準東選煤廠膠帶廊揚塵暴露的職業風險評估模型研究

劉 承,邱思然

(國能新疆準東能源有限責任公司,新疆 昌吉 831100)

近年來,我國煤炭能源的需求量劇增,大部分行業的運行,如電力、供暖、化工等都跟煤炭有關,使得煤炭企業的生產力度不斷加大,因此接觸粉塵的職工數量也在不斷增加。長期處于煤塵作業環境的工人易得煤肺病或煤矽肺病[1]。根據國家衛健委統計的數據,塵肺病仍居中國九大職業病首位。截至2021年底,塵肺病新增病例數為11 809例,占全國職業病新增病例數的76.64%[2-3],不僅嚴重威脅著廣大職工的身體健康,而且還造成了巨大的經濟損失,對社會的文明進步產生了不良影響。

為了進一步分析粉塵排放對礦工的健康影響,多名國內外研究學者采用風險評估方法評估排放粉塵造成人類健康風險的可能性和嚴重程度。林嗣豪等[4]建立了職業危害風險指數評估方法;田冬梅等[5]從人-物-環-管理4個方面提出了基于模糊綜合評價的粉塵作業場所風險評價模型;王善文等[6]建立了企業職業危害綜合評價和風險分級系統;張忠彬[7]考慮了超標倍數、超標率并建立了作業場所職業危害風險綜合評價模型;何國家等[8]研究了不存在任何防護、嚴格執行防護措施及防護用品使用存在個體差異三種情形下粉塵危害風險規模的評價方式;佟瑞鵬等[9]研究了不確定性條件下煤塵職業健康損害評價方法。

然而,露天煤礦膠帶廊的揚塵暴露風險主要受限于作業類型和礦工的自我防護意識。一方面,不同的作業環節導致的工作內容不一樣[10],導致選煤廠不同崗位工人每日的粉塵暴露時間相差較大;另一方面,隨著綠色建筑、綠色施工等環保理念的引入和政府部門的介入,提高了煤炭企業和施工人員的自我衛生管理意識[11]。對于健康風險評估,應著重考慮相關工人的實際粉塵暴露濃度,因此,露天煤礦選煤廠膠帶廊揚塵暴露的健康風險評估是礦山安全環保工作中的重要內容之一。

1 膠帶廊塵源產塵機理及影響因素

膠帶廊作為煤礦內部的重要輸送通道,不僅承擔著煤炭運輸的重要任務,也是主要的產塵源之一。煤炭破碎和運輸是選煤廠膠帶廊的主要產塵環節。在煤炭從采礦現場到處理設備或倉庫的過程中,煤炭經歷了破碎和運輸階段,這兩個階段均會導致煤塵的生成和擴散[12]。

1.1 膠帶廊煤炭破碎機理分析

露天煤礦中,較大的塊狀煤炭從現場挖掘出來,這些煤塊需要被破碎成適合運輸和處理的小塊或顆粒。煤炭破碎設備主要包括以下三種:①顎式破碎機:顎式破碎機是常見的煤炭破碎設備之一,它通過兩個可移動的顎板將煤炭擠壓、破碎成較小的塊狀物料。②圓錐破碎機:圓錐破碎機以錐形破碎腔為特征,通過回轉圓錐體將煤炭壓縮、破碎。③輥式破碎機:輥式破碎機用兩個旋轉輥軸將煤炭擠壓、破碎成均勻的小塊煤炭。

煤炭在膠帶廊上輸送和處理的過程中產生粉塵的主要機理包括[13]:①機械破碎:煤炭在傳輸過程中可能會受到擠壓、碰撞和摩擦等機械力的作用,導致顆粒破碎。特別是在膠帶彎道、轉載點和傳輸點等地方,煤炭顆粒更容易受到機械破碎的影響。②空氣流動:煤炭輸送帶上的空氣流動也可以促使煤炭顆粒脫落,產生粉塵。空氣高速流動可能會使顆粒從帶子表面脫落。③濕度和溫度:煤炭破碎和產塵還受到環境濕度和溫度的影響。低濕度和高溫度條件下,顆粒更容易破碎和產生粉塵。

