 按一定比例混合而成，煤渣则就近从当地一些有燃煤锅炉的单位获得。这些材 料的一些重金属含量和辐射水平经监测得其结果分别见表3 4 ，其监测时间和气 象条件与试验场地覆盖前的监测相同。覆盖材料的选取应能满足其辐射水平与 第3 章试验内容及研究方法 当地本底水平相当。表3 5 列出了矿区所在地区土壤和水体的辐射本底值【碉。 表3 4 覆盖材料的辐射水平及非放核素含量 t a b3 4r a d i o a c t i v el e v e la n dn o n r a d i o a c t i v