煤礦粉塵健康風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)研究

邱 俊，蘇正通，吳代赦，李建龍

(南昌大學(xué)資源環(huán)境與化工學(xué)院，江西 南昌 330031)

煤炭生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生大量粉塵，作業(yè)人員長(zhǎng)期暴露于粉塵中會(huì)引起呼吸性疾病，如簡(jiǎn)單塵肺、進(jìn)行性大塊纖維化、支氣管炎等，其中以煤礦工人塵肺病最為普遍和嚴(yán)重[1-2]。科學(xué)合理的煤礦粉塵危害評(píng)價(jià)分析是有效進(jìn)行粉塵防治工作的前提。

對(duì)于礦塵危害的評(píng)價(jià)學(xué)者們已開(kāi)展了大量研究。李明等[3-4]以礦塵濃度超標(biāo)倍數(shù)、分散度、游離SiO2含量和工人接塵時(shí)間為指標(biāo)，基于模糊綜合識(shí)別技術(shù)進(jìn)行了礦山粉塵危害評(píng)價(jià)，并運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了粉塵危害因素與塵肺發(fā)病率之間的關(guān)系。LIU等[5-6]和SHEN等[7]調(diào)研了中國(guó)鐵法礦區(qū)16 154位礦工和開(kāi)灤礦區(qū)17 023位礦工的塵肺病情況，按年齡、接塵時(shí)間、工種類(lèi)型等進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，分別運(yùn)用生命表法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)估了塵肺病發(fā)病規(guī)律并做出了預(yù)測(cè)。田冬梅等[8]從“人-物-環(huán)-管”4個(gè)因素著手，分析了粉塵作業(yè)場(chǎng)所危害程度的40個(gè)影響因素，提出了基于模糊綜合評(píng)價(jià)的粉塵作業(yè)場(chǎng)所風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型。李艷強(qiáng)等[9]基于粉塵分散度、SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、濃度超標(biāo)程度、影響能見(jiàn)度、工人接塵時(shí)間等指標(biāo)建立了礦塵危害模糊綜合評(píng)價(jià)體系，并進(jìn)行了危害等級(jí)劃分。趙清亞等[10]建立了針對(duì)采掘工作面防塵措施的量化四級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并選取層次分析法與模糊綜合評(píng)價(jià)法構(gòu)建了評(píng)價(jià)模型。佟瑞鵬等[11-12]運(yùn)用生命周期評(píng)價(jià)和清單分析法，建立了煤礦粉塵與健康損害定量評(píng)價(jià)關(guān)系，劃分了各作業(yè)區(qū)域工種健康風(fēng)險(xiǎn)大小。

目前的研究主要考察了粉塵誘發(fā)塵肺病的若干主要因素，但是粉塵危害取決于檢測(cè)區(qū)域的粉塵，煤層的空間環(huán)境、開(kāi)拓開(kāi)采方式、作業(yè)人員活動(dòng)和防塵控塵設(shè)施的布置，同時(shí)也不同程度地影響著粉塵誘發(fā)塵肺病的風(fēng)險(xiǎn)[13]，并且也沒(méi)有形成一套具有“判斷-分析-總結(jié)-建議”的完整數(shù)據(jù)管理體系。為了做好礦井粉塵防治工作，使更多煤礦得到有效的粉塵風(fēng)險(xiǎn)評(píng)測(cè)，有必要分析煤礦的粉塵風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，建立可靠的數(shù)學(xué)模型，形成一套全面、系統(tǒng)、科學(xué)的粉塵風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系。

本文分析總結(jié)了當(dāng)前的研究成果，確定了粉塵危害評(píng)價(jià)指標(biāo)，基于層次分析法建立一套完整、客觀的煤礦粉塵風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)價(jià)體系，并開(kāi)發(fā)了面向用戶的評(píng)測(cè)軟件，構(gòu)建了煤礦粉塵風(fēng)險(xiǎn)客觀有效的評(píng)測(cè)和管理平臺(tái)，為管理人員實(shí)施粉塵防治提供決策支持。

