礦井粉塵危害綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與應(yīng)用研究

李艷強(qiáng)，王福生，柳曉莉，武會(huì)強(qiáng)

(1.河北理工大學(xué)輕工學(xué)院，河北 唐山 063000；2.河北理工大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河北 唐山 063009)

礦井粉塵是礦井幾大危害之一，粉塵可以導(dǎo)致大量工人患有塵肺病、矽肺病等，是數(shù)量最多、最嚴(yán)重的職業(yè)病。粉塵也可導(dǎo)致機(jī)電設(shè)備損壞，影響正常工作及其壽命。具有爆炸傾向性的粉塵一旦爆炸條件具備，在適當(dāng)?shù)哪芰亢忘c(diǎn)火源作用下可發(fā)生粉塵爆炸，其危害程度不亞于瓦斯爆炸。所以研究粉塵危害已成為礦井安全生產(chǎn)的重中之重。

目前，對(duì)粉塵危害程度的評(píng)價(jià)研究主要針對(duì)某個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)，制定的各種環(huán)境衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)也是從不同類型、不同成分和不同濃度等方面考慮粉塵危害。例如考慮粉塵濃度、二氧化硅含量、爆炸性，沒(méi)有把粉塵的各個(gè)危害參數(shù)指標(biāo)作為一個(gè)整體進(jìn)行評(píng)價(jià)研究，這樣會(huì)導(dǎo)致分析評(píng)價(jià)的不科學(xué)、不全面。在粉塵危害的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建和綜合評(píng)價(jià)方面研究得還不夠完善和全面。因此，根據(jù)粉塵的特點(diǎn)，構(gòu)建合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，建立有效的數(shù)據(jù)處理方法來(lái)評(píng)價(jià)礦井粉塵的危險(xiǎn)程度是一個(gè)迫切需要攻關(guān)的新課題。

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

通過(guò)已有的研究[1]，對(duì)粉塵危害研究進(jìn)展及成果、粉塵的性質(zhì)、法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)事故統(tǒng)計(jì)，進(jìn)行總結(jié)歸類。同時(shí)根據(jù)掌握的情況，將礦井粉塵危害評(píng)價(jià)指標(biāo)分為：粉塵分散度、SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、粉塵的爆炸性、濃度超標(biāo)程度、影響能見(jiàn)度程度、工人接觸粉塵時(shí)間。

(1)粉塵分散度

粉塵的分散度是表示粉塵顆粒大小的一個(gè)概念，它與粉塵在空氣中呈浮游狀態(tài)存在的持續(xù)時(shí)間(穩(wěn)定程度)有密切關(guān)系。粉塵的分散度越大，表明其危害性越大。直徑小于5μm的粉塵對(duì)機(jī)體的危害性較大，也易于達(dá)到呼吸器官的深部。

參考我國(guó)金屬、非金屬礦山粉塵顆粒分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，通常采用0～2μm、2～5μm、5～10μm 和> 10μm四個(gè)計(jì)測(cè)范圍。粉塵危害主要是由呼吸性粉塵( < 5μm) 引起的。醫(yī)學(xué)家們通過(guò)大量研究工作，認(rèn)為0.1～5.0μm 的粉塵顆粒可以進(jìn)入人體肺泡內(nèi)，其中最為有害的是0.2～2.0μm 粉塵。本文以0.2～2.0μm粒徑粉塵的數(shù)量分布百分比作為分散度分析的依據(jù)。

粉塵的分散度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為(%)：①0～20；②20～40；③40～60；④60～100。

(2)SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

在礦井中粉塵的種類有多種，例如煤塵、巖塵、矽塵，在金屬礦山中有其他金屬、非金屬粉塵。但其中矽塵也就是SiO2粉塵，是矽肺病的主要致病原因，其引起的塵肺病也稱為矽肺病，是塵肺病中比例最高，危害最大的，每年都有大量工人因此病死亡。

