高海拔礦山井下環(huán)境對安全人因指標影響機理研究*

葛永翔，褚衍玉，任高峰，張聰瑞，王樹勛，馬俊生

(1.武漢理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430000；2.中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，北京 100012；3.中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

0 引言

我國西部高原地區(qū)成礦條件優(yōu)越，礦產(chǎn)資源豐富[1-2]，但高原地區(qū)惡劣的自然環(huán)境成為資源開發(fā)天然障礙，對井下作業(yè)人員健康及生命安全造成威脅。我國礦山機械化水平較高，但整個生產(chǎn)過程依舊以作業(yè)人員為核心，人員安全保障是礦山安全生產(chǎn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)[3-4]。因此，如何保障高海拔礦山井下作業(yè)人員生理健康意義重大。

近年，部分學(xué)者針對高海拔地區(qū)人員生理健康保障問題開展研究：王延琦等[5]對急進格爾木地區(qū)試驗人員進行現(xiàn)場生理指標測試，分析人體血氧飽和度、血壓、心率受高原環(huán)境影響程度；李景中等[6]通過對高原地區(qū)24名衛(wèi)生應(yīng)急隊員進行相關(guān)指標監(jiān)測，分析高原低壓低氧環(huán)境下AMS發(fā)生情況及AMS與血氧飽和度、心率相關(guān)關(guān)系；David等[7]通過查閱文獻、統(tǒng)計分析及現(xiàn)場測試，研究高原礦山作業(yè)環(huán)境對作業(yè)人員身體健康影響具體表現(xiàn)。

隨科技發(fā)展與研究需求，不同規(guī)模高海拔模擬試驗艙應(yīng)運而生，模擬仿真被廣泛應(yīng)用[8]：亓峰[9]利用高原環(huán)境模擬艙開展為期20 d測試，分析高原低氣壓低溫環(huán)境對人體生理健康影響規(guī)律；朱宏亮[10]基于低溫低壓試驗艙，開展低溫低壓環(huán)境下人體生理信號變化試驗，分析低溫低壓環(huán)境下人體生理指標變化規(guī)律。

目前，針對高海拔礦山井下環(huán)境對作業(yè)人員生理健康影響僅局限于單因素，對于多種環(huán)境因素對人體生理指標復(fù)合影響研究較少。因此，本文基于高海拔礦山井下環(huán)境對安全人因指標影響機理，分析安全人因指標與環(huán)境參數(shù)間定量關(guān)系，構(gòu)建高海拔礦山惡劣環(huán)境條件下各安全人因指標動態(tài)預(yù)測模型，研究結(jié)果可為高海拔礦山安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 環(huán)境單因素影響試驗

1.1 試驗參數(shù)設(shè)計

選取氧分壓、溫度、濕度3種環(huán)境因素作為研究對象，分別進行單因素試驗。

1)氧分壓水平劃分

高海拔礦山井下環(huán)境中，氧分壓變化主要由海拔高度變化導(dǎo)致，依據(jù)氧分壓隨海拔高度變化規(guī)律，以不同海拔高度對應(yīng)氧分壓值作為試驗氧分壓工況劃分依據(jù)。考慮試驗安全性，試驗選取氧分壓值對應(yīng)海拔高度最大值為5 000 m，試驗選取氧分壓水平分別為21.226，18.826，16.651，14.686，12.912，11.316 kPa，對應(yīng)海拔高度依次為0，1 000，2 000，3 000，4 000,5 000 m。

2)溫度水平劃分

考慮溫度水平劃分，井下溫度環(huán)境影響因素包括礦井進風(fēng)溫度，以及井下風(fēng)流壓縮和膨脹、機電設(shè)備散熱、圍巖與空氣熱交換等[11]。多種影響因素綜合作用，無法量化單一因素對井下溫度影響程度，但可通過對比地面溫度進行溫度水平劃分。依據(jù)不同海拔高度地面平均氣溫進行溫度梯度劃分，最終試驗溫度水平分別為25 ℃，20 ℃，15 ℃，10 ℃，5 ℃，0 ℃。

3)濕度水平劃分

環(huán)境濕度無法根據(jù)海拔高度等因素進行定量劃分。人體健康舒適濕度為40%～50%RH，高海拔地區(qū)濕度普遍較低，部分海拔較高地區(qū)濕度值約10%RH，考慮高海拔環(huán)境仿真試驗系統(tǒng)艙可調(diào)控濕度范圍為15%～95%RH，因此，試驗濕度水平劃分范圍為10%～40%RH，劃分6個濕度水平分別為40%，35%，30%，25%，20%，15%RH。

當(dāng)進行單因素影響試驗時，將單項變量參數(shù)設(shè)置為6個不同水平值，其余2項環(huán)境參數(shù)維持在平原平均值并保持不變。單因素試驗工況見表1。