1 評(píng)價(jià)體系的建立

1.1 指標(biāo)的確定和分層

根據(jù)影響煤礦粉塵產(chǎn)生各種因素的綜合分析，結(jié)合國(guó)內(nèi)外對(duì)煤礦粉塵職業(yè)病的研究，大量的研究者發(fā)現(xiàn)，煤階越高的煤塵引起塵肺的概率越大，在高階煤中引起塵肺病比低階煤概率高5倍[14-16]；接塵時(shí)間越長(zhǎng)，發(fā)病概率越大[5-8]。因此，將本指標(biāo)體系分為五大類(lèi)：第一類(lèi)客觀因素B1，包括3個(gè)大項(xiàng)11個(gè)小項(xiàng)目；第二類(lèi)井下工序B2，包括3個(gè)大項(xiàng)11個(gè)小項(xiàng)；第三類(lèi)作業(yè)人員B3，包括8個(gè)小項(xiàng)；第四類(lèi)防降塵措施B4，包括13個(gè)小項(xiàng)；第五類(lèi)監(jiān)控體系B5，包括6個(gè)小項(xiàng)。粉塵危險(xiǎn)因素及其評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 煤礦粉塵健康危害評(píng)估指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)模型及其權(quán)重分配

1.2 評(píng)價(jià)方法的確定

1.2.1 確定綜合評(píng)分方法

粉塵風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中通常的定量方法是建立目標(biāo)量與指標(biāo)值的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，但這需要大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，并且由于分析指標(biāo)的項(xiàng)數(shù)受到制約，達(dá)不到全面評(píng)價(jià)的效果。因此，采用單項(xiàng)逐一評(píng)分，最后進(jìn)行累計(jì)加分得出評(píng)分，最終確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

Ci為評(píng)語(yǔ)集見(jiàn)式(1)。

Ci=(c1,c2，…,cm)

(1)

Ui為評(píng)分集見(jiàn)式(2)。

Ui=(ui,1,ui,2，…,ui,k，…,ui,m)

i=1,2，…,49

(2)

分值與指標(biāo)參數(shù)值間的映射見(jiàn)式(3)。

Ci→Ui

(3)

綜合評(píng)分計(jì)算公式見(jiàn)式(4)。

(4)

該方法簡(jiǎn)單易行，但忽略了主要項(xiàng)目的決定作用，其結(jié)果不一定反映出最終事實(shí)。所以在累計(jì)加分的基礎(chǔ)上，還應(yīng)對(duì)各指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行判別，以改變各指標(biāo)分值幅度的方法彌補(bǔ)累加法的弱點(diǎn)。

1.2.2 指標(biāo)權(quán)重的確定方法

煤礦粉塵風(fēng)險(xiǎn)分析中面臨的是一個(gè)由相互關(guān)聯(lián)、相互制約的眾多因素構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，層次分析法通常是采用帶有定性指標(biāo)的指標(biāo)體系賦權(quán)法，在保證系統(tǒng)整體性的同時(shí)，又簡(jiǎn)化了各指標(biāo)間的關(guān)系。因此，本文選用層次分析法確定各層因素的權(quán)重值。

為了使權(quán)重判斷定量化，需要形成判斷矩陣，其中，Xi代表各指標(biāo)，xij代表Xi指標(biāo)與Xj指標(biāo)相對(duì)重要度之比，并引用表1的標(biāo)度方法，用9個(gè)數(shù)字表示。

根據(jù)評(píng)價(jià)因素進(jìn)行兩兩比較后，得到判斷矩陣X=(xij)n×n，需進(jìn)一步用和積法計(jì)算各指標(biāo)的相對(duì)權(quán)值，具體步驟如下所述。

1) 將判斷矩陣X的每一列元素作歸一化處理，其元素一般項(xiàng)公式見(jiàn)式(5)。

(5)

(6)

3) 計(jì)算矩陣的最大特征根λmax表達(dá)式見(jiàn)式(7)。

(7)

1.2.3 粉塵風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重的確定

根據(jù)圖1中的因素從上層至下層按表1列出判斷矩陣。通過(guò)專(zhuān)家評(píng)分法形成判斷矩陣，共有5位專(zhuān)家參與評(píng)分，其中，2位專(zhuān)家是從事粉塵防治工作30余年的煤礦技術(shù)工人、2位專(zhuān)家是以煤礦粉塵治理為方向的教授、1位專(zhuān)家是進(jìn)行過(guò)大量相關(guān)文獻(xiàn)查閱的博士。經(jīng)過(guò)專(zhuān)家評(píng)分法可以得到矩陣(表2和表3)。

