金堆城露天礦穿孔作業危險性分析

張建華 李棟朋 李澤安 黃 剛 吳 浩

(1.武漢理工大學資源與環境工程學院，湖北 武漢 430070；2.武漢城市建設投資開發集團有限公司，湖北 武漢 430050)

我國露天礦山數量眾多，露天礦的礦石產量占總礦石產量的50%，與地下礦山相比，露天礦山的生產規模一般都比較大[1]。穿孔作業是露天礦山開采的重要環節，穿孔作業完成的質量好壞，對于后續的爆破、鏟裝、運輸等工序有著十分巨大的影響。目前，隨著科學技術的發展和GNSS技術的普及應用，牙輪鉆機的更新換代迅速，國外先進牙輪鉆機已基本實現數字化輔助穿孔爆破[2]。但由于礦山環境和工況的復雜性，穿孔作業過程中存在著較多的危險因素，不僅涉及到設備，還涉及到作業環境、人員等。若人—機—環境失調，就可能會產生中毒、灼燙、污染等事故，而且會造成設備損壞，導致意外傷亡事故、環境污染和重大的經濟損失[3]。如紫金山金礦由于露采臺階失穩，造成設備掉落，引起巨大經濟損失，所幸工作人員及時撤離，無人員傷亡。因此，對露天礦山數字化穿孔作業進行危險性評價是十分重要的。

1 危險性評價的方法

常見的分析評價方法主要有故障類型及影響分析(FMEA)，事故樹分析(ATA)，作業條件危險性評價法(LEC)，預先危險性分析(PHA)，改進的作業條件危險性評價法(MES)等[4-6]。其中，LEC法由K F 金尼和K J 格雷厄姆提出，可以對作業環境中的潛在危險進行半定量評價與分級[7]。構成該方法的3個指標分別為L(發生事故的可能性)，E(人員在危險環境暴露的頻繁程度)，C(后果危險性)。通過3個因素的得分相乘之后得到總分，進而對于安全狀況進行分級。LEC法3個因素的取值主觀性較大，并且不能夠用來全面系統考慮傷害事故發生的因素[8]。于是，我國安全領域專家宋大成在2002年提出了MES法對LEC法進行了改進，其考慮危險源是否存在控制措施，將危險源危險性定義為控制措施的狀態、人體暴露于危險環境的頻繁程度以及事故后果三者的乘積，然后根據不同的值進行分級。

預先危險性分析(PHA)是在生產活動開始之前，對系統存在的各種危險因素、出現的條件及導致的事故后果進行宏觀分析，找出系統中的危險物質或者不安全狀態并確定危險等級，進而根據不同的危險等級提出相應的控制和預防措施，因此也被稱為初始危險分析[9]。該方法簡單、有效、易于實施。

對于復雜的礦山穿孔作業(作業條件差，現場工況復雜，容易發生打擊、灼燙、墜落等事故，而且事故一旦發生，造成的損失一般比較嚴重)，只使用單一評價方法難以全面評價穿孔作業的危險性，因此需要使用更加全面、綜合的方法。

2 PHA-MES危險性評價法

2.1 評價原理和方法

PHA-MES法是結合了PHA法和MES法的預先潛在危險分析和危險性定量分級的優勢，使二者互相補充，共同構建起一套完整的危險性評價方法。其首先利用PHA法對于系統進行預先危險性分析，確定系統中的危險因素、觸發事件以及事故后果，然后利用MES法根據人員暴露于危險狀態的頻繁程度、危險發生的后果嚴重性以及控制措施的狀態對于危險程度進行定量計算，得到特定條件下的危險性得分，進而對于危險性進行分級，再根據不同的危險等級提出有針對性的防范措施[10]。

PHA-MES法的實質是利用MES法的危險程度分級的定量計算替換了PHA法中的危險等級的定性分析，其分析方法是以表格方式進行(見表1)。

表1 PHA-MES危險性評價

2.2 評價步驟

對于作業流程、作業環境、作業人員操作條件等進行全方位的了解，根據以往發現的事故隱患和經驗，盡可能周密、詳盡、不發生遺漏地找出工程系統的潛在危險和有害因素[11]。

