沖擊地壓對(duì)人體的傷害及防護(hù)對(duì)策分析

陳 鵬，李學(xué)龍，陳學(xué)習(xí)，龐招輝

(1.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601；2. 中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.河南能源義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司千秋煤礦，河南 三門峽 472300)

0 前言

沖擊地壓是嚴(yán)重的煤巖動(dòng)力災(zāi)害，它是煤巖體中積聚的彈性能在達(dá)到或超過煤巖強(qiáng)度極限時(shí)突然猛烈的釋放，從而產(chǎn)生煤巖體的冒落，巨大聲響，強(qiáng)烈的沖擊波等，造成嚴(yán)重的損失[1]。近年來，隨著礦井開采深度和開采強(qiáng)度的不斷增強(qiáng)，地應(yīng)力增大，井下地質(zhì)條件日益復(fù)雜，沖擊地壓發(fā)生的頻次與強(qiáng)度也日益增強(qiáng)[2]。沖擊地壓的損失主要在物與人兩方面，在物的方面，主要是財(cái)產(chǎn)的損失，如造成工程的巨大浪費(fèi)、風(fēng)門損失、設(shè)備損害、礦車傾軋等、嚴(yán)重者造成支架及采煤機(jī)等大型設(shè)備的埋沒等等，這些都是可以用物資來衡量；另一種嚴(yán)重的傷害是對(duì)人體的損害，輕則造成身體器官損害，重則造成大面積人員傷亡，如2011年11月3日19時(shí)18分，義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司千秋煤礦發(fā)生重大沖擊地壓事故[3]，造成10人死亡、64人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失2748.48萬元。

小型沖擊地壓在沖擊嚴(yán)重的礦井時(shí)常發(fā)生，除對(duì)井下設(shè)備物資造成損失外，對(duì)人體造成的潛在傷害不斷，在沖擊地壓個(gè)體防護(hù)目前相關(guān)方面的研究報(bào)道較少，基于此，本文主要通過安全人機(jī)工程學(xué)的基本知識(shí)，結(jié)合沖擊地壓的能量釋放的特點(diǎn)及原因來分析其對(duì)人體部位的損害嚴(yán)重程度，并于此提出在沖擊地壓礦井工作的人員主要的身體防護(hù)措施，以期為我國沖擊地壓災(zāi)害及其他動(dòng)力災(zāi)害的防護(hù)方面提供一種新的思路。

1 我國沖擊地壓災(zāi)害特點(diǎn)

1.1 沖擊地壓分布特點(diǎn)

根據(jù)相關(guān)研究[4-5]，近年來我國共有67個(gè)礦井發(fā)生沖擊地壓或者有沖擊地壓危險(xiǎn)性，我國沖擊災(zāi)害發(fā)生最多的省份是山東省，占統(tǒng)計(jì)總數(shù)的39%，其次依次是黑龍江、江蘇、河南、河北、山西、遼寧、甘肅和北京等省市發(fā)生過較為嚴(yán)重的沖擊地壓災(zāi)害事故。近年來在回采工作面發(fā)生的沖擊地壓較少，絕大部分沖擊地壓都發(fā)生在掘進(jìn)巷道和回采巷道中[6]，這些地點(diǎn)都是作業(yè)人員較多的地點(diǎn)，若發(fā)生沖擊地壓很可能造成大面積人員傷害。

1.2 沖擊地壓影響因素

沖擊地壓災(zāi)害的發(fā)生與礦井的開采深度有很大的關(guān)系，隨著開采深度的增加，其發(fā)生的頻次和強(qiáng)度也越來越大，沖擊的發(fā)生除了受采深影響較大以外，地質(zhì)因素和開拓開采布置也對(duì)沖擊地壓的發(fā)生產(chǎn)生重要的影響[7]。對(duì)沖擊地壓有影響的地質(zhì)因素主要包括: 堅(jiān)硬厚層頂板、上覆巨厚巖層、堅(jiān)硬頂?shù)装?、地質(zhì)構(gòu)造、大傾角、煤厚變化及天然地震。開拓開采布置因素對(duì)沖擊地壓的影響因素主要有3個(gè)：本煤層開采形成的孤島煤柱、煤層群開采條件下形成的上覆煤柱以及放炮震動(dòng)。

2 沖擊地壓的人機(jī)工程學(xué)分析

安全人機(jī)工程學(xué)[8-9]是近幾十年來發(fā)展起來的一門研究和應(yīng)用都極為廣泛的綜合性邊緣學(xué)科，它是從安全的角度和著眼點(diǎn)來研究人與機(jī)之間的關(guān)系。其最根本的研究方向是運(yùn)用生理學(xué)、心理學(xué)、管理學(xué)、系統(tǒng)學(xué)、工程學(xué)、衛(wèi)生學(xué)等多種學(xué)科理論揭示人、機(jī)、環(huán)境系統(tǒng)之間相互關(guān)系的規(guī)律，以達(dá)到確保人、機(jī)、環(huán)境系統(tǒng)總體性能的最優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的本質(zhì)安全。