表1 隨機(jī)一致性指標(biāo)RI

表2 A-B判斷矩陣

表3 C1-D判斷矩陣

將各判斷矩陣按照1.2.2部分所示方法求得各因素在對(duì)應(yīng)層次的權(quán)重，并通過(guò)一致性檢驗(yàn)。將底層各因素進(jìn)行總排序，計(jì)算出所有指標(biāo)對(duì)于目標(biāo)層的權(quán)值Ci，具體算法為見(jiàn)式(8)。

Wi=εWA,iWB,iWC,i

(8)

式中：WC,i為Ci在所屬指標(biāo)層的權(quán)重；WA,i、WB,i分別為Ci指標(biāo)所隸屬的因素在高層次的權(quán)重；ε為修正系數(shù)，為了避免不同指標(biāo)權(quán)重之比過(guò)為懸殊，對(duì)于指標(biāo)層次較少的評(píng)判體系來(lái)說(shuō)，ε可以取1。如：煤層種類(lèi)C1的權(quán)重Wi=1×0.199 1×0.066 5×0.124 8=0.008 294。

由此可知，不同指標(biāo)在評(píng)價(jià)粉塵風(fēng)險(xiǎn)中的重要程度被清晰地量化，指標(biāo)權(quán)重分配如圖1所示。由圖1可知，影響煤礦粉塵危害性的各因素重要程度是不均等的。在二級(jí)指標(biāo)中，井下工序所起作用最大，其中采煤方法在總指標(biāo)排序中最大。例如，水力采煤相比綜合機(jī)械化采煤從抑制產(chǎn)塵的角度具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，但水力采煤不能滿足高產(chǎn)高效集約化生產(chǎn)的要求。另外是防降塵措施，采煤和掘進(jìn)工作面防塵降塵的措施十分迫切，這與實(shí)際相符合，證明該方法的合理性與實(shí)用性。通過(guò)關(guān)注掌握主要因素提高對(duì)敏感因素的檢測(cè)，警惕易忽略的因素，利用層次分析法進(jìn)行危險(xiǎn)評(píng)估，有針對(duì)性地對(duì)實(shí)際工作中粉塵防治進(jìn)行布置。

1.2.4 確定指標(biāo)備擇集與評(píng)分集的映射關(guān)系

以往對(duì)煤塵的研究主要集中在粉塵的自身特性，針對(duì)具有量化的指標(biāo)建立了很多經(jīng)驗(yàn)公式。如AYDIN[17]基于logistic regression modeling建立了煤工塵肺患病概率與粉塵濃度、工種類(lèi)型、教育背景、年齡、接塵時(shí)間和礦區(qū)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式；李明[3]利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了粉塵SiO2含量、粉塵濃度、接塵時(shí)間與塵肺發(fā)病率之間的關(guān)系。但對(duì)于一些定性的指標(biāo)和難以建立明確函數(shù)關(guān)系的指標(biāo)，如職工防塵觀念、勞動(dòng)強(qiáng)度、監(jiān)測(cè)制度等，在對(duì)礦井進(jìn)行粉塵風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)時(shí)，常常只能對(duì)某因素做出“促進(jìn)”或是“抑制”粉塵的評(píng)價(jià)，而無(wú)法確定其確切的風(fēng)險(xiǎn)值。

因此，考慮到建立精確映射關(guān)系的不可行性，定量指標(biāo)中的備擇參數(shù)應(yīng)以區(qū)間的形式表示，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)函數(shù)確定映射分值；而對(duì)只能定性的指標(biāo)采用主觀判別法，由專(zhuān)家依據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定映射分值，如果因素促進(jìn)粉塵產(chǎn)生，則給予正分；如果抑制粉塵則給予負(fù)分，總分越高風(fēng)險(xiǎn)越大。

指標(biāo)中的備擇集里各備擇項(xiàng)通過(guò)合理的分析和排序，可以得到各備擇項(xiàng)的相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)值Si,k，規(guī)定取值區(qū)間在[-5，5]，正值表示促進(jìn)粉塵產(chǎn)生危害，負(fù)值表示抑制粉塵危害。例如：指標(biāo)d1煤種類(lèi)型中“褐煤”的相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)值S1,1為1，“無(wú)煙煤”的相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)值S1,5為5；指標(biāo)d25防塵觀念中“弱”的相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)值S25,1為-1，“強(qiáng)”的相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)值S25,3為-5。

