1 云南煤矿资源概述

煤中铀的来源不是形成煤的原始植物, 铀是煤的后生组分。煤对铀的吸附、还原作用说明铀在煤中聚集的有机化学原因。在成煤植物的煤化、变质过程中, 腐植酸含量较高, 当含铀水溶液流过煤层或泥炭沼泽地带时, 煤中有机质可使铀固存下来。古生代煤层由于煤的变质程度很深, 煤中固定铀的有机质大部分遭到破坏而失去固定铀的能力, 固年代古老的海相沉积煤很少有铀矿化。中生代特别是新生代煤层, 多属于湖相沉积类型, 煤的变质程度较浅, 煤中有机物固定煤的能力较强, 故铀煤共(伴)生矿床主要产于陆相沉积的构造中, 铀矿化发生于变质程度较浅的晚期含煤盆地中^[1]。我国已发现煤炭资源总储量为10142亿t, 按变质程度分, 低变质烟煤占34%, 中变质烟煤占33.2%, 贫煤、无烟煤占18.8%, 褐煤占14%。云南累计探明煤矿储量244.0亿t, 其中:褐煤154.4亿t, 烟煤42.9亿t, 无烟煤41.8亿t, 其他1.5亿t^[2]。

云南煤炭具有类型、煤种齐全, 成煤期众多, 资源丰富, 分布不均衡的特点。煤矿分属七个成煤期, 晚古生代以中、高变质煤为主, 未见褐煤; 中生代以低、中变质煤为主, 有少数褐煤; 第三纪以褐煤为主, 有少量低变质煤。全省以褐煤、焦煤、瘦煤、贫煤、无烟煤为主, 气煤、肥煤稀少^[3]。全省褐煤除个别矿点属更新世外, 均生成于中新世和上新世; 烟煤、无烟煤总量的97.07%产于晚二叠世含煤地层中。省内煤炭资源东富、西贫的地域分布特点突出。90%以上的储量, 全部大型煤矿和绝大多数中型煤矿床均分布在滇东地区, 且储量相对集中于一些大型矿区^[3]。

2 煤矿中的天然放射性水平调查及分析 2.1 褐煤

褐煤是煤化程度最低的煤, 其特点是水分高、比重小、挥发分高、不粘结、化学反应性强、热稳定性差、发热量低, 含有一定量的腐殖酸。褐煤是云南最主要的煤矿种, 占全省煤矿总储量的63.3%, 占全国褐煤总量的11.9%^[2、4]。云南褐煤属新生代煤矿, 在全省范围内均有分布。按聚煤单元, 以小金河断裂与哀牢山断裂为界分为滇西、滇东两个聚煤亚区, 并再分为6个含煤区与16个煤田, 现共发现大型矿床3个, 中型矿床20个, 小型矿床及矿点110个^[3]。滇西聚煤亚区以澜沧江断裂为界划分为腾冲含煤区和思茅含煤区^[3]。腾冲含煤区以怒江断裂和柯街断裂为界, 分梁河、保山和临沧3个煤田, 临沧煤田有极为典型的临沧铀锗煤共生矿, 临沧盆地部分褐煤天然放射性水平见表 1^[5~7]。思茅含煤区以金沙江断裂和无量山-营盘山断裂划分为中甸、景谷和景东3个煤田。

表 1说明, 临沧盆地部分褐煤矿中天然放射性核素²³⁸U:624.4±605.9Bq/kg、²³²Th:(87.8±104.9)Bq/kg、²²⁶Ra:(307.9±203.1)Bq/kg, 测值波动范围较大, 铀镭平衡偏铀。滇东聚煤亚区以元谋断裂、小江断裂、罗平断裂为界划分为大理、昆明、曲靖和文山4个含煤区, 10个煤田。滇东聚煤亚区最具代表性的为开远小龙潭矿区和昭通矿区^[3]。据地勘资料记载, 小龙潭煤矿煤中的铀分布不均匀, ²³⁸U测值达197~1 391Bq/kg, 高于普通褐煤中的铀。为分述矿区煤层放射性水平, 本站曾对矿区(江北)小龙潭坑和(江南)布沼坝坑, 按不同层位、不同方位或混合煤矿进行的样品采集与测量^[7~9], 经分类统计, 结果见表 2。