我國(guó)《煤礦安全規(guī)程》、《工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值》等對(duì)粉塵SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都有規(guī)定和要求，礦井粉塵中粉塵的SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，其危害就越大。

粉塵的SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為(%)：①0～5；②5～10；③10～15；④>15。

(3)粉塵的爆炸性

高分散度的煤炭、糖、面粉、硫磺、鋁、鋅等粉塵具有爆炸性。發(fā)生爆炸的條件是高溫(火焰、火花、放電)和粉塵在空氣中達(dá)到足夠的濃度?？赡馨l(fā)生爆炸的粉塵最小濃度：各種煤塵為30～40g/m3，淀粉、鋁及硫磺為7g/m3，糖為10.3g/m3[2]。

煤塵可爆炸性可采用“大管狀煤塵爆炸鑒定儀”進(jìn)行鑒定。根據(jù)煤的工業(yè)分析結(jié)果，計(jì)算揮發(fā)分指數(shù)(煤塵爆炸指數(shù)與煤的揮發(fā)分同煤中可燃物質(zhì)之比的差)來(lái)初步判斷。[3]

我國(guó)試驗(yàn)表明，煤塵爆炸下限濃度為45g/m3，上限濃度為1500～2000g/m3。爆炸威力最強(qiáng)的煤塵濃度為300～400g/m3。[4]

表1 煤塵的爆炸性指數(shù)

表1為煤塵爆炸性試驗(yàn)鑒定結(jié)果，通過(guò)對(duì)某一煤塵爆炸性試驗(yàn)來(lái)判定該煤塵爆炸性的大小。[5]

(4)粉塵濃度超標(biāo)程度

對(duì)于粉塵容許濃度而言，針對(duì)不同地方、不同性質(zhì)粉塵和不同作業(yè)方式采取不同的濃度標(biāo)準(zhǔn)，使得評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)很難確定。為了具有普遍性，采用超標(biāo)倍數(shù)作為粉塵濃度的衡量標(biāo)準(zhǔn)。超標(biāo)倍數(shù)越高其導(dǎo)致的危害就越大。

粉塵濃度超標(biāo)程度為：①0～5；②5～10；③10～20；④>20。

(5)工人接塵時(shí)間

粉塵對(duì)人身體健康危害的一個(gè)前提條件就是工人要處于一定濃度粉塵作業(yè)環(huán)境，隨著接觸時(shí)間的增加，對(duì)人體的危害也逐漸加大。所以工人接塵時(shí)間也是評(píng)價(jià)粉塵濃度的一個(gè)指標(biāo)，用它來(lái)體現(xiàn)出粉塵作業(yè)危害程度分級(jí)評(píng)價(jià)中工人接塵作業(yè)時(shí)間內(nèi)肺總通氣量權(quán)數(shù)。

以8h工作日為基準(zhǔn)，接塵時(shí)間分為4級(jí)(h)：①0～2；②2～4；③4～6；④>6。

(6)由于粉塵導(dǎo)致的能見(jiàn)度減低

礦塵的光學(xué)特性包括礦塵對(duì)光的反射、吸收和透光強(qiáng)度等性能。所以在大量礦塵存在的礦井中，隨著其濃度的增大對(duì)能見(jiàn)度影響也越來(lái)越大。

在礦井某些綜采工作面干割煤時(shí)，工作面煤塵濃度高達(dá)4000～8000mg/m3，有的甚至更高。這種情況下，工作面能見(jiàn)度極低，在炮采工作面干式打鉆，放炮、轉(zhuǎn)載點(diǎn)、錨噴等工序均會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵，污染工作面，導(dǎo)致能見(jiàn)度降低，往往會(huì)導(dǎo)致誤操作，造成人員的意外傷亡。實(shí)際上，礦井能見(jiàn)度還要受其他一定因素影響，這里以粉塵影響為主要考慮因素。

目前，關(guān)于礦塵濃度對(duì)于能見(jiàn)度的影響研究較少，本文擬以下列范圍作為分級(jí)(m)：①>100；②50～100；③10～50；④0～10。

