深井受限空间职业危害程度辨析方法

熊立新 罗周全 吴 超 石东平 贾 楠

(1.中南林业科技大学商学院，湖南 长沙 410004; 2.中南大学资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083)

深井受限空间职业危害程度辨析方法

熊立新1,2罗周全2吴 超2石东平2贾 楠2

(1.中南林业科技大学商学院，湖南 长沙 410004; 2.中南大学资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083)

深井受限空间中职业危害影响因素源头多，数据离散，难以有效定量分析。分析了8个典型矿山中173个深部作业场所、硐室的职业危害因素相关数据，确定了影响职业危害程度的关键指标；根据单指标分类区间上、下限，构造了5个不同危害程度等级；基于模糊层次分析法(FAHP)，确定了各关键指标的权重；基于逼近理想解排序法(TOPSIS)，构建了危害度评价矩阵，计算出20个不同深井受限空间与正理想解的距离贴近度。计算结果表明：深部作业场所职业危害程度高于深部硐室，约27%的作业场所处于较高及以上危害程度等级，需要加强对作业人员的职业安全防护措施。该方法为矿山深井受限空间职业危害程度辨析、预警提供了一种新方法。

深井受限空间 职业危害 模糊层次分析法(FAHP) 逼近理想解排序法(TOPSIS)

目前，国内不少地下矿山逐步进入深部开采阶段[1-2]。在深井受限环境中，工作面临的职业危害因素多且复杂，表现为高温、高湿、通风条件差、有毒有害气体浓度高等[3-6]。国内许多矿山，如冬瓜山铜矿，广东凡口矿等，普遍存在大量的深部硐室和作业场所，这些深井受限环境中作业人员的职业危害程度辨析、预警与控制是目前企业安全生产管理的重要内容，关系到矿业向更深领域的安全高效生产。

目前，国内外学者对金属非金属矿山企业的职业危害预防和控制进行了许多研究，如陈顺育等[7]使用风险矩阵法、郭进平等[8]使用二元语义法评估了矿山职业危害风险，王雪妮等[9]构建了地下矿山的职业危害评价体系；何苏敏等[10]调查分析了核电非放射性职业危害；石亮等[11]开展了矿山多种职业危害的综合评价方法研究；韩丽华等[12]对陶瓷中放射性职业危害进行了调查；刘业娇等[13]研究了煤矿安全工作标准程序来减低职业危害风险。但是，目前国内学者对深部受限空间中职业危害的研究很少，掌握的工程数据有限，在进行多属性决策和评价时采用的数学方法单一，这些都极大地影响了深部开采过程中职业危害相关研究的实际效果。

本研究分析整理国内8个典型金属矿山(安徽安庆铜矿、广西大厂、高峰、铜坑矿、广东凡口矿、铜陵冬瓜山、大团山矿和郴州柿竹园多金属矿)的173个深部硐室和作业场所的职业危害影响因素数据，基于FAHP(Fuzzy Analytic Hierarchy Process,模糊层次分析法)和TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution，逼近理想解排序法)方法开展深井受限空间职业危害程度辨析研究。

1 深井受限空间职业危害关键影响因素

国内典型金属矿山，如冬瓜山铜矿，开采深度都已经快达到千米左右，作业空间面临“三高一扰动”的环境，在深部开采过程中的受限空间里，职业危害因素多源，风险概率不一，因此，危害程度辨析是典型的多属性决策问题。

深部开采职业危害因素主要有高温[14]、高湿、粉尘、有毒有害气体、噪声、振动等。以温度为例，根据人体生理特性，当环境温度达35 ℃以上时，体感很热，会影响正常活动；当温度达到40 ℃以上时，体感酷热难耐，难以开展正常活动，而高温热害是深部开采中最常见的危害因素之一。深井中由于围岩导热、机电设备放热、爆破热等多种热源存在，人体长时间在高温的深井环境中作业，会产生体温调节系统紊乱，水、盐代谢系统故障，消化系统、神经系统及泌尿系统失常，同时严重影响作业人员的劳动效率，表现出易疲劳、注意力不集中、失误率上升等状况。某铜矿10个深部作业场所(标高从-720～-780 m)温度数据见图1。由图1可见，大部分采场温度都已接近或超过30 ℃。

图1 深部作业场所温度

虽然许多研究对职业危害的各种影响因素进行了分析，但是由于这些影响因素多且复杂，数据离散，难以进行数理统计。实际操作中，也不能对每个影响因素都进行控制，全部监控会导致人力、物力的无谓浪费，会导致工作程序繁琐，影响工作进度；同时，不是所有的因素都会对职业危害产生重大影响。因此，首先需要分析确定影响危害程度的关键因素，然后对关键影响因素进行监控，开展辨析及预警。

