基于物元可拓理論的高海拔通風作業環境評價研究

朱維根，葛啟發，2，張海勝，陳慶剛

(1.中國恩菲工程技術有限公司，北京 100038；2.北京科技大學，北京 100083)

0 引言

普朗銅礦位于滇西北橫斷山脈東北部的迪慶州香格里拉縣東北部，地處雪域高原的高山峽谷地帶，為青藏雪域高原南緣部分，地勢總體較高，最高海拔4 702 m，最低3 450 m，一般3 600～4 500 m，相對高差達300～1 300 m；礦區年平均降雨量619.9 mm，雨季(5～10月)降水量占全年降水量的87.1%。降水量隨海拔增高而遞增，海拔每增高100 m，降雨量增加20～40 mm。最大降水高度出現在海拔3 400～3 600 m的區域，降水量達1 000～1 200 mm。高原壩區年蒸發量1 382.6～1 919.0 mm，平均1 644.6 mm。

普朗礦區氣候為寒溫帶氣候，冬季氣候比較寒冷。氣象資料表明，礦區最高氣溫25.4 ℃，最低氣溫-20.1 ℃，年平均氣溫4 ℃，最熱月平均氣溫10 ℃左右，最冷月平均氣溫-8 ℃，日照百分率為49.6%。5～10月氣候較為溫和，11月至翌年4月為積雪期，經常冰凍雪蓋，全年無霜期僅128天。高原壩區(海拔3 000～3 300 m)平均年凍土日數為127.1天，平均凍土深度0.18 m，極端情況下最大凍土深度0.25 m。

由于普朗礦區地理環境及氣候條件具有海拔高，氣壓低、空氣密度小，冬季氣溫低，比較寒冷，經常冰凍雪蓋等特點，故在通風空調設計及設備選型時，必須考慮高原、高寒、高海拔氣候對人員生活和設備運行的影響，并采取一定的防御措施[1-2]。

然而目前對礦井通風作業面環境評價的方法都未能考慮到高海拔的特殊情況，適用性較差，針對高海拔的條件，本文開展基于物元可拓理論的高海拔通風作業環境評價研究。

1 礦井微氣候環境指標分析

1.1 國家標準

在我國的《金屬非金屬礦山安全規程》、《金屬非金屬地下礦山通風技術規范》等有關規程規范中，對礦井通風微氣候環境相關指標做出了詳細的規定，包括通風系統、溫度、風速、風量，以及風流質量和通風效果均作出了明確的要求。采掘作業地點的氣象條件應符合表1的規定，否則，應采取降溫、保溫等防護措施[3-4]。

表1 采掘作業地點氣象條件規定

采礦作業環境中，有毒有害氣體及粉塵是影響作業人員健康的重要因素，為保障工人身體健康及良好的工作狀態，通風系統工作面通風應符合以下要求：

(1)井下采掘工作面進風流中的空氣成分(按體積計算)，氧氣應不低于20%，二氧化碳應不高于0.5%。

(2)入風井巷和采掘工作面的風源含塵量，應不超過0.5 mg/m3。

(3)井下作業地點的空氣中，一氧化碳不高于0.002 4%，氮氧化物不高于0.000 25%，二氧化硫不高于0.000 5%，硫化氫不高于0.000 66%，氡氣濃度不高于3.7 KBq/m3，氡子體潛能不高于6.4 μJ/m3。

1.2 高海拔特殊作業影響因素分析

由于海拔的升高，礦井作業面的環境會出現三大特點，分別是低含氧量、低氣壓和低氣溫，而大氣壓隨海拔升高而降低是造成缺氧并引起高原反應癥狀的原因，嚴重低氧可危及人的生命；眾多研究表明，高海拔地區風機的風壓是標準狀態下的0.6倍，礦井通風具有風阻減小、風量相等等特征。因此，高海拔礦井通風作業環境指標與傳統礦井通風要求相比，所涉及的影響因素更多，需要進行單獨分析研究[5-8]。

根據職業病防治標準、工作場所衛生標準等相關的安全健康標準，綜合考慮高原地下非煤礦山的特點，從高原病的影響因素、工作場所的物化因素以及工作人員的工作特征三方面出發，選取等效氧氣濃度A、熱舒適有效溫度B、空氣質量指數C、勞動強度D作為評價指標。