从表 2看, 小龙潭煤矿铀、镭基本平衡, 铀、钍显著偏铀; 小龙潭坑含天然放射性铀、镭活度浓度明显低于布沼坝坑。小龙潭矿褐煤成煤年代较晚, 煤中含有较多的富铀物质-腐殖酸及其高分子络合物, 因此易伴生放射性元素。

此次调查, 在收资与普查的基础上, 除重点关注临沧盆地的铀锗煤共生矿和开远小龙潭煤矿外, 还对滇西、滇东聚煤亚区部分褐煤进行了调查。云南褐煤天然放射性水平见表 3, 各煤田(区)褐煤放射性水平直方图见图 1。

调查发现, 滇中褐煤含天然放射性水平较低, 滇西、滇东南相对较高, 最高的是临沧煤田。以各煤田为单元统计, 全省褐煤天然放射性核素²³⁸U、²³²Th、²²⁶Ra平均比活度分别为87.1Bq/kg、31.3Bq/kg、60.0Bq/kg, 与云南环保系统1984年至1989年开展的“云南省环境天然放射性水平调查研究课题”中云南褐煤放射性水平(²³⁸U:89.9Bq/kg、²³²Th:24.4Bq/kg、²²⁶Ra:90.3 Bq/kg)基本相当^[10]; 若以六大聚煤区为单元统计, 云南褐煤天然放射性核素²³⁸U、²³²Th、²²⁶Ra平均比活度分别为68.9Bq/kg、22.6Bq/kg、50.7Bq/kg。此次调查, 涉及的煤矿山数多于以往, 统计方式也与以往不同, 更为注重了单元与储量两个权重, 结果更接近真值。若直接引入各个矿山的储量权重, 全省褐煤中天然放射性平均水平统计结果还将有所下降, 但仍高于全省土壤中天然放射性的平均水平。

2.2 低变质烟煤

低变质烟煤包括长焰煤、不粘煤和弱粘煤, 挥发分含量高, 没有或只有很小的粘结性。长焰煤易燃烧, 燃烧时有很长的火焰。云南低变质烟煤在省内煤炭储量中份额极低, 占全省煤炭总量的0.62%, 分布较散^[3、4]。瑞丽市红旗煤矿的长焰煤和沧源县芒回煤矿长焰气煤天然放射性水平测量结果见表 4^[7]。从表 4看, 低变质烟煤天然放射性水平较低, 明显低于褐煤, 且伴生的铀镭基本平衡, 铀钍基本平衡。

2.3 中变质烟煤(包括气、肥、焦、瘦煤)

中变质烟煤即炼焦用煤, 包括气煤、气肥煤、肥煤、1/3焦煤、焦煤、瘦煤、贫瘦煤, 统称烟煤^[1]。云南探明中变质烟煤储量42.9亿t, 占全省煤炭总量的17.6%, 占全国烟煤总量的1.68%^{[2, 4]}。此次, 对全省25家中变质烟煤矿山企业进行了调查, 样品测量结果见表 5。从表 5看, 中变质烟煤天然放射性水平低于褐煤中的放射性水平均值, 伴生的铀镭基本平衡, 铀钍偏铀。滇中中变质烟煤天然放射性水平较低, 位于西北、东南的则偏高。而西北、东南片的烟煤, 煤质较差, 形成时代(T₃)也相对较晚, 与放射性元素富集规律同褐煤相似。滇东聚煤亚区东南砚山干河煤矿, 煤层为晚二叠统的龙潭组, 煤层顶底板岩性为黑色炭质生物碎屑灰岩, 含植物化石碎片。原煤放射性核素比活度²³⁸U:884~2 161Bq/kg、²³²Th:25.5~59.4Bq/kg、²²⁶Ra:802~2 480Bq/kg, 为典型的伴生放射性煤矿。

2.4 高变质煤(包括无烟煤和贫煤)

无烟煤是煤化程度最高的煤, 挥发分低、比重大、硬度高、燃烧时烟少火苗短、火力强。富源县老厂煤田作为最具典型特征的无烟煤代表, 探明储量38. 9亿t, 占全省无烟煤的93.1%, 占全国高变质煤的2.25%^{[3, 4]}。富源老厂煤矿含煤岩系为晚二叠世龙潭组和长兴组(P), 煤系厚390~440m, 含煤22~32层, 可采12~14层。此次调查, 对富源老厂煤矿中的六个煤层进行了采样(21个)测量, 各煤层天然放射性水平见表 6。其他无烟煤调查结果见表 7。