在體系中，對(duì)每項(xiàng)指標(biāo)的分值單位量度取權(quán)重的百分位值，再根據(jù)各指標(biāo)與分值間的映射關(guān)系和其指標(biāo)權(quán)重Wi確定指標(biāo)的分值域Ui，見(jiàn)式(9)和式(10)。

Ui=(u1,u2,…,uk,…,un)

(9)

ui,k=102WiSi,k

(10)

式中，uk為Ci指標(biāo)中備擇項(xiàng)k對(duì)應(yīng)的評(píng)分值。例如：指標(biāo)d1煤種類(lèi)型中“無(wú)煙煤”參數(shù)的評(píng)分值U1,5為：U1,5=0.008 294×5=4.147 1分。

1.2.5 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的劃分

按照上述方法建立了各指標(biāo)備擇集與評(píng)分集的映射關(guān)系后，基本形成了定量評(píng)價(jià)體系。將此體系運(yùn)用到煤礦進(jìn)行粉塵試評(píng)，基于每個(gè)煤礦的最終評(píng)判總分以及實(shí)際檢測(cè)出的粉塵危害狀況，根據(jù)專(zhuān)家建議，將風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分為5個(gè)級(jí)別，見(jiàn)表4。

表4 煤礦粉塵健康危害等級(jí)劃分

2 煤礦粉塵風(fēng)險(xiǎn)評(píng)測(cè)軟件開(kāi)發(fā)

本文對(duì)煤礦粉塵風(fēng)險(xiǎn)評(píng)測(cè)軟件進(jìn)行了研發(fā)，該軟件系統(tǒng)既是一個(gè)采用新建立的煤礦粉塵健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系的測(cè)評(píng)平臺(tái)，也是一個(gè)煤礦粉塵相關(guān)因素整合的管理平臺(tái)。軟件設(shè)計(jì)主要基于“選擇-計(jì)分”的評(píng)測(cè)模式，對(duì)每項(xiàng)因素值進(jìn)行計(jì)分，最后統(tǒng)計(jì)總分。該軟件主要由用戶登陸系統(tǒng)、用戶操作系統(tǒng)、評(píng)測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)四個(gè)部分所組成。其中評(píng)測(cè)系統(tǒng)主要包括兩部分，一部分為本地評(píng)測(cè)，根據(jù)本文設(shè)計(jì)的體系由軟件自行評(píng)測(cè)；另一部分為遠(yuǎn)程評(píng)測(cè)系統(tǒng)，由煤礦粉塵方面的專(zhuān)家組成，用戶可以得到更為全面專(zhuān)業(yè)的粉塵防治建議，以便對(duì)煤礦現(xiàn)有設(shè)施和條件進(jìn)行改造。另外，軟件在設(shè)計(jì)中建立數(shù)據(jù)庫(kù)，使軟件能與其他系統(tǒng)掛接進(jìn)行自由導(dǎo)入和導(dǎo)出。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 綜合評(píng)分

結(jié)合YJ煤礦、XQ煤礦和TQ煤礦三處礦井參數(shù)(表5)，基于新建立的煤礦粉塵健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系進(jìn)行了實(shí)例分析，得到了綜合評(píng)價(jià)結(jié)果(表6)。

表5 礦井參數(shù)

續(xù)表5

表6 三個(gè)礦井綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

3.2 結(jié)果分析

從上述評(píng)分情況可以看出，三組煤礦的評(píng)分差異顯著，處于不同的礦塵危險(xiǎn)等級(jí)(圖2)。

圖2 YJ煤礦、XQ煤礦和TQ煤礦礦塵風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)對(duì)比

YJ煤礦得分為102.57，礦塵危害等級(jí)為Ⅱ級(jí)(嚴(yán)重)。YJ煤礦的變質(zhì)程度低，煤塵危害相對(duì)小，且具備大量用水防塵措施；每月進(jìn)行防塵技能學(xué)習(xí)，職工具有較強(qiáng)的防塵意識(shí)。但采用綜合機(jī)械化開(kāi)采且采高大，礦井產(chǎn)塵量大，且礦井地溫高礦塵易飛揚(yáng)。YJ煤礦累計(jì)發(fā)現(xiàn)塵肺病102例，近年塵肺發(fā)病率占體檢人數(shù)的0.74%，情況較為嚴(yán)重。