(7)礦井粉塵危害評(píng)價(jià)評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值

基于以上考慮和實(shí)際操作的方便，列出了粉塵的評(píng)價(jià)指標(biāo)及其指標(biāo)分級(jí)依據(jù)，見(jiàn)表2，等級(jí)越高，危害越大。

表2 粉塵評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值

2 危害程度的劃分及評(píng)價(jià)方法的選擇

現(xiàn)有的評(píng)價(jià)法，主要包括定性評(píng)價(jià)方法、指數(shù)評(píng)價(jià)方法、概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法、未確定測(cè)度評(píng)價(jià)模型法、模糊綜合評(píng)判法等。[6]

模糊數(shù)學(xué)是近年來(lái)應(yīng)用比較廣泛的方法，利用它進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)能夠考慮多重因素,對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象做出客觀實(shí)際的分析，具有很好的現(xiàn)實(shí)意義。

礦井粉塵危害指標(biāo)在評(píng)價(jià)過(guò)程中所起的作用各不相同，這就需要應(yīng)用一種評(píng)價(jià)方法，一方面綜合考慮眾多因素，另一方面又對(duì)作用因素的重要性進(jìn)行排序，確定各因素在引起事故發(fā)生時(shí)的重要程度即權(quán)重系數(shù)。在現(xiàn)有的評(píng)價(jià)方法中，模糊綜合評(píng)判法具有這樣的作用。

(1)建立評(píng)價(jià)因素模糊集U

式中：n為評(píng)價(jià)因子的個(gè)數(shù)，用u1,u2,u3, …,un分別表示分散度、SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)、爆炸性等危害評(píng)價(jià)指標(biāo)因素。

(2)建立評(píng)價(jià)等級(jí)V

各因素可以簡(jiǎn)單地取相同數(shù)目的評(píng)價(jià)等級(jí)集。粉塵危害評(píng)價(jià)區(qū)間的劃分見(jiàn)表3。

表3 礦井粉塵危害性評(píng)價(jià)區(qū)間劃分

(3)指標(biāo)權(quán)重分配

根據(jù)各指標(biāo)(u1,u2,u3,…,un) 對(duì)U的影響大小，求權(quán)重分配(w1,w2,…,wn) ，其中0≤w≤1，設(shè)W為對(duì)應(yīng)U的指標(biāo)權(quán)重分配集。對(duì)于指標(biāo)權(quán)重的確定方法，目前普遍采用的有調(diào)查統(tǒng)計(jì)法、專家評(píng)議(Delphi) 法、多元回歸分析法等。[7]

本文采用判斷矩陣法來(lái)確定指標(biāo)權(quán)重，針對(duì)本層次中某一元素與其他有關(guān)各個(gè)元素之間用其相對(duì)重要性進(jìn)行比較，然后用合適的標(biāo)度將這些重要性比較，用數(shù)值表示出來(lái)。寫成

式中：aij表示因素Ai比因素Aj的相對(duì)重要性分?jǐn)?shù)，取值范圍為1～9(或1/1～1/9)，它們之間的數(shù)2、4、6、8 及它們的倒數(shù)有相應(yīng)類似的意義。

在得到判斷矩陣后，需計(jì)算各指標(biāo)的相對(duì)權(quán)值,即判斷矩陣的特征值。實(shí)踐中，通常采用計(jì)算較簡(jiǎn)單的和積法計(jì)算矩陣特征值的近似值作為權(quán)值。[8]

(4)構(gòu)造模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣

首先, 從ui著眼, 確定ui對(duì)vj的隸屬度rij, 于是得到第i個(gè)單因素ui的評(píng)價(jià)集:

