煤礦粉塵健康風(fēng)險綜合評價研究

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)過程產(chǎn)生大量粉塵，作業(yè)人員長期暴露于粉塵中會引起呼吸性疾病，如簡單塵肺、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價分析是有效進(jìn)行粉塵防治工作的前提。

對于礦塵危害的評價學(xué)者們已開展了大量研究。李明等[3-4]以礦塵濃度超標(biāo)倍數(shù)、分散度、游離SiO2含量和工人接塵時間為指標(biāo)，基于模糊綜合識別技術(shù)進(jìn)行了礦山粉塵危害評價，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)研了中國鐵法礦區(qū)16 154位礦工和開灤礦區(qū)17 023位礦工的塵肺病情況，按年齡、接塵時間、工種類型等進(jìn)行了統(tǒng)計分析，分別運(yùn)用生命表法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評估了塵肺病發(fā)病規(guī)律并做出了預(yù)測。田冬梅等[8]從“人-物-環(huán)-管”4個因素著手，分析了粉塵作業(yè)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(yè)場所風(fēng)險評價模型。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、影響能見度、工人接塵時間等指標(biāo)建立了礦塵危害模糊綜合評價體系，并進(jìn)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(biāo)體系，并選取層次分析法與模糊綜合評價法構(gòu)建了評價模型。佟瑞鵬等[11-12]運(yùn)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(guān)系，劃分了各作業(yè)區(qū)域工種健康風(fēng)險大小。

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區(qū)域的粉塵，煤層的空間環(huán)境、開拓開采方式、作業(yè)人員活動和防塵控塵設(shè)施的布置，同時也不同程度地影響著粉塵誘發(fā)塵肺病的風(fēng)險[13]，并且也沒有形成一套具有“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)險評測，有必要分析煤礦的粉塵風(fēng)險指標(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)險評價體系。

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

1 評價體系的建立

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)合國內(nèi)外對煤礦粉塵職業(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]；接塵時間越長，發(fā)病概率越大[5-8]。因此，將本指標(biāo)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(yè)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(jiān)控體系B5，包括6個小項。粉塵危險因素及其評價層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 煤礦粉塵健康危害評估指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)模型及其權(quán)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(fēng)險評價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)的項數(shù)受到制約，達(dá)不到全面評價的效果。因此，采用單項逐一評分，最后進(jìn)行累計加分得出評分，最終確定風(fēng)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(biāo)參數(shù)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(jié)果不一定反映出最終事實(shí)。所以在累計加分的基礎(chǔ)上，還應(yīng)對各指標(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)險分析中面臨的是一個由相互關(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，又簡化了各指標(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)相對重要度之比，并引用表1的標(biāo)度方法，用9個數(shù)字表示。

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

(5)

(6)

3) 計算矩陣的最大特征根λmax表達(dá)式見式(7)。

(7)

1.2.3 粉塵風(fēng)險權(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(shù)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(jìn)行過大量相關(guān)文獻(xiàn)查閱的博士。經(jīng)過專家評分法可以得到矩陣(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應(yīng)層次的權(quán)重，并通過一致性檢驗(yàn)。將底層各因素進(jìn)行總排序，計算出所有指標(biāo)對于目標(biāo)層的權(quán)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(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)重之比過為懸殊，對于指標(biāo)層次較少的評判體系來說，ε可以取1。如：煤層種類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)在評價粉塵風(fēng)險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)塵的角度具有絕對優(yōu)勢，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。通過關(guān)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(jìn)行危險評估，有針對性地對實(shí)際工作中粉塵防治進(jìn)行布置。

1.2.4 確定指標(biāo)備擇集與評分集的映射關(guān)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(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、工種類型、教育背景、年齡、接塵時間和礦區(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、接塵時間與塵肺發(fā)病率之間的關(guān)系。但對于一些定性的指標(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、勞動強(qiáng)度、監(jiān)測制度等，在對礦井進(jìn)行粉塵風(fēng)險評價時，常常只能對某因素做出“促進(jìn)”或是“抑制”粉塵的評價，而無法確定其確切的風(fēng)險值。