1.2 膠帶廊粉塵產生影響因素分析

膠帶廊煤炭破碎產塵機理和影響因素之間存在相互關聯。為了減少產塵量,需要綜合考慮煤炭性質、設備設計、操作參數和環境條件,采取適當的控制措施,膠帶廊粉塵產生的主要影響因素有[14]:

1) 煤炭性質:煤炭的硬度、濕度、顆粒大小和形狀等性質會影響其破碎和產塵的程度。較硬和干燥的煤炭更容易破碎。

2) 傳輸速度和距離:膠帶廊的輸送速度和輸送距離會影響煤炭顆粒受到的力和條件,從而影響破碎和產塵。

3) 傳輸角度和方向:輸送帶的彎曲角度、傳輸方向和轉載點的設計會影響煤炭顆粒的運動,可能導致更多的破碎和塵埃產生。

4) 設備和維護:膠帶廊的設備狀況和維護程度也是重要因素。磨損嚴重的設備和不良的維護可能增加破碎和產塵的機會。

5) 環境條件:溫度、濕度和空氣流動速度等環境條件對煤炭破碎和產塵也有直接影響。

6) 塵埃控制措施:采取有效的塵埃控制措施,如噴霧系統、塵埃收集器等可以減少煤炭破碎產塵的影響。

2 膠帶廊揚塵暴露的職業風險評估方法

2.1 選煤廠膠帶廊實際粉塵暴露

在選煤廠的實際生產過程中,煤炭企業管理人員經常實施一系列防塵措施保護現場工人的健康。例如,噴霧系統等粉塵控制措施可以降低員工工作環境中的粉塵質量濃度;佩戴個人防護設備(如防塵口罩)可減少鼻子和嘴巴吸入的灰塵。因此,鼻子和嘴巴接觸的實際值應替換為原始環境濃度。

2.1.1 選煤廠膠帶廊降塵措施

噴霧降塵系統已多次應用于抑制煤礦的粉塵擴散。基本過程為:從噴嘴口霧化成的細小水霧將持續捕捉膠帶運輸過程中裹挾的細微粉塵,逐步形成含塵的凝聚團,在重力的作用下沉積至膠帶表面或地表以減少粉塵。選煤廠現場的噴霧降塵控制系統見圖1.

圖1 選煤廠膠帶廊噴霧降塵控制系統

2.1.2 選煤廠膠帶廊防塵措施

井工煤炭開采行業密閉空間粉塵質量濃度高,工人對粉塵的感知更明顯,安全感強,因此在這樣的環境中會主動戴口罩。選煤廠的膠帶廊也是產生粉塵的主要場所之一,但作業人員停滯時間較短,肉眼可見的粉塵消散得很快,使工人產生粉塵質量濃度不足以對他們的健康造成傷害的錯覺。因此,露天煤礦選煤廠很少有人主動佩戴個人防護裝備。

根據《呼吸防護用品自吸過濾式防顆粒物呼吸器》(GB 2626-2006)規定,防塵口罩的隔離性能包括兩個因素:過濾效率(FE)和向內泄漏(IL)。過濾效率是指在規定的檢測條件下,過濾元件過濾的顆粒物的百分比,由式(1)表示:

(1)

式中:FE為防塵口罩的過濾效率;C1為通過過濾元件進入口罩的粉塵質量濃度,mg/m3;C0為環境粉塵質量濃度,mg/m3.

防塵口罩的泄漏率可由式(2)表示:

(2)

式中,Cb為泄漏到防塵口罩中的粉塵質量濃度,mg/m3;Ca為防塵口罩中的背面粉塵質量濃度,mg/m3.

因此,工人接觸的實際粉塵質量濃度為:

(3)

實測結果與相關論文研究表明,職業用口罩(N95、N99防護口罩、外科口罩、一次性醫用口罩)的實際過濾效率為87.3%～99.4%,實際總泄漏率為9%～35%.本研究選取一次性醫用口罩的FE和泄漏率進行計算,分別為88.7%和22%.