表1 單因素試驗工況

1.2 試驗過程

試驗選取10名25～35歲中青年，其中男性8名，女性2名。依據(jù)試驗艙最大荷載人數(shù)要求，將10名受試者均分為2組。按照試驗工況設(shè)計調(diào)控試驗艙環(huán)境參數(shù)，試驗過程中所有受試者在跑步機上慢跑，模擬工作狀態(tài)。待試驗艙環(huán)境參數(shù)到達設(shè)定工況并穩(wěn)定5 min后，采集每位受試者各項安全人因指標數(shù)據(jù)；隨后，每位受試者在跑步機上持續(xù)慢跑，每間隔10 min采集1次數(shù)據(jù)，每位受試者共采集3組數(shù)據(jù)，取平均值并記錄。

1.3 試驗結(jié)果分析

1)氧分壓影響試驗

為探討各安全人因指標與井下氧分壓定量關(guān)系，考慮受試者個人差異對試驗結(jié)果影響，將10名受試者各項安全人因指標測量結(jié)果取平均值。氧分壓影響試驗中各指標平均值見表2。受試者各安全人因指標與氧分壓關(guān)系曲線如圖1所示。

表2 氧分壓影響試驗各指標平均值

圖1 受試者各安全人因指標與氧分壓關(guān)系曲線

各安全人因指標與氧分壓關(guān)系曲線擬合方程如式(1)～(5)所示：

y1=-0.425x12+16.707x1-65.489,R2=0.989 24

(1)

y2=0.388x12-15.702x1+228.634,R2=0.948 37

(2)

y3=0.224x12-9.744x1+220.634,R2=0.945 55

(3)

y4=0.219x12-9.725x1+176.488,R2=0.984 67

(4)

y5=-0.006x12+0.244x1+33.924,R2=0.994 55

(5)

式中：y1為血氧飽和度，%；y2為心率，bpm；y3為收縮壓，mmHg；y4為舒張壓,mmHg；y5為體溫，℃；x1為氧分壓，kPa；R2為相關(guān)系數(shù)，表征模擬密切程度。

2)溫度影響試驗

溫度影響單因素試驗各指標平均值見表3。

表3 溫度影響單因素試驗各指標平均值

受試者各安全人因指標與溫度關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 受試者各安全人因指標與溫度關(guān)系曲線

各安全人因指標與溫度關(guān)系曲線擬合方程如式(6)～(10)所示：

y1=-0.012 4x22+0.596x2+91.092,R2=0.984 82

(6)

(7)

(8)

y4=0.023x22-1.264x2+87.23,R2=0.988 34

(9)

(10)

式中：x2表示溫度，℃。

3)濕度影響試驗

濕度影響試驗各指標平均值見表4。

表4 濕度影響試驗中各指標平均值

受試者各安全人因指標與濕度關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 受試者各安全人因指標與濕度關(guān)系曲線

各安全人因指標與濕度關(guān)系曲線擬合方程如式(11)～(15)所示。

(11)

y2=-0.004 3x32+0.405x3+61.95,R2=0.956 99

(12)

y3=-0.010 29x32+0.734x3+103.15,R2=0.964 4

(13)

(14)

y5=-5.5×10-4x32+0.045 2x3+35.54,R2=0.954 8

(15)

式中：x3表示濕度，%RH。

2 環(huán)境復(fù)合因素影響試驗

2.1 正交試驗設(shè)計

高海拔礦山井下惡劣環(huán)境正交試驗環(huán)境因素包括氧分壓、溫度、濕度，通過正交試驗分析3種環(huán)境因素復(fù)合作用對安全人因指標影響規(guī)律。根據(jù)正交試驗設(shè)計原則，分別將3種環(huán)境因素劃分為3個水平值。

據(jù)文獻調(diào)研，環(huán)境氧分壓14.686 kPa、環(huán)境溫度10 ℃、環(huán)境濕度35%RH為各安全人因指標變化環(huán)境參數(shù)臨界值。劃分環(huán)境因素水平時，需參照單因素試驗結(jié)果，確保劃分正交試驗因素水平具有代表性，同時，需保證試驗過程安全性[12]。各環(huán)境因素水平見表5。

表5 各因素水平表

試驗選取安全人因指標血氧飽和度、心率、體溫、血壓(包括收縮壓、舒張壓)。依據(jù)正交試驗設(shè)計原則，選用Ln(tk)型正交表，其中n為試驗次數(shù)，t為因素水平數(shù)，k為因素個數(shù)。因試驗涉及氧分壓、溫度、濕度3個環(huán)境因素，所以k=3，每個環(huán)境因素劃分3個水平，t=3。為減少試驗次數(shù)，并考慮各因素間交互影響作用，需選用k≥3正交表，因此，選用L9(34)正交表進行試驗設(shè)計[13]。本試驗為3因素3水平正交試驗，選擇正交表中前3列進行試驗?；贚9(34)正交表試驗工況見表6。