(1)發生人身傷害的可能性主要由人員在危險狀態下暴露的頻率E和控制措施的狀態M決定[12]。根據MES法的計算公式：

R=M×E×S,

(1)

式中，R為風險度，S為后果嚴重性。M、E、S各項的分值確定分別參照表2，表3，表4。

(2)按照計算出的風險度R對危險等級進行劃分。劃分標準參考表5。

(3)根據PHA分析的事故情況以及MES評價法的危險等級劃分，針對不同等級的危險，提出相應的防范措施。

表2 控制措施相應狀態對應的分值

表3 暴露程度分值

表4 事故后果嚴重性分值

表5 分級標準

3 案例分析

3.1 金堆城露天鉬礦數字化輔助穿孔作業簡介

金堆城露天礦(如圖1)位于陜西華陰市金堆鎮內，年開采量約1 700萬t，供礦量在1 000萬t左右。其地理坐標為東經109°54′45″～109°59′15″，北緯34°18′50″～34°20′40″，該礦床采用露天分期的方式進行開采，于1966年正式投產，先進行北露天開采，隨后南露天，目前已形成全露天開采，礦山開采設計年限為100 a[13-14]。目前,該礦山已經在YZ-35型牙輪鉆機上實現了數字化輔助穿孔爆破(如圖2)。其原理如下：首先，依托礦區綜合平面圖和采場分區圖，使用爆破設計軟件設計起爆網絡圖；然后將各孔位坐標上傳到系統中，牙輪鉆機通過運用GNSS系統根據孔位坐標精確定位孔位，實現自動尋孔；最后在穿孔過程中對超深和垂直度進行控制，并對實際操作執行狀態、運行軌跡、鉆孔施工位置進行實時連續的記錄和存儲，實現對穿孔質量的全方位數字化實時控制。

圖1 金堆城露天礦全貌

圖2 金堆城數字化穿孔作業

3.2 數字化輔助穿孔作業危險源辨識

危險源是可能引起人員傷害或職業疾病、財物損失、工作環境破壞或這些情況組合的根源或狀態[15]。因而，在對于系統進行危險性評價時，首先應完成對系統的危險源進行辨識。依據數字化輔助穿孔作業的工作特點，從牙輪鉆機設備、作業過程的危險物質、作業環境3個方面對其進行了危險源辨識工作。通過危險源辨識和預先事故分析，識別出了以下危險源，見表6。

3.3 數字化輔助穿孔作業危險性評價

依據PHA-MES法的危險性評價步驟，對數字化輔助穿孔作業的危險性評價結果如表7所示，其中,①炸藥、鉆機作業平臺危險級別達到Ⅰ級；②粉塵、有毒氣體、履帶等9種危險源危險級別達到Ⅱ級；③維修時遺留的維修工具或其它物體屬于Ⅲ級危險源；④潤滑劑，電動機，鉆架等6種屬于Ⅳ級危險源；⑤電池屬于Ⅴ級危險源；⑥在所有危險源中，作業平臺分值最高，達到240分，危險性最大，電池分值最低，危險性相對較小。

4 結 論

(1)在我國露天礦山發展迅速的同時，危險源識別和管控的水平仍相對滯后。因此在進行危險性評價時，應結合具體行業和企業生產特點選擇合適的評價方法。穿孔作業的復雜性決定了使用單一的危險性評價方法是不能滿足需求的。

(2)利用PHA-MES法，可以充分結合預先危險性分析和改進的作業條件危險性評價法的優勢，對金堆城露天鉬礦數字化輔助牙輪鉆機穿孔作業危險性分析證明了將PHA-MES法應用于露天礦數字化輔助穿孔作業是比較全面、有效、符合客觀實際的。

表7 露天礦穿孔作業PHA-MES危險性分析

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