2.1 沖擊地壓對(duì)人體傷害部位分析

煤礦沖擊地壓對(duì)人體及裝備產(chǎn)生多種危害，是人、機(jī)、環(huán)不協(xié)調(diào)的最極端的體現(xiàn)，人是人、機(jī)、環(huán)系統(tǒng)的核心，機(jī)器是人設(shè)計(jì)的工具，它是為處于不同環(huán)境的人能更有效、安全、健康、舒適地生活和工作而服務(wù)的。

人體易于受傷的部位主要是四肢，包括手掌、手臂、腳、腿，這種輕微傷害不斷；對(duì)人體造成致命傷害的主要包括胸部和軀干，最主要是胸部，這些是人體直接遭受煤巖的冒落，底鼓，機(jī)械設(shè)備的傾軋，翻滾等造成的傷害；沖擊地壓發(fā)生時(shí)煤巖碎塊的墜落首先會(huì)傷害頭部，因此腦部受傷害的幾率較大。

2.2 沖擊地壓造成的人體共振傷害

研究表明，沖擊地壓對(duì)人體的傷害最大的是其大能量的沖擊波造成的，首先是高能量沖擊波能夠傳播較遠(yuǎn)的距離，在遇到障礙物時(shí)，會(huì)將能量轉(zhuǎn)移或釋放，如果達(dá)到物體的共振頻率，會(huì)將物體摧毀，并且由于在井下受限空間內(nèi)傳播，能量耗散相對(duì)較少，會(huì)引起大面積的人物受損。

沖擊波傳播時(shí)會(huì)引起人身體部位的共振，從而造成身體部位的傷害，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)人體各器官的共振頻率分布如圖1所示。

從表1可以看出，人體各個(gè)器官的共振頻率多在3～60 Hz之間，其中對(duì)人體生命至關(guān)重要的器官頭、胸、腹腔的共振頻率分別為4 Hz、12～16 Hz、4.5～10 Hz，共振頻率一般較低，在井下基本都是站立作業(yè)，而人體站立出的共振頻率僅為4～6 Hz，比坐著的共振頻率5～12 Hz低，從中我們可以知道，在沒有受到器物的直接接觸打壓、撞擊造成傷害時(shí)，能引起人體共振對(duì)人體傷害最大的是傳播距離較遠(yuǎn)的超低頻波。

圖1 沖擊地壓頻率和人體器官對(duì)應(yīng)關(guān)系

器官名稱共振頻率/Hz頭4眼7～25上下顎60～90喉、氣管、支氣管6～8胸12～16上肢5～9骨3～8腹腔4.5～10肝3～4膀胱10～18骨盆5～9下肢5人在坐的位置5～12人在站的位置4～6

沖擊地壓頻率和人體器官對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1所示，可以看出，沖擊地壓引起振動(dòng)波對(duì)人體器官造成主要影響的頻率分布在3～25Hz的低頻成分，能量為1×103J的震動(dòng)，造成大部分人員腦部、臉部損傷，其次為心臟、胃、脊柱、腎等損傷。經(jīng)對(duì)沖擊傷害人員的醫(yī)學(xué)分析表明腦部受傷害的占91%，胸部占60%，內(nèi)部器官占18%，上下肢占18%?？梢姏_擊發(fā)生時(shí)防護(hù)的重點(diǎn)在于頭部和胸部。

3 沖擊地壓防護(hù)對(duì)策分析

結(jié)合安全人機(jī)工程學(xué)，在人、機(jī)、環(huán)等方面，采取相應(yīng)的防護(hù)措施，從而達(dá)到降低或消除沖擊災(zāi)害的效果。

3.1 人的防護(hù)

沖擊地壓對(duì)人體的傷害主要是直接接觸、物體打擊造成的傷害和由于沖擊地壓產(chǎn)生的振動(dòng)波對(duì)人體造成的傷害，因此在個(gè)人的防護(hù)方面，最主要的是采取好防護(hù)措施，首先是防沖服的使用，目前設(shè)計(jì)的防沖服主要是保護(hù)前胸和后背，由高強(qiáng)度、輕型塑料薄板制成，防沖服的外面有明顯的熒光標(biāo)志，便于在井下黑暗潮濕環(huán)境下的人物的識(shí)別，當(dāng)然還有對(duì)手臂和腿部的防護(hù)夾板，但經(jīng)過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，這兩部分的實(shí)用性不強(qiáng)，由于這兩部分穿戴不便，影響作業(yè)、防護(hù)效果不明顯等缺陷，實(shí)用性不強(qiáng)，還有待于進(jìn)一步根據(jù)人機(jī)工程原理進(jìn)行改進(jìn)。