(1)等效氧氣濃度A

在高海拔帶來的各種不利因素中，對人體最直接的影響就是缺氧。人體缺氧，會對人體產生一系列不良作用：長期慢性缺氧還會引起神經體液及內分泌功能紊亂，局部胃粘膜缺血性改變等；極嚴重的缺氧，可使人體呼吸減弱，甚至停滯。高原對人的身心健康、勞動能力影響非常明顯，與平原相比，人的勞動能力在海拔3 000 m處下降29.2%，在海拔4 000 m處下降39.7%。

環境性缺氧以進入呼吸道氣體中的氧分壓，即氣管氣氧分壓或肺泡氣氧分壓為衡量指標，如表2所示。根據人的生理特點和國內高海拔礦山調研，把等效氧氣濃度分為四個級別，如表3所示。

表2 不同海拔等氧氣分壓與含氧濃度表

表3 等效氧氣濃度分級表

(2)熱舒適有效溫度B

在高原環境下，低氣壓也是影響著人體熱舒適的重要因素。在低氣壓條件下，氣壓對熱舒適的影響僅次于溫度，而大于風速，這說明在高原地區，人的熱感受跟平原有一定的差別。本次研究采用有效溫度來表示熱舒適程度，有效溫度是將溫度、濕度及風速對人體的熱感覺效應綜合成一個單一空氣溫度表示的熱感覺指標。根據有效溫度與人體生理及工效的關系，將其分為四級，如表4所示。

表4 有效溫度分級表

(3)空氣質量指數C

井下環境空氣質量受多種因素影響，主要包括鑿巖、爆破、井下機車燃油等產生的有毒有害氣體及粉塵。有毒氣體存在多種，如CO、NOx、SO2等，這些氣體間還會發生聯合作用。當對高原與平原的環境質量進行比較時，必須考慮缺氧對毒性的加成作用。經過研究表明，人體對CO2的分壓而不是濃度敏感，其在高原地區的分壓有所降低，故當CO2濃度在2%以下時，其對換氣的影響可以忽略。對于有毒有害氣體的衛生標準如表5所示。

表5 有毒氣體的衛生標準

同時，高原地區塵肺明顯高于平原地區；在高原缺氧、干燥的氣候下，工人患塵肺的幾率可能增大；肺通氣量隨著海拔增高而增大，缺氧環境由于通氣量增大導致粉塵吸人量增多，促進肺組織彌漫性纖維化加重，肺功能的損傷程度比平原地區要高。粉塵濃度可以根據國標要求進行判定。

因此，為了便于對比分析，將有毒有害氣體和粉塵統一成空氣質量指數，其空氣質量指數分為四級，分別是少于0.5、少于1、少于1.2、少于1.5、少于5，表示為舒適、較舒適、中等、容許、較差。

(4)勞動強度D

對于礦井作業不同勞動強度的工種與生產效率、工人生理承受能力都密切相關，因此，勞動強度指數是本次作業環境指標研究的重要指標。

國家勞動強度分級標準如表6所示。體力勞動強度級別劃分是基于體力勞動強度指數進行的，勞動強度指數計算公式如公式(1)所示。

表6 國家勞動強度分級標準

I=10TMWS

(1)

式中I—勞動強度指數；

10—計算系數；

T—勞動時間率，%；

M—8 h工作日平均能量代謝率，kJ/(min×m2)；

W—體力勞動方式系數(搬：1；扛：0.4；推/拉：0.05)；

S—性別系數(男性：1；女性：1.3)。

對公式(1)進行分析可知，高海拔條件與平原的主要區別為平均能量代謝率。平均能量代謝率隨著海拔的增高而增加，增長系數如表7所示。

表7 能量代謝率變化系數

1.3 高海拔特殊作業指標表

經過1.2的分析，本研究中高海拔作業舒適性評價指標由等效含氧濃度A、熱舒適有效溫度B、空氣質量指數C、勞動強度D等四種因素組成，各因素可分成舒適(等級Ⅰ)、較舒適(等級Ⅱ)、中等(等級Ⅲ)、容許(等級Ⅳ)和較差(等級Ⅴ)五個等級，綜合評價指標表如表8所示。