式中：rij表示因素ui具有評(píng)語(yǔ)vi的程度，亦即隸屬度。

對(duì)于所有評(píng)價(jià)因素，就可以構(gòu)造出一個(gè)總的評(píng)價(jià)矩陣，即：

式中：R是因素集U到評(píng)語(yǔ)集V的一個(gè)模糊關(guān)系矩陣。各因素的隸屬度可由隸屬函數(shù)相關(guān)的算法求得。

確定隸屬函數(shù)的主要方法有：模糊統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)法函數(shù)分段法、二元對(duì)比排序法，通過(guò)模糊集合間的運(yùn)算求模糊集合的隸屬函數(shù)。隸屬函數(shù)主要有：矩形分布、正態(tài)分布、對(duì)稱矩形分布、哥西分布、嶺形分布、尖Γ分布、對(duì)稱升凹凸形分布等[9]，通過(guò)模糊集合區(qū)間運(yùn)算求得隸屬函數(shù)，各指標(biāo)的隸屬函數(shù)曲線在此不再一一列舉。

(5)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

將模糊關(guān)系矩陣R與權(quán)重向量A代入模糊綜合評(píng)判式(如下)中, 可以得到評(píng)判向量B。

根據(jù)B的結(jié)果，結(jié)合礦井粉塵危害性評(píng)價(jià)區(qū)間劃分，對(duì)礦井粉塵危害程度進(jìn)行評(píng)判。

3 實(shí)例分析

河南某礦山井下粉塵污染較為嚴(yán)重，在井下選取6個(gè)粉塵監(jiān)測(cè)采樣點(diǎn)，得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)，如表4所示。

表4 礦井6處地點(diǎn)粉塵各因素實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

利用判斷矩陣法，以6個(gè)指標(biāo)因素對(duì)比，通過(guò)構(gòu)造矩陣及對(duì)比經(jīng)計(jì)算最后得到各因素的權(quán)重為：

W=(w1，w2，…w6)=(0.136，0.242，0.164，0.186，0.123，0.149)

由表4 數(shù)據(jù)即可得出評(píng)價(jià)矩陣為

R=

用模糊綜合評(píng)判式對(duì)礦井粉塵危害性進(jìn)行評(píng)價(jià)：

B=W·R=

(0.136，0.242，0.164，0.186，0.123，0.149)

=(0.4452，0.4847，0.619，0.5842，0.3817，0.495)

結(jié)合表3 , 則得出該礦6處粉塵測(cè)點(diǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果，如表5 所示。

表5 某礦井下粉塵實(shí)測(cè)點(diǎn)危害評(píng)價(jià)結(jié)果

從表5可以看出，實(shí)測(cè)點(diǎn)5粉塵危害嚴(yán)重，應(yīng)及時(shí)采取措施加以治理和控制，而實(shí)測(cè)點(diǎn)1、2、4、6危害也很大，應(yīng)當(dāng)引起重視。

4 結(jié)論

(1)對(duì)于以往研究礦井粉塵危害的指標(biāo)進(jìn)行了擴(kuò)展，避免了考慮粉塵危害影響的局限性，有利于更全面的認(rèn)識(shí)粉塵的危害性。初步提出了粉塵危害評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和等級(jí)劃分依據(jù)，對(duì)粉塵危害程度的劃分具有一定的參考價(jià)值，對(duì)于建立健全粉塵危害評(píng)價(jià)指標(biāo)體系有著重要的意義。

(2)采用模糊綜合評(píng)價(jià)方法來(lái)分析礦井粉塵危害程度，并應(yīng)用于實(shí)例，對(duì)于礦井各點(diǎn)或者各個(gè)礦山井下的粉塵危害給予判斷，為礦井防治和治理粉塵，提出可行的措施提供依據(jù)。

(3)本文提出的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是針對(duì)目前普遍存在的危害因素而建立起來(lái)的。由于粉塵的危害特點(diǎn)受多因素影響，在特殊情況和條件下還具有相應(yīng)的特殊的危害因素，所以在某些情況下還要具體分析，考慮更多的影響因素。粉塵危害分級(jí)和指標(biāo)，也要根據(jù)具體條件下的要求進(jìn)一步的研究和完善。

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