矿井粉尘危害综合评价指标体系与应用研究

李艳强，王福生，柳晓莉，武会强

(1.河北理工大学轻工学院，河北 唐山 063000；2.河北理工大学资源与环境学院，河北 唐山 063009)

矿井粉尘是矿井几大危害之一，粉尘可以导致大量工人患有尘肺病、矽肺病等，是数量最多、最严重的职业病。粉尘也可导致机电设备损坏，影响正常工作及其寿命。具有爆炸倾向性的粉尘一旦爆炸条件具备，在适当的能量和点火源作用下可发生粉尘爆炸，其危害程度不亚于瓦斯爆炸。所以研究粉尘危害已成为矿井安全生产的重中之重。

目前，对粉尘危害程度的评价研究主要针对某个单项指标，制定的各种环境卫生标准也是从不同类型、不同成分和不同浓度等方面考虑粉尘危害。例如考虑粉尘浓度、二氧化硅含量、爆炸性，没有把粉尘的各个危害参数指标作为一个整体进行评价研究，这样会导致分析评价的不科学、不全面。在粉尘危害的评价指标体系构建和综合评价方面研究得还不够完善和全面。因此，根据粉尘的特点，构建合理的评价指标体系，建立有效的数据处理方法来评价矿井粉尘的危险程度是一个迫切需要攻关的新课题。

1 评价指标体系的构建

通过已有的研究[1]，对粉尘危害研究进展及成果、粉尘的性质、法规标准及相关事故统计，进行总结归类。同时根据掌握的情况，将矿井粉尘危害评价指标分为：粉尘分散度、SiO2的质量分数、粉尘的爆炸性、浓度超标程度、影响能见度程度、工人接触粉尘时间。

(1)粉尘分散度

粉尘的分散度是表示粉尘颗粒大小的一个概念，它与粉尘在空气中呈浮游状态存在的持续时间(稳定程度)有密切关系。粉尘的分散度越大，表明其危害性越大。直径小于5μm的粉尘对机体的危害性较大，也易于达到呼吸器官的深部。

参考我国金属、非金属矿山粉尘颗粒分级标准，通常采用0～2μm、2～5μm、5～10μm 和> 10μm四个计测范围。粉尘危害主要是由呼吸性粉尘( < 5μm) 引起的。医学家们通过大量研究工作，认为0.1～5.0μm 的粉尘颗粒可以进入人体肺泡内，其中最为有害的是0.2～2.0μm 粉尘。本文以0.2～2.0μm粒径粉尘的数量分布百分比作为分散度分析的依据。

粉尘的分散度分级标准为(%)：①0～20；②20～40；③40～60；④60～100。

(2)SiO2的质量分数

在矿井中粉尘的种类有多种，例如煤尘、岩尘、矽尘，在金属矿山中有其他金属、非金属粉尘。但其中矽尘也就是SiO2粉尘，是矽肺病的主要致病原因，其引起的尘肺病也称为矽肺病，是尘肺病中比例最高，危害最大的，每年都有大量工人因此病死亡。

我国《煤矿安全规程》、《工作场所有害因素职业接触限值》等对粉尘SiO2的质量分数都有规定和要求，矿井粉尘中粉尘的SiO2的质量分数越大，其危害就越大。

粉尘的SiO2的质量分数分级标准为(%)：①0～5；②5～10；③10～15；④>15。

(3)粉尘的爆炸性

高分散度的煤炭、糖、面粉、硫磺、铝、锌等粉尘具有爆炸性。发生爆炸的条件是高温(火焰、火花、放电)和粉尘在空气中达到足够的浓度。可能发生爆炸的粉尘最小浓度：各种煤尘为30～40g/m3，淀粉、铝及硫磺为7g/m3，糖为10.3g/m3[2]。

煤尘可爆炸性可采用“大管状煤尘爆炸鉴定仪”进行鉴定。根据煤的工业分析结果，计算挥发分指数(煤尘爆炸指数与煤的挥发分同煤中可燃物质之比的差)来初步判断。[3]

我国试验表明，煤尘爆炸下限浓度为45g/m3，上限浓度为1500～2000g/m3。爆炸威力最强的煤尘浓度为300～400g/m3。[4]