XQ煤礦得分為71.19，粉塵危害等級(jí)為Ⅳ級(jí)(輕微)。該礦開(kāi)采高變質(zhì)無(wú)煙煤，煤塵具有嚴(yán)重危害性，工人接塵時(shí)間大于6 h。但該礦無(wú)放頂煤開(kāi)采，采用封閉式煤倉(cāng)，職工防塵觀念較好，并有制度的對(duì)粉塵進(jìn)行檢測(cè)且專(zhuān)人專(zhuān)用。

TQ煤礦得分為136.58，危害等級(jí)為Ⅰ級(jí)(非常嚴(yán)重)。第一，TQ煤礦為新建現(xiàn)代化礦井，職工普遍為非煤礦人員轉(zhuǎn)入，防塵觀念較弱；第二，TQ煤礦采用放頂煤開(kāi)采且采放比大，產(chǎn)塵情況嚴(yán)重；第三，TQ煤礦主要產(chǎn)塵點(diǎn)仍然采用傳統(tǒng)的噴霧灑水方法治理粉塵，降塵效率低，且煤質(zhì)含水低、巷道風(fēng)流干燥，致使落塵易飛揚(yáng)。

由上分析可知，本文構(gòu)建的評(píng)價(jià)體系針對(duì)三個(gè)礦井的粉塵危害等級(jí)劃分與礦井實(shí)際粉塵現(xiàn)狀相符，評(píng)價(jià)結(jié)果具有一定的參考和推廣價(jià)值。

三個(gè)對(duì)比煤礦中，TQ煤礦的粉塵危害等級(jí)最為嚴(yán)重(Ⅰ級(jí))，若TQ煤礦采取粉塵防范措施，增加培訓(xùn)加強(qiáng)職工防塵觀念、強(qiáng)化防塵技能，并要求職工佩戴個(gè)體粉塵監(jiān)測(cè)器，其評(píng)分值可降為115.94，即粉塵危害等級(jí)降為Ⅱ級(jí)(嚴(yán)重)；若TQ煤礦進(jìn)一步采取措施，放頂煤時(shí)封閉塵源，在掘進(jìn)作業(yè)場(chǎng)所增加除塵設(shè)備，配專(zhuān)用粉塵檢測(cè)人員并嚴(yán)格執(zhí)行粉塵檢測(cè)制度，其評(píng)分值可降為87.83，粉塵危害等級(jí)可降為Ⅲ級(jí)(中度)。通過(guò)評(píng)價(jià)體系對(duì)防塵措施影響粉塵危害指標(biāo)的模擬，可增強(qiáng)人們對(duì)煤礦粉塵危險(xiǎn)程度的認(rèn)識(shí)，提高礦塵評(píng)價(jià)和預(yù)防的效率，有利于煤礦做好粉塵防治工作。

4 結(jié) 論

1) 針對(duì)當(dāng)前煤礦粉塵評(píng)價(jià)系統(tǒng)性與科學(xué)性存在的不足，本文全面考慮了礦塵影響因素，結(jié)合礦山實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，確定了五大類(lèi)指標(biāo)體系，采用層次分析法建立了一套煤礦粉塵健康危害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系，將礦塵健康危害劃分為五個(gè)等級(jí)，并開(kāi)發(fā)了配套軟件。

2) 通過(guò)三個(gè)礦井的應(yīng)用與對(duì)比，得出其評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)與危害等級(jí)，評(píng)價(jià)結(jié)果與礦井實(shí)際情況相符，具有參考和推廣應(yīng)用價(jià)值。

3) 研究成果有利于促進(jìn)礦塵評(píng)價(jià)體系的規(guī)范化，減少繁雜的評(píng)測(cè)工序，提高礦塵評(píng)價(jià)和預(yù)防的效率，同時(shí)能夠增強(qiáng)人們對(duì)煤礦粉塵危險(xiǎn)程度的認(rèn)識(shí)，有利于煤礦做好粉塵防治工作。