表6 基于L9(34)正交表試驗工況

2.2 多元回歸分析

為進一步分析各環(huán)境因素對安全人因指標影響規(guī)律，對正交試驗結(jié)果進行多元回歸分析，結(jié)合單因素試驗安全人因指標與各種環(huán)境因素數(shù)量關(guān)系式，定量分析3種環(huán)境因素對5項安全人因指標復(fù)合影響規(guī)律。為避免受試者個體差異對實驗結(jié)果影響，同時考慮統(tǒng)計分析過程數(shù)據(jù)類型需求，對10名受試者正交實驗各項安全人因指標測試結(jié)果取平均值。正交試驗數(shù)據(jù)見表7。

表7 正交試驗數(shù)據(jù)

將安全人因指標作為因變量，因變量影響因素包括氧分壓、溫度、濕度，可通過多元回歸分析求解。通過建立多元回歸數(shù)學(xué)模型，探討各安全人因指標與環(huán)境因素間數(shù)量關(guān)系[14]。多元線性回歸方程經(jīng)驗?zāi)Ｐ腿缡?16)所示：

y=k0+k1x1+k2x2+…knxn

(16)

式中：xn為方程n個自變量;ki為回歸方程偏回歸系數(shù)，其中i=1，2，…，n。考慮各因素間交互作用，即某因素各水平對自變量影響程度隨其他因素水平變化而變化，說明各因素影響作用不獨立。設(shè)交互作用項為X4=x1x2，X5=x1x3，X6=x2x3，以上3個交互作用變量可充分體現(xiàn)3個因素間相互作用，基于單因素擬合關(guān)系式，構(gòu)建各安全人因指標與各環(huán)境因素間多元線性回歸方程如式(17)所示：

(17)

基于高海拔礦山井下惡劣環(huán)境對安全人因指標影響試驗，利用SPSS軟件進行多元線性回歸分析，構(gòu)建多元線性回歸數(shù)學(xué)模型。統(tǒng)計各因素回歸系數(shù)見表8，測試指標回歸方差分析結(jié)果見表9。

表8 回歸系數(shù)

表9 回歸方差分析

通常方差F值越大，差異越顯著，但必須通過判定P值是否顯著，才可確定數(shù)學(xué)模型是否合理。本文顯著性水平α=0.05，由方差分析可知，所有安全人因指標關(guān)于環(huán)境因素回歸方程對應(yīng)P值均遠小于0.05，表明回歸方程顯著性較高，且數(shù)學(xué)模型具有統(tǒng)計學(xué)意義；R2均接近1，表明模型中所有自變量與因變量間線性回歸關(guān)系非常密切。

根據(jù)回歸系數(shù)得到人體血氧飽和度、心率、收縮壓、舒張壓、體溫5項安全人因指標對氧分壓、溫度、濕度3種環(huán)境因素擬合公式，如式(18)～(22)所示：

y1=3.845-0.239x12+9.389x1+0.022x22-1.048x2-4.119×10-4x33+0.037x32-1.156x3+0.099x1x2+0.013x1x3

(18)

y2=217.506+0.329x12-13.3x1-0.001x23+0.049x22-0.467x2-0.001x32+0.056x3-0.036x1x2+0.001x2x3

(19)

y3=34.645-0.003x12+0.122x1-0.8×10-5x23+0.000 04x22-0.001x2-0.748×10-4x32+0.006x3+0.003x1x2

(20)

y4=237.742+0.304x12-13.489x1+0.004x22-0.231x2-7.114×10-4x33+0.068x32-2.216x3-0.038x1x2+0.01x1x3

(21)

y5=237.742+0.304x12-13.489x1+0.004x22-0.231x2-7.114×10-4x33+0.068x32-2.216x3-0.038x1x2+0.01x1x3

(22)

擬合方程為高海拔礦山井下作業(yè)人員在井下工作時各項安全人因指標預(yù)測提供參考，可定量描述井下各環(huán)境因素影響。由擬合方程可知，各環(huán)境因素對安全人因指標變化存在交互復(fù)合影響。

為進一步驗證多元回歸數(shù)學(xué)模型可靠性，將試驗實測值與回歸分析預(yù)測值進行對比，見表10。由表10可知，多元回歸數(shù)學(xué)模型可靠性良好。

表10 模型預(yù)測值與試驗值比較

3 結(jié)論

1)基于高海拔環(huán)境模擬試驗系統(tǒng)，開展單因素影響試驗，通過試驗數(shù)據(jù)分析得到作業(yè)人員各安全人因指標隨高海拔礦山井下環(huán)境變化規(guī)律及擬合數(shù)量關(guān)系式，為復(fù)合因素試驗參數(shù)設(shè)計及多元回歸分析提供依據(jù)。

2)基于單因素影響試驗，依據(jù)正交試驗設(shè)計原則開展正交復(fù)合因素影響試驗，利用SPSS軟件進行多元回歸分析，構(gòu)建各安全人因指標動態(tài)模型，為高海拔礦山安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

3)試驗氧分壓、溫度、濕度3項環(huán)境因素對安全人因指標變化存在交互復(fù)合影響。