表1 煤尘的爆炸性指数

表1为煤尘爆炸性试验鉴定结果，通过对某一煤尘爆炸性试验来判定该煤尘爆炸性的大小。[5]

(4)粉尘浓度超标程度

对于粉尘容许浓度而言，针对不同地方、不同性质粉尘和不同作业方式采取不同的浓度标准，使得评价标准很难确定。为了具有普遍性，采用超标倍数作为粉尘浓度的衡量标准。超标倍数越高其导致的危害就越大。

粉尘浓度超标程度为：①0～5；②5～10；③10～20；④>20。

(5)工人接尘时间

粉尘对人身体健康危害的一个前提条件就是工人要处于一定浓度粉尘作业环境，随着接触时间的增加，对人体的危害也逐渐加大。所以工人接尘时间也是评价粉尘浓度的一个指标，用它来体现出粉尘作业危害程度分级评价中工人接尘作业时间内肺总通气量权数。

以8h工作日为基准，接尘时间分为4级(h)：①0～2；②2～4；③4～6；④>6。

(6)由于粉尘导致的能见度减低

矿尘的光学特性包括矿尘对光的反射、吸收和透光强度等性能。所以在大量矿尘存在的矿井中，随着其浓度的增大对能见度影响也越来越大。

在矿井某些综采工作面干割煤时，工作面煤尘浓度高达4000～8000mg/m3，有的甚至更高。这种情况下，工作面能见度极低，在炮采工作面干式打钻，放炮、转载点、锚喷等工序均会产生大量的粉尘，污染工作面，导致能见度降低，往往会导致误操作，造成人员的意外伤亡。实际上，矿井能见度还要受其他一定因素影响，这里以粉尘影响为主要考虑因素。

目前，关于矿尘浓度对于能见度的影响研究较少，本文拟以下列范围作为分级(m)：①>100；②50～100；③10～50；④0～10。

(7)矿井粉尘危害评价评价分级标准值

基于以上考虑和实际操作的方便，列出了粉尘的评价指标及其指标分级依据，见表2，等级越高，危害越大。

表2 粉尘评价分级标准值

2 危害程度的划分及评价方法的选择

现有的评价法，主要包括定性评价方法、指数评价方法、概率风险评价法、未确定测度评价模型法、模糊综合评判法等。[6]

模糊数学是近年来应用比较广泛的方法，利用它进行综合评价能够考虑多重因素,对评价对象做出客观实际的分析，具有很好的现实意义。

矿井粉尘危害指标在评价过程中所起的作用各不相同，这就需要应用一种评价方法，一方面综合考虑众多因素，另一方面又对作用因素的重要性进行排序，确定各因素在引起事故发生时的重要程度即权重系数。在现有的评价方法中，模糊综合评判法具有这样的作用。

(1)建立评价因素模糊集U

式中：n为评价因子的个数，用u1,u2,u3, …,un分别表示分散度、SiO2质量分数、爆炸性等危害评价指标因素。

(2)建立评价等级V

各因素可以简单地取相同数目的评价等级集。粉尘危害评价区间的划分见表3。

表3 矿井粉尘危害性评价区间划分

(3)指标权重分配

根据各指标(u1,u2,u3,…,un) 对U的影响大小，求权重分配(w1,w2,…,wn) ，其中0≤w≤1，设W为对应U的指标权重分配集。对于指标权重的确定方法，目前普遍采用的有调查统计法、专家评议(Delphi) 法、多元回归分析法等。[7]

本文采用判断矩阵法来确定指标权重，针对本层次中某一元素与其他有关各个元素之间用其相对重要性进行比较，然后用合适的标度将这些重要性比较，用数值表示出来。写成

式中：aij表示因素Ai比因素Aj的相对重要性分数，取值范围为1～9(或1/1～1/9)，它们之间的数2、4、6、8 及它们的倒数有相应类似的意义。

在得到判断矩阵后，需计算各指标的相对权值,即判断矩阵的特征值。实践中，通常采用计算较简单的和积法计算矩阵特征值的近似值作为权值。[8]

(4)构造模糊综合评价矩阵

首先, 从ui着眼, 确定ui对vj的隶属度rij, 于是得到第i个单因素ui的评价集:

