煤礦粉塵健康風險綜合評價研究

邱 俊，蘇正通，吳代赦，李建龍

(南昌大學資源環境與化工學院，江西 南昌 330031)

煤炭生產過程產生大量粉塵，作業人員長期暴露于粉塵中會引起呼吸性疾病，如簡單塵肺、進行性大塊纖維化、支氣管炎等，其中以煤礦工人塵肺病最為普遍和嚴重[1-2]。科學合理的煤礦粉塵危害評價分析是有效進行粉塵防治工作的前提。

對于礦塵危害的評價學者們已開展了大量研究。李明等[3-4]以礦塵濃度超標倍數、分散度、游離SiO2含量和工人接塵時間為指標，基于模糊綜合識別技術進行了礦山粉塵危害評價，并運用人工神經網絡建立了粉塵危害因素與塵肺發病率之間的關系。LIU等[5-6]和SHEN等[7]調研了中國鐵法礦區16 154位礦工和開灤礦區17 023位礦工的塵肺病情況，按年齡、接塵時間、工種類型等進行了統計分析，分別運用生命表法和人工神經網絡評估了塵肺病發病規律并做出了預測。田冬梅等[8]從“人-物-環-管”4個因素著手，分析了粉塵作業場所危害程度的40個影響因素，提出了基于模糊綜合評價的粉塵作業場所風險評價模型。李艷強等[9]基于粉塵分散度、SiO2的質量分數、濃度超標程度、影響能見度、工人接塵時間等指標建立了礦塵危害模糊綜合評價體系，并進行了危害等級劃分。趙清亞等[10]建立了針對采掘工作面防塵措施的量化四級評價指標體系，并選取層次分析法與模糊綜合評價法構建了評價模型。佟瑞鵬等[11-12]運用生命周期評價和清單分析法，建立了煤礦粉塵與健康損害定量評價關系，劃分了各作業區域工種健康風險大小。

目前的研究主要考察了粉塵誘發塵肺病的若干主要因素，但是粉塵危害取決于檢測區域的粉塵，煤層的空間環境、開拓開采方式、作業人員活動和防塵控塵設施的布置，同時也不同程度地影響著粉塵誘發塵肺病的風險[13]，并且也沒有形成一套具有“判斷-分析-總結-建議”的完整數據管理體系。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險評測，有必要分析煤礦的粉塵風險指標，建立可靠的數學模型，形成一套全面、系統、科學的粉塵風險評價體系。

本文分析總結了當前的研究成果，確定了粉塵危害評價指標，基于層次分析法建立一套完整、客觀的煤礦粉塵風險定量評價體系，并開發了面向用戶的評測軟件，構建了煤礦粉塵風險客觀有效的評測和管理平臺，為管理人員實施粉塵防治提供決策支持。

1 評價體系的建立

1.1 指標的確定和分層

根據影響煤礦粉塵產生各種因素的綜合分析，結合國內外對煤礦粉塵職業病的研究，大量的研究者發現，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]；接塵時間越長，發病概率越大[5-8]。因此，將本指標體系分為五大類：第一類客觀因素B1，包括3個大項11個小項目；第二類井下工序B2，包括3個大項11個小項；第三類作業人員B3，包括8個小項；第四類防降塵措施B4，包括13個小項；第五類監控體系B5，包括6個小項。粉塵危險因素及其評價層次結構如圖1所示。

圖1 煤礦粉塵健康危害評估指標層次結構模型及其權重分配

1.2 評價方法的確定

1.2.1 確定綜合評分方法

粉塵風險評價中通常的定量方法是建立目標量與指標值的經驗關系式，但這需要大量的數據進行回歸分析，并且由于分析指標的項數受到制約，達不到全面評價的效果。因此，采用單項逐一評分，最后進行累計加分得出評分，最終確定風險等級。

Ci為評語集見式(1)。

Ci=(c1,c2，…,cm)

(1)

Ui為評分集見式(2)。

Ui=(ui,1,ui,2，…,ui,k，…,ui,m)

i=1,2，…,49

(2)

分值與指標參數值間的映射見式(3)。

Ci→Ui

(3)

綜合評分計算公式見式(4)。

(4)

該方法簡單易行，但忽略了主要項目的決定作用，其結果不一定反映出最終事實。所以在累計加分的基礎上，還應對各指標的權重進行判別，以改變各指標分值幅度的方法彌補累加法的弱點。

1.2.2 指標權重的確定方法

煤礦粉塵風險分析中面臨的是一個由相互關聯、相互制約的眾多因素構成的復雜系統，層次分析法通常是采用帶有定性指標的指標體系賦權法，在保證系統整體性的同時，又簡化了各指標間的關系。因此，本文選用層次分析法確定各層因素的權重值。