2.2 選煤廠膠帶廊礦工健康風險評估

采用公共環境衛生領域的健康風險評估模型,對選煤廠膠帶廊礦工的職業暴露進行定量評價。選煤廠膠帶廊粉塵健康風險評估主要包括粉塵暴露評估與健康風險量化分析兩個部分。

2.2.1 粉塵暴露評估

平均日劑量(ADD)是用暴露參數法計算有害物質對人體的暴露劑量,即在有害物質達到一定濃度的環境中對人體有害物質的吸收劑量。在健康風險評估中ADD的準確計算很關鍵:

(4)

式中:CA為膠帶廊有害物質的環境濃度,mg/m3,可利用式(3)計算;IR為吸入速率,m3/h;EF為選煤廠礦工的連續暴露頻率,d/a,取每年的工作天數;ET為工人的平均日暴露時間,h/d;ED為礦工的連續暴露持續時間,取每個作業工序的持續時間,a;BW為工人的平均體重,kg;AT為礦工的平均暴露時間,取每個作業工序的持續時間,d.

2.2.2 健康風險量化分析

粉塵引起的主要疾病包括塵肺病、急性呼吸道感染(ARTI)、慢性阻塞性肺病(COPD)、血管性心肌病、腦血管疾病(CVD),甚至導致死亡。每種風險按比例分配給相關疾病,并根據每種疾病的損害因素計算殘疾調整生命年(DALY):

DALY=n·∑R·Qi·Wi·Li·P

(5)

式中:Qi為疾病i的危險因素;Wi為疾病i的影響因子;Li為疾病i的損害因子;P為受損害影響的人數;n為暴露天數,取施工周期,d;R為粉塵對健康造成損害的風險指數,可利用公式(6)進行計算。

(6)

式中:RfD為粉塵的參考劑量,mg/(kg·d)。本文中取二氧化硅的代表值0.4 mg/(kg·d)。

本研究的對象為新疆準東露天煤礦的從業人員。管理人員和煤礦工人都是來自當地的男性。假定管理人員和工人的平均預期壽命均為76.7歲,根據文獻[4]給出的粉塵引起的健康風險影響因素如表1所示,工人的平均預期剩余壽命如表2所示。

表1 選煤廠粉塵職業危害健康風險

表2 選煤廠礦工的平均預期剩余壽命

3 實例應用

3.1 工程背景及監測設備的布設

準東選煤廠地面煤炭生產系統包括采場內MMD一級破碎站、001(明槽膠帶)輸煤斜巷、地面輸煤走廊、篩分破碎車間、產品倉及快速裝車站等。準東露天煤礦生產的毛煤經MMD一級破碎站,通過排料膠帶、轉載膠帶運輸至坑下2個緩沖原煤倉,經過明槽膠帶輸送到002膠帶,002膠帶將原煤運輸到101膠帶,原煤通過101膠帶到達篩分樓7樓,經過分叉中部槽落入6樓的201號、202號刮板機內,后經分布于篩分樓3樓的217號、218號、219號、220號、221號、222號6臺破碎機進行破碎加工,后全部進入篩分二樓223號刮板機,通過閘板和機頭中部槽分配至301、302膠帶或206膠帶,根據需要進入各筒倉或輸電廠膠帶或廊道公司。工藝流程見圖2.