式中：rij表示因素ui具有评语vi的程度，亦即隶属度。

对于所有评价因素，就可以构造出一个总的评价矩阵，即：

式中：R是因素集U到评语集V的一个模糊关系矩阵。各因素的隶属度可由隶属函数相关的算法求得。

确定隶属函数的主要方法有：模糊统计试验法函数分段法、二元对比排序法，通过模糊集合间的运算求模糊集合的隶属函数。隶属函数主要有：矩形分布、正态分布、对称矩形分布、哥西分布、岭形分布、尖Γ分布、对称升凹凸形分布等[9]，通过模糊集合区间运算求得隶属函数，各指标的隶属函数曲线在此不再一一列举。

(5)模糊综合评价结果

将模糊关系矩阵R与权重向量A代入模糊综合评判式(如下)中, 可以得到评判向量B。

根据B的结果，结合矿井粉尘危害性评价区间划分，对矿井粉尘危害程度进行评判。

3 实例分析

河南某矿山井下粉尘污染较为严重，在井下选取6个粉尘监测采样点，得到相应的数据，如表4所示。

表4 矿井6处地点粉尘各因素实测数据

利用判断矩阵法，以6个指标因素对比，通过构造矩阵及对比经计算最后得到各因素的权重为：

W=(w1，w2，…w6)=(0.136，0.242，0.164，0.186，0.123，0.149)

由表4 数据即可得出评价矩阵为

R=

用模糊综合评判式对矿井粉尘危害性进行评价：

B=W·R=

(0.136，0.242，0.164，0.186，0.123，0.149)

=(0.4452，0.4847，0.619，0.5842，0.3817，0.495)

结合表3 , 则得出该矿6处粉尘测点评价结果，如表5 所示。

表5 某矿井下粉尘实测点危害评价结果

从表5可以看出，实测点5粉尘危害严重，应及时采取措施加以治理和控制，而实测点1、2、4、6危害也很大，应当引起重视。

4 结论

(1)对于以往研究矿井粉尘危害的指标进行了扩展，避免了考虑粉尘危害影响的局限性，有利于更全面的认识粉尘的危害性。初步提出了粉尘危害评价指标体系和等级划分依据，对粉尘危害程度的划分具有一定的参考价值，对于建立健全粉尘危害评价指标体系有着重要的意义。

(2)采用模糊综合评价方法来分析矿井粉尘危害程度，并应用于实例，对于矿井各点或者各个矿山井下的粉尘危害给予判断，为矿井防治和治理粉尘，提出可行的措施提供依据。

(3)本文提出的评价指标体系是针对目前普遍存在的危害因素而建立起来的。由于粉尘的危害特点受多因素影响，在特殊情况和条件下还具有相应的特殊的危害因素，所以在某些情况下还要具体分析，考虑更多的影响因素。粉尘危害分级和指标，也要根据具体条件下的要求进一步的研究和完善。

[1] 李明, 吴超，谢正文.基于模糊综合识别技术的粉尘危害评价应用研究[J].环境污染与防治, 2007, 29(6):475-477.

[2] 赵衡阳.气体和粉尘爆炸原理[M] .北京:北京理工大学出版社, 1996.

[3] 赵铁锤.安全评价[M].北京: 煤炭工业出版社, 2004.

[4] 曲嘉琳, 矫兴艳, 张大明.煤尘爆炸事故危险源评价[J].矿业快报, 2007, (7): 30-32.

[5] 艾存慧.煤尘爆炸特征及预防措施[J].煤炭技术, 2005, 24(7): 25-26.

[6] 陈莹.工业防火防爆[M].北京: 中国劳动出版社, 1994.

[7] 周静, 刘剑.矿井通风系统稳定性的模糊综合评价[J].矿业工程, 2004, 2(6): 44-45.

[8] 李志宏, 牛保江.模糊综合评价法在煤矿安全评价中的研究应用[J].山西煤炭, 2008, 28(2): 15-17.

[9] 王延林, 杨胜强, 彭继刚.运用模糊综合评价法对矿井热环境进行评价[J].煤矿安全, 2008, (7): 61-64.