為了使權重判斷定量化，需要形成判斷矩陣，其中，Xi代表各指標，xij代表Xi指標與Xj指標相對重要度之比，并引用表1的標度方法，用9個數字表示。

根據評價因素進行兩兩比較后，得到判斷矩陣X=(xij)n×n，需進一步用和積法計算各指標的相對權值，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，其元素一般項公式見式(5)。

(5)

(6)

3) 計算矩陣的最大特征根λmax表達式見式(7)。

(7)

1.2.3 粉塵風險權重的確定

根據圖1中的因素從上層至下層按表1列出判斷矩陣。通過專家評分法形成判斷矩陣，共有5位專家參與評分，其中，2位專家是從事粉塵防治工作30余年的煤礦技術工人、2位專家是以煤礦粉塵治理為方向的教授、1位專家是進行過大量相關文獻查閱的博士。經過專家評分法可以得到矩陣(表2和表3)。

表1 隨機一致性指標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應層次的權重，并通過一致性檢驗。將底層各因素進行總排序，計算出所有指標對于目標層的權值Ci，具體算法為見式(8)。

Wi=εWA,iWB,iWC,i

(8)

式中：WC,i為Ci在所屬指標層的權重；WA,i、WB,i分別為Ci指標所隸屬的因素在高層次的權重；ε為修正系數，為了避免不同指標權重之比過為懸殊，對于指標層次較少的評判體系來說，ε可以取1。如：煤層種類C1的權重Wi=1×0.199 1×0.066 5×0.124 8=0.008 294。

由此可知，不同指標在評價粉塵風險中的重要程度被清晰地量化，指標權重分配如圖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。在二級指標中，井下工序所起作用最大，其中采煤方法在總指標排序中最大。例如，水力采煤相比綜合機械化采煤從抑制產塵的角度具有絕對優勢，但水力采煤不能滿足高產高效集約化生產的要求。另外是防降塵措施，采煤和掘進工作面防塵降塵的措施十分迫切，這與實際相符合，證明該方法的合理性與實用性。通過關注掌握主要因素提高對敏感因素的檢測，警惕易忽略的因素，利用層次分析法進行危險評估，有針對性地對實際工作中粉塵防治進行布置。

1.2.4 確定指標備擇集與評分集的映射關系

以往對煤塵的研究主要集中在粉塵的自身特性，針對具有量化的指標建立了很多經驗公式。如AYDIN[17]基于logistic regression modeling建立了煤工塵肺患病概率與粉塵濃度、工種類型、教育背景、年齡、接塵時間和礦區之間的經驗關系式；李明[3]利用人工神經網絡建立了粉塵SiO2含量、粉塵濃度、接塵時間與塵肺發病率之間的關系。但對于一些定性的指標和難以建立明確函數關系的指標，如職工防塵觀念、勞動強度、監測制度等，在對礦井進行粉塵風險評價時，常常只能對某因素做出“促進”或是“抑制”粉塵的評價，而無法確定其確切的風險值。

因此，考慮到建立精確映射關系的不可行性，定量指標中的備擇參數應以區間的形式表示，并結合經驗函數確定映射分值；而對只能定性的指標采用主觀判別法，由專家依據經驗確定映射分值，如果因素促進粉塵產生，則給予正分；如果抑制粉塵則給予負分，總分越高風險越大。

指標中的備擇集里各備擇項通過合理的分析和排序，可以得到各備擇項的相對風險值Si,k，規定取值區間在[-5，5]，正值表示促進粉塵產生危害，負值表示抑制粉塵危害。例如：指標d1煤種類型中“褐煤”的相對風險值S1,1為1，“無煙煤”的相對風險值S1,5為5；指標d25防塵觀念中“弱”的相對風險值S25,1為-1，“強”的相對風險值S25,3為-5。

在體系中，對每項指標的分值單位量度取權重的百分位值，再根據各指標與分值間的映射關系和其指標權重Wi確定指標的分值域Ui，見式(9)和式(10)。

Ui=(u1,u2,…,uk,…,un)

(9)

ui,k=102WiSi,k

(10)

式中，uk為Ci指標中備擇項k對應的評分值。例如：指標d1煤種類型中“無煙煤”參數的評分值U1,5為：U1,5=0.008 294×5=4.147 1分。

1.2.5 風險等級的劃分

按照上述方法建立了各指標備擇集與評分集的映射關系后，基本形成了定量評價體系。將此體系運用到煤礦進行粉塵試評，基于每個煤礦的最終評判總分以及實際檢測出的粉塵危害狀況，根據專家建議，將風險等級劃分為5個級別，見表4。