近5 a来，课题组对冬瓜山铜矿、安庆铜矿、广东凡口矿和广西铜坑矿等8个矿山的173个采场、硐室进行了探测和监测，累积了大量的深井受限空间环境数据。根据工程实际，深井受限空间危害度辨析一方面需要考虑深井受限空间的安全程度，另一方面还需要考虑深井受限空间作业环境，选择温度(X1)、湿度(X2)、粉尘浓度(X3)、有害气体(X4)、噪声(X5)、振动(X6)、风速(X7)，围岩坚固性系数f(X8)共8个因素作为深井受限空间中职业危害关键影响因素，其中，计算有毒有害气体总量时，将其他气体折算成CO含量；其中NnOm的毒性系数比为6.5，SO2、H2S的毒性系数比为2.5[15]。

2 深井受限空间职业危害程度分级

一般情况下，深井受限空间作业场所的安全性在作业期间能得到有效保障，因此主要考虑深井受限空间环境条件。设定前文中8个指标为危害性影响指标，根据单指标数值上、下限区间进行5个级别的分类，将深井受限空间危害度等级分为5级:低危害度深井受限空间(Ⅰ)、较低危害度深井受限空间(Ⅱ)、中危害度深井受限空间(Ⅲ)、较高危害度深井受限空间(Ⅳ)、高危害度深井受限空间(Ⅴ)。见表1。

表1 深井受限空间职业危害程度分级标准

3 FAHP-TOPSIS分析方法

3.1 模糊层次分析法

FAHP是由AHP(Analytical hierarchy process,层次分析法)发展而来，AHP方法是由美国T L Saaty在1970年提出的一种定性和定量结合的决策方法，把复杂的问题分解成各组成部分，通过两两比较来确定各组成部分的相对重要性。两两比较过程中没有考虑到判断矩阵的模糊性，目前学者将其拓展成FAHP方法，包含了层次分析法和模糊综合评价法，在评价上可以很好区分稍微重要性和明显重要性的区别。基本分析步骤：

(1)建立层次结构模型,一般可分为目标层，准则层和方案层3层。

(2)构造职业危害关键因素对比矩阵。

(3)计算各关键因素权向量。

(4) 专家互判矩阵进行一致性检验。

3.2 TOPSIS分析法

TOPSIS分析法由C L Hwang和K.Yoon在1981年提出，是根据有限个对象与理想化目标的接近程度进行排序的多目标决策方法。关键在于“理想解”和“负理想解”的确立和比较，排序规则是将评价方案与理想解和负理想解进行比较，若某方案最接近理想解，同时最远离负理想解，则是最好方案。基本步骤如下。

(1)确定职业危害程度相关的多个评价目标，每个目标有多个评价指标。

(2)邀请专家对评价指标进行打分(定性和定量指标)，建立特征矩阵。

(3)计算规范化矩阵。

(4)构建权重规范化矩阵。

(5)确定理想解和负理想解。

(6)计算距离尺度；即每个目标到理想解和负理想解的距离，距离尺度可以使用n维欧几里得距离表示。

(7)计算理想解的贴近度。

(8)根据理想解贴近度大学进行排序。

基于模糊层次分析法计算危害程度评价指标与评价等级间的指标权重，基于逼近理想解排序法构建危害程度综合评价体系。

4 评价指标权重

4.1 计算过程

权重是描述各种属性及各类指标对危害程度综合评价影响程度的大小，首先将指标x1,x2，…,x8的重要度相互比较,aii=0.5表示因素与自己相比同样重要;若aij∈[0.1,0.5),则表示因素xj比xi重要;若aij∈(0.5,0.9],则表示因素xi比xj重要。则得到如下模糊互补判断矩阵：

模糊互补判断矩阵权重计算公式：

(1)

对上式得出的权重量还需要进行比较判断的一致性及兼容性检验。

设矩阵A=(aij)8×8和B=(bij)8×8为2位专家得出的模糊判断矩阵,称

(2)

为A和B的兼容性指标。

设W=(W1,W2,…,W8)是模糊判断矩阵A的权重向量，

则称8阶矩阵w*=(wij)8×8为判断矩阵A的特征矩阵。当兼容性指标I(A,B)≤c和I(A,W)≤c(c为兼容性指标取值范围)都成立时，认为判断矩阵为满足一致性的。即这些专家互判矩阵得到的权重值是合理的，c越小表明决策者对模糊判断矩阵的一致性要求越高，通常情况下取c= 0.1，可以满足。

最后得权重向量：

W=[W1,W2,…,W8]，

(3)

其中，

(4)

4.2 计算结果

根据工程实际情况，2位专家给出了判断矩阵如下。

由式(2),得兼容性指标：I(A,B)=0.07满足约束。

由式(1)和(3)，得到8个指标的权重矩阵：

w=[0.12,0.1,0.12,0.13,

0.13,0.11,0.14,0.15].