从表 6、表 7看, 富源老厂煤田各煤层放射性水平较低, 且相对稳定; 滇中祥云、宾川无烟煤放射性水平(²³⁸U:7.8Bq/ kg、²³²Th:9.6Bq/kg、²²⁶Ra:36.8Bq/kg)更低、且偏镭; 滇东南老鹰山无烟煤放射性水平略为偏高。全省无烟煤放射性水平均值较低, 明显低于褐煤和烟煤的平均水平, 且波动范围较小、含量相对稳定。

2.5 云南煤矿放射性水平与全国水平比较

通过对省内各区不同种类煤炭天然放射性水平的调查, 分类统计结果见表 8^[7], 不同煤种其炭化程度不同, 所含放射性水平也不同。在褐煤、劣质煤及富含有机质及炭化植物碎屑的碎屑岩中放射性水平相对较高, 常见有铀的矿化现象; 炭化程度高的无烟煤中天然放射性水平相对较低, 未发现有铀的富集。1958年, 我国核工业系统就在云南第三纪煤田发现富含铀的煤。近20年内公开发表的文献中不乏煤矿放射性水平的调研报告, 表 9为姜希文、李瑞香等用γ谱仪分析采自全国24省区近100个统配煤矿的563个煤样, 分煤类归纳的统计数据^{[11, 12]}。

由表 8和表 9比较, 云南褐煤天然放射性水平高于全国褐煤平均水平, 云南无烟煤天然放射性水平低于全国无烟煤平均水平。云南煤矿中天然放射性水平高于全国平均水平, 高于世界平均水平。

2.6 煤矸石

煤矸石包括岩巷掘进排出的岩石、煤中的手选矸石、洗煤厂排出的洗矸等, 排放量超过煤炭产量的10%。此次调查, 对部分褐煤、烟煤和无烟煤煤矸取样, 测量结果见表 10^[7]。

由表 10看, 褐煤矸石、烟煤矸石、无烟煤矸石中放射性水平有较明显地递减趋势。与前面归纳的煤炭化程度与伴生放射性水平关系相吻合。

3 小结

(1) 云南煤中天然放射性水平高于世界平均水平, 也高于全国平均水平。

(2) 云南褐煤均产于第三系, 整体放射性水平高于全国褐煤平均水平。滇西以临沧铀锗煤共生矿为典型代表, 潞西等呷煤矿、龙陵大坝煤矿、澜沧勐滨煤矿放射性水平也相对较高, 且不同程度的伴有铀锗矿化; 滇东南以开远小龙潭煤矿为典型代表, 其布沼坝坑煤矿放射性水平相对较高; 滇东北昭通煤矿和滇中褐煤放射性水平相对较低。

(3) 云南烟煤多产于晚二叠, 整体放射性水平不高, 滇西北烟煤略有偏高, 滇东南以砚山干河煤矿为典型代表, 放射性水平相对较高。

(4) 云南无烟煤炭化程度较高, 煤中放射性水平较低, 低于全国无烟煤平均水平。

(5) 煤矸石放射性水平与同类煤矿水平相当, 其含量与煤炭及矸石的炭化程度密切相关, 趋势相反。

(6) 煤矿炭化程度与伴生天然放射性水平密切相关。在煤系地层中铀矿常分布在褐煤、劣质煤及富含有机质及炭化植物碎屑的碎屑岩中, 而在炭化程度高的无烟煤中未发现铀的富集。炭化程度高的无烟煤中天然放射性水平最低, 炭化程度低的褐煤则最高, 尤其以劣质煤和富含有机质及炭化植物碎屑的褐煤更为突出。以无烟煤、贫煤、贫瘦煤、瘦煤、焦煤、1/3焦煤、肥煤、气肥煤、1/2中粘煤、弱粘煤、不粘煤、长焰煤、褐煤为序, 呈现出随煤质的下降、有机质增加, 其伴生天然放射性水平逐级递增的规律。