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；而對只能定性的指標(biāo)采用主觀判別法，由專家依據(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)險越大。

指標(biāo)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(fēng)險值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煤種類型中“褐煤”的相對風(fēng)險值S1,1為1，“無煙煤”的相對風(fēng)險值S1,5為5；指標(biāo)d25防塵觀念中“弱”的相對風(fēng)險值S25,1為-1，“強(qiáng)”的相對風(fēng)險值S25,3為-5。

在體系中，對每項指標(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k對應(yīng)的評分值。例如：指標(biāo)d1煤種類型中“無煙煤”參數(shù)的評分值U1,5為：U1,5=0.008 294×5=4.147 1分。

1.2.5 風(fēng)險等級的劃分

按照上述方法建立了各指標(biāo)備擇集與評分集的映射關(guān)系后，基本形成了定量評價體系。將此體系運(yùn)用到煤礦進(jìn)行粉塵試評，基于每個煤礦的最終評判總分以及實(shí)際檢測出的粉塵危害狀況，根據(jù)專家建議，將風(fēng)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(fēng)險評測軟件開發(fā)

本文對煤礦粉塵風(fēng)險評測軟件進(jìn)行了研發(fā)，該軟件系統(tǒng)既是一個采用新建立的煤礦粉塵健康風(fēng)險評價體系的測評平臺，也是一個煤礦粉塵相關(guān)因素整合的管理平臺。軟件設(shè)計主要基于“選擇-計分”的評測模式，對每項因素值進(jìn)行計分，最后統(tǒng)計總分。該軟件主要由用戶登陸系統(tǒng)、用戶操作系統(tǒng)、評測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)四個部分所組成。其中評測系統(tǒng)主要包括兩部分，一部分為本地評測，根據(jù)本文設(shè)計的體系由軟件自行評測；另一部分為遠(yuǎn)程評測系統(tǒng)，由煤礦粉塵方面的專家組成，用戶可以得到更為全面專業(yè)的粉塵防治建議，以便對煤礦現(xiàn)有設(shè)施和條件進(jìn)行改造。另外，軟件在設(shè)計中建立數(shù)據(jù)庫，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)險評價體系進(jìn)行了實(shí)例分析，得到了綜合評價結(jié)果(表6)。

表5 礦井參數(shù)

續(xù)表5

表6 三個礦井綜合評價結(jié)果

3.2 結(jié)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)。

YJ煤礦得分為102.57，礦塵危害等級為Ⅱ級(嚴(yán)重)。YJ煤礦的變質(zhì)程度低，煤塵危害相對小，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。但采用綜合機(jī)械化開采且采高大，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，粉塵危害等級為Ⅳ級(輕微)。該礦開采高變質(zhì)無煙煤，煤塵具有嚴(yán)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(jìn)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(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)建的評價體系針對三個礦井的粉塵危害等級劃分與礦井實(shí)際粉塵現(xiàn)狀相符，評價結(jié)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(yán)重(Ⅰ級)，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，并要求職工佩戴個體粉塵監(jiān)測器，其評分值可降為115.94，即粉塵危害等級降為Ⅱ級(嚴(yán)重)；若TQ煤礦進(jìn)一步采取措施，放頂煤時封閉塵源，在掘進(jìn)作業(yè)場所增加除塵設(shè)備，配專用粉塵檢測人員并嚴(yán)格執(zhí)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(biāo)的模擬，可增強(qiáng)人們對煤礦粉塵危險程度的認(rèn)識，提高礦塵評價和預(yù)防的效率，有利于煤礦做好粉塵防治工作。

4 結(jié) 論

1) 針對當(dāng)前煤礦粉塵評價系統(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)過程，確定了五大類指標(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)險評價體系，將礦塵健康危害劃分為五個等級，并開發(fā)了配套軟件。

2) 通過三個礦井的應(yīng)用與對比，得出其評價分?jǐn)?shù)與危害等級，評價結(jié)果與礦井實(shí)際情況相符，具有參考和推廣應(yīng)用價值。

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