頭部的防護(hù)也是非常重要的一方面，應(yīng)該要求下井人員必須佩戴防沖頭盔，頭盔由輕型強(qiáng)質(zhì)材料制成，上面也應(yīng)標(biāo)有熒光標(biāo)志，頭盔的內(nèi)部應(yīng)該有一定的防沖吸能裝置，在人體頭部遭受重物擊打時(shí)，能夠延緩能量對(duì)人體能量的傳遞，減緩能量對(duì)人體的頭部的沖擊傷害。對(duì)人體的四肢防護(hù)，主要靠人體注意，穿戴好有防靜電功能的膠鞋。

3.2 機(jī)的防護(hù)

在沖擊發(fā)生時(shí)對(duì)人體的傷害物體主要是煤巖、機(jī)械設(shè)備等，這就要求在防沖設(shè)計(jì)的方面采取防護(hù)措施。在機(jī)電設(shè)備的安放及設(shè)計(jì)方面，應(yīng)該注意將重大機(jī)電設(shè)備固定，其外形盡量設(shè)計(jì)圓潤，避免棱角出現(xiàn)，對(duì)一些特種設(shè)備，設(shè)計(jì)專門的硐室安放，從而避免在發(fā)生沖擊時(shí)對(duì)人體的傷害。

井下小能量事件發(fā)生時(shí)，由于煤巖松動(dòng)造成的錨桿掉落致使人員傷亡的事件時(shí)有發(fā)生，為避免此類事件的發(fā)生，應(yīng)加固煤巖體，采取錨噴網(wǎng)支護(hù)，使其成為一個(gè)連續(xù)的大的整體，由此預(yù)防了單一的零星事故發(fā)生。

3.3 環(huán)境方面

環(huán)境主要是指礦井的開拓開采環(huán)境，煤巖的賦存等地質(zhì)條件，基于前面分析的沖擊地壓發(fā)生的特點(diǎn)及條件可知，避免沖擊的發(fā)生要盡量不開采或科學(xué)開采高應(yīng)力，堅(jiān)硬頂板、孤島工作面的開采，并且要合理布置工作面，避免應(yīng)力的高度集中。及時(shí)通風(fēng)降溫，為井下營造良好的作業(yè)環(huán)境，使工人擁有愉悅的舒適的工作環(huán)境，有愉悅的心情，從而在一定程度上避免的誤操作，降低其他事故的發(fā)生。

3.4 其他方面

目前在沖擊地壓的防治上，依據(jù)人機(jī)工程學(xué)，防治主要利用“3E”對(duì)策，即指技術(shù)(Engineering)、教育(Education)、管理(Enforcement)對(duì)策。

沖擊地壓監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)方面，目前應(yīng)用廣泛的主要有有鉆屑法、頂板動(dòng)態(tài)儀法、鉆孔應(yīng)力計(jì)法、電磁輻射法、地音及微震法[10]，各個(gè)礦井應(yīng)根據(jù)自身的條件選擇合適的監(jiān)控設(shè)備及手段。教育方面主要是礦上要設(shè)有專門的沖擊地壓防治科室，組織專家學(xué)者為礦上人員進(jìn)行沖擊地壓方面的知識(shí)學(xué)習(xí)，并進(jìn)行這方面的教育，從而提高沖擊地壓方面的素質(zhì)、觀念、技術(shù)經(jīng)驗(yàn)等。管理方面，管理層提高沖擊地壓方面的認(rèn)識(shí)，樹立沖擊地壓是可控可防的意識(shí)，制定切實(shí)可行的規(guī)章制度，并且嚴(yán)格按規(guī)定辦事；樹立“以人為本”的理念，強(qiáng)化員工的安全行為和安全思想；協(xié)調(diào)好安全與生產(chǎn)的關(guān)系。

4 結(jié)語

1) 通過對(duì)礦山?jīng)_擊地壓事故發(fā)生的特點(diǎn)、原因等進(jìn)行分析，研究了沖擊地壓與人體的共振特點(diǎn)，分析了人體各器官部位有可能造成的傷害：沖擊地壓發(fā)生時(shí)，底鼓，機(jī)械設(shè)備的傾軋，翻滾等可造成胸部及軀干的傷害，胸部的傷害是致命的；煤巖碎塊的墜落首先會(huì)傷害頭部，醫(yī)學(xué)分析表明腦部受傷害的比例最大。因此沖擊地壓防護(hù)的重點(diǎn)在于腦部和胸部的防護(hù)。

2) 針對(duì)沖擊地壓的有效防護(hù)，在人、機(jī)、環(huán)方面給出了切實(shí)可行的建議，人體主要為佩戴防沖服和防沖頭盔，機(jī)器方面主要為機(jī)電設(shè)備的設(shè)計(jì)和安裝要滿足防沖要求，環(huán)境方面主要為進(jìn)行科學(xué)合理的采掘布局。提出了沖擊地壓防治的“3E”對(duì)策，在技術(shù)、教育、管理方面給出了具體建議。

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