表8 高海拔礦井通風舒適性評價指標表

為了便于比較分析，等效含氧濃度A最大值按醫用低濃度吸氧濃度40%，因此，其取值范圍[0，40]；熱舒適有效溫度B的取值是根據已有礦山涉及到的最低溫度和最高溫度，其取值范圍[-20，50]；空氣質量指數C主要根據污染的特征值，其取值范圍[0，5]；勞動強度D根據特征值，其取值范圍[0，50]。對于存在特異值可能的話，可以根據實際情況單獨處理。

2 物元可拓分析理論

以N表示某一事物名稱，C表示其某一特征，其相應的度量值記為V，通?？梢杂糜行虻娜獢到M

R=(N，C，V)作為描述事物的基本元，簡稱物元。并稱事物的名稱N、事物的特征C和特征度量值V為物元的三要素，若事物N有n個特征，此時，稱R為n維物元，簡稱為R=(N，C，V)[9-10]。

(1)待評物元

待評事物N有個特征c1，c2，…，cn，其對應的量值分別為v1，v2，…，vn，記矩陣R為：

(2)

矩陣R為待評事物N的待評矩陣。

(2)經典域

做為評價事物的標準事物記為Nj，其特征Ci的量域Vji=[aji，bji]，稱Ci為經典域，經典域物元矩陣記為Rj，Rj的表達式為：

(3)

(3)節域

記待評物元特征量值的全體為P，P關于特征ci的量域Vpi=[api，bpi]，稱Vpi為待評物元關于特征ci的節域，記節域物元矩陣為Rp，Rp的表達式為：

(4)

(4)關聯度與關聯函數

關聯度表示了待評物元與經典域的貼近程度，可以在實數范圍內用函數來表示關聯度，稱為關聯函數。待評物元N第i個評價指標vi與第j評價等級的關聯函數計算公式為：

Kj(vi)=ρ(vi，Vji)/[ρ(vi，Vpi)-ρ(vi，Vji)]

(5)

式中：

(6)

(7)

當Kj(vi)>0時，表示vi屬于Vjk，Kj(vi)越大，說明vi具有Vjk的屬性越多，當Kj(vi)≤0時，表示vi不屬于Vjk，Kj(vi)越小，說明vi離區間Vjk越遠。

依據關聯函數，可計算待評物元與第j級別的關聯度，計算公式為：

(8)

3 高海拔通風作業環境物元評價分析

經過普朗銅礦現場3 720 m、3 736 m和3 600 m等多個作業點測試，選取部分測試點進行數據分析，并進行指標歸類。其中含氧濃度直接測定；熱舒適有效溫度主要根據人員體感和熱感判斷，結合表4高寒礦井取下值得出；空氣質量指數是根據監測有毒有害氣體和粉塵量，結合表5的衛生標準得出；勞動強度是根據工種對應指標得出。需要說明的是，鑒于研究深入程度，部分指標數據未做完全量化計算處理，其監測數據如表9所示。

表9 現場監測測試數據表

根據上述分析，對各因素進行排序，建立高海拔作業物元評價模型，如表10所示。

表10 物元評價模型

經過關聯度計算，得出結果如表11所示。

表11 各測點不同等級的關聯度

通過關聯度排序分析，測點1為等級Ⅲ，評價等級為中等；測點2為等級Ⅲ，評價等級為中等；測點3為等級Ⅳ，評價等級為容許；測點4為等級Ⅱ，評價等級為較好?？梢钥闯觯鳒y點評價等級與實際變化趨勢還是相吻合。

4 結語

本文通過對高海拔高寒礦井通風作業環境指標進行等級評價，確定出主要評價指標，并且采用物元可拓模型進行評價，可以得出以下結論：

(1)高海拔礦井作業環境指標除了常規的海拔因素、溫度和作業環境指標外，還需考慮等效溫度和勞動強度的影響，以此作為評價指標是合理的。

(2)物元可拓模型對于高海拔作業點測試數據的評價能夠取得較好的效果，與實際是吻合的，具有很好的推廣性。

(3)下一步可以進一步分析各評價因素的權重對于評價模型的影響。