圖2 準東露天礦某選煤廠工藝流程圖

3.2 粉塵質量濃度的監測結果和分析

對安全技術員、膠帶廊管理員、檢修員、安全員、巡查員以及門衛在工作階段和休息階段接觸的粉塵進行連續、實時監測。在工作階段,各類崗位人員接觸到的粉塵質量濃度是現場出入口處粉塵監測站的質量濃度。管理人員在項目部休息,將暴露粉塵濃度設置為兩個項目部門粉塵監測站的平均值。大約需要1.5 h才能到達和離開政府指定的挖掘現場到施工現場。在休息(運輸)期間,檢修員、巡查員暴露在建筑工地的背景濃度作為實際暴露粉塵質量濃度。表3列出了不同崗位人員在不同狀態下的粉塵暴露濃度。

表3 選煤廠不同礦工的粉塵暴露濃度

平均值反映了工人實際的粉塵暴露,最大值和最小值的計算表示工人暴露的粉塵范圍,而中位數代表工人實際粉塵暴露濃度的主要間隔。由表3、表4可以看出,在沒有任何粉塵控制措施的情況下,不同從業人員的粉塵暴露濃度在6～290.98 mg/m3之間。在選煤廠的實際生產過程中,礦工的粉塵暴露濃度高于中國國家標準的要求[2]。對比表中粉塵控制措施前后的濃度分布可以看出,使用粉塵控制措施后,中位數和標準差明顯降低,并且沒有最大值遠高于平均值的現象。除塵措施對工人產生了積極影響。對于膠帶廊巡查員和巡檢員來說,使用噴霧除塵后的粉塵質量濃度僅為原始粉塵質量濃度的36.9%.對于膠帶廊管理員、檢修員、安全員來說,使用噴霧后的粉塵質量濃度僅為原始粉塵質量濃度的42.7%.

表4 選煤廠不同礦工的粉塵暴露評估

3.3 健康風險評估

通過將各種參數代入等式(1)～(6)中,獲得了無粉塵控制措施和有粉塵控制措施兩種評估結果。

3.3.1 無粉塵控制措施評估

在沒有任何除塵措施的情況下,對健康風險進行了定量評估,如表5所示。工人的工作期間的總健康風險范圍為14.03×10-6～208.4×10-6,平均值為31.06×10-6,超過了限制值10-6美國環保局推薦。工人的休息期間的總健康風險范圍為0.63×10-6～2.19×10-6,平均值為1.18×10-6,相對于不工作期間有大幅度的下降,因此在皮帶廊選煤廠的施工過程中,如果不采取防塵措施,就會對工人的健康造成一定的威脅。殘疾調整生命年的范圍為0.057～0.108 1 a.

3.3.2 有粉塵控制措施評估

考慮施工現場的除塵措施和防塵口罩的隔離效果評估工人的健康風險,安全技術人員與膠帶廊檢修員的總體健康風險最大,但由于人均膠帶廊檢修員人數眾多,檢修員的健康風險較小。噴灑粉塵控制措施和使用防護口罩可以在很大程度上降低膠帶廊現場人員的健康風險。呼吸器的整體防護效果(67.54%)大于噴霧粉塵(38.56%)。防護口罩的效果只能針對用戶,不能對整體施工環境產生積極影響。在選擇粉塵處理措施時,決策者還應考慮對周圍環境和居民的影響。當兩種職防措施一起使用時,健康風險降低了76.89%.雖然聯合使用的效果優于任何單一措施,但僅比單獨使用防護口罩降低了9.35%的風險。因此,決策者需考慮如何正確使用粉塵處理措施,以實現效益最大化。

4 結 語

1) 考慮膠帶廊不同崗位和作業時間具有差異性,通過傳感器和計算得到工人實際粉塵暴露濃度,建立了包括粉塵暴露評估和健康風險量化在內的健康風險評估模型。并分析了噴霧降塵技術和防塵口罩在選煤廠膠帶廊的應用效果。

2) 佩戴防護口罩和噴霧系統都可以有效降低選煤廠膠帶廊的健康風險,除塵效率分別為67.54%,38.56%,聯合控塵措施的除塵效率為76.89%,高于使用任何單一措施。

3) 在沒有任何粉塵控制措施的情況下,所有工人的總健康風險范圍為14.03×10-6～208.4×10-6,總健康風險的平均值為31.06×10-6,單一工人的健康風險沒有超過這一限值。不同類型的工人因其工作內容而暴露在不同程度的粉塵中。管理人員應針對不同工作類型的不同工人采取不同的防塵措施,以確保工人的健康狀況。