表4 煤礦粉塵健康危害等級劃分

2 煤礦粉塵風險評測軟件開發

本文對煤礦粉塵風險評測軟件進行了研發，該軟件系統既是一個采用新建立的煤礦粉塵健康風險評價體系的測評平臺，也是一個煤礦粉塵相關因素整合的管理平臺。軟件設計主要基于“選擇-計分”的評測模式，對每項因素值進行計分，最后統計總分。該軟件主要由用戶登陸系統、用戶操作系統、評測系統和數據庫系統四個部分所組成。其中評測系統主要包括兩部分，一部分為本地評測，根據本文設計的體系由軟件自行評測；另一部分為遠程評測系統，由煤礦粉塵方面的專家組成，用戶可以得到更為全面專業的粉塵防治建議，以便對煤礦現有設施和條件進行改造。另外，軟件在設計中建立數據庫，使軟件能與其他系統掛接進行自由導入和導出。

3 應用實例

3.1 綜合評分

結合YJ煤礦、XQ煤礦和TQ煤礦三處礦井參數(表5)，基于新建立的煤礦粉塵健康風險評價體系進行了實例分析，得到了綜合評價結果(表6)。

表5 礦井參數

續表5

表6 三個礦井綜合評價結果

3.2 結果分析

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

圖2 YJ煤礦、XQ煤礦和TQ煤礦礦塵風險評價對比

YJ煤礦得分為102.57，礦塵危害等級為Ⅱ級(嚴重)。YJ煤礦的變質程度低，煤塵危害相對小，且具備大量用水防塵措施；每月進行防塵技能學習，職工具有較強的防塵意識。但采用綜合機械化開采且采高大，礦井產塵量大，且礦井地溫高礦塵易飛揚。YJ煤礦累計發現塵肺病102例，近年塵肺發病率占體檢人數的0.74%，情況較為嚴重。

XQ煤礦得分為71.19，粉塵危害等級為Ⅳ級(輕微)。該礦開采高變質無煙煤，煤塵具有嚴重危害性，工人接塵時間大于6 h。但該礦無放頂煤開采，采用封閉式煤倉，職工防塵觀念較好，并有制度的對粉塵進行檢測且專人專用。

TQ煤礦得分為136.58，危害等級為Ⅰ級(非常嚴重)。第一，TQ煤礦為新建現代化礦井，職工普遍為非煤礦人員轉入，防塵觀念較弱；第二，TQ煤礦采用放頂煤開采且采放比大，產塵情況嚴重；第三，TQ煤礦主要產塵點仍然采用傳統的噴霧灑水方法治理粉塵，降塵效率低，且煤質含水低、巷道風流干燥，致使落塵易飛揚。

由上分析可知，本文構建的評價體系針對三個礦井的粉塵危害等級劃分與礦井實際粉塵現狀相符，評價結果具有一定的參考和推廣價值。

三個對比煤礦中，TQ煤礦的粉塵危害等級最為嚴重(Ⅰ級)，若TQ煤礦采取粉塵防范措施，增加培訓加強職工防塵觀念、強化防塵技能，并要求職工佩戴個體粉塵監測器，其評分值可降為115.94，即粉塵危害等級降為Ⅱ級(嚴重)；若TQ煤礦進一步采取措施，放頂煤時封閉塵源，在掘進作業場所增加除塵設備，配專用粉塵檢測人員并嚴格執行粉塵檢測制度，其評分值可降為87.83，粉塵危害等級可降為Ⅲ級(中度)。通過評價體系對防塵措施影響粉塵危害指標的模擬，可增強人們對煤礦粉塵危險程度的認識，提高礦塵評價和預防的效率，有利于煤礦做好粉塵防治工作。

4 結 論

1) 針對當前煤礦粉塵評價系統性與科學性存在的不足，本文全面考慮了礦塵影響因素，結合礦山實際生產過程，確定了五大類指標體系，采用層次分析法建立了一套煤礦粉塵健康危害風險評價體系，將礦塵健康危害劃分為五個等級，并開發了配套軟件。

2) 通過三個礦井的應用與對比，得出其評價分數與危害等級，評價結果與礦井實際情況相符，具有參考和推廣應用價值。

3) 研究成果有利于促進礦塵評價體系的規范化，減少繁雜的評測工序，提高礦塵評價和預防的效率，同時能夠增強人們對煤礦粉塵危險程度的認識，有利于煤礦做好粉塵防治工作。