5 危害程度FAHP-TOPSIS辨析

根据表1中单指标分类区间上、下限构造5个不同危害度等级的典型深井受限空间(Ⅰ#，Ⅱ#，Ⅲ#，Ⅳ#，Ⅴ#)，选取20个深井受限空间样本，构建初始评价矩阵A，数据见表2。

表2 各样本评价指标

评价过程如下。

(1)建立初始评价矩阵，20个评价单元，8个评价指标，初始评价矩阵为

A=(aij)20×8,i=1,2,…，20，j=1,2,…，8.

(2)构建标准化决策矩阵，标准化决策矩阵：

B=(aij)20×8,i=1,2,…，20，j=1,2,…，8.

先需要进行无量纲化处理。

对风速(X7)、围岩坚固性系数f(X8)2个越大越优指标：

(4)

对温度(X1)、湿度(X2)、粉尘浓度(X3)、CO(X4)、噪声(X5)、振动(X6)6个越小越优指标：

(5)

(3)构建加权标准化决策矩阵：

(6)

(4)计算评价对象的贴近度，加权标准化决策矩阵正理想解C+：

(7)

加权标准化决策矩阵负理想解C-：

(8)

(5)计算评价对象与理想解距离S。评价对象与正理想解的距离S+：

(9)

评价对象与负理想解的距离S-:

(10)

(6)计算评价对象与正理想解贴近度E：

(11)

由式(7)，(8)求解得到加权规范化矩阵C的正负理想解分别为

贴近度分类为

低危害度深井受限空间(Ⅰ)：

较低危害度深井受限空间(Ⅱ)：

中危害度深井受限空间(Ⅲ)：

较高危害度深井受限空间(Ⅳ)：

高危害度深井受限空间(Ⅴ)：

计算结果见表3。

表3 计算结果

由表3可见，深部作业场所都属于中等危害程度以上空间，深部硐室都属于低危害程度或较低危害程度空间。深部作业场所中，52-8#，50-4#,54-14#等3个受限空间属于较高危害度，56-2#属于高危害度空间，占全部作业场所的27%，在较高和高危害等级的深井受限空间进行作业时，需要先对危险源进行处理，确保现场监测和及时的安全处置，并加强作业人员的职业安全防护措施。

6 辨识结果验证

根据矿山近5 a的安全日志，20个样本中，整理出涉及到的10个深部作业场所60 d作业人员生理不适频次，见图2。可见，60 d的统计周期内，频次较高的作业场所有52-8#,50-4#,56-2#,54-14#，其职业危害程度为较高或高等级，与前文中辨析结果吻合。

7 结 论

(1)分析了国内8个典型矿山173个深井受限空间中职业危害因素数据，明确了深井受限空间职业危害关键因素，根据单指标分类区间上、下限构造了5个不同危害度等级。

图2 作业场所职业危害频次统计

(2)结合改进的AHP方法，提出了FAHP-TOPSIS分析方法，该方法有权重计算精确，运算过程简单等优点，便于进行危险度的评价。

(3)对20个深井受限空间样本的危害度进行了辨析可见，深部作业场所的职业危害程度普遍高于深部硐室，特别是52-8#,50-4#,56-2#,54-14#等4个深井受限空间危险程度高，占全部作业场所数量的27%，需要采取安全防护措施。

(4)工程验证表明，深井受限空间职业危害程度辨析可以为企业职业危害事故提供科学的预警依据，为事故预防和控制提供了一种新的方法。

[1] 谢和平,周宏伟,薛东杰,等.煤炭深部开采与极限开采深度的研究与思考[J].煤炭学报,2012,37(4):535-542. Xie Heping，Zhou Hongwei，Xue Dongjie，et al.Research and consideration on deep coal mining and critical mining depth[J].Journal of China Coal Society,2012,37(4):535-542.

[2] 何满潮,谢和平,彭苏萍,等.深部开采岩体力学研究[J].岩石力学与工程学报,2005,24(16):2803-2813. He Manchao，Xie Heping，Peng Suping，et al.Study on rock mechanics in deep mining engineering[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2005,24(16):2803-2813.

[3] 李化敏,付 凯.煤矿深部开采面临的主要技术问题及对策[J].采矿与安全工程学报,2006,23(4):468-471. Li Huamin，Fu Kai.Some major technical problems and countermeasures for deep mining[J].Journal of Mining and Safety Engineering,2006,23(4):468-471.

[4] 李夕兵,姚金蕊,宫凤强,等.硬岩金属矿山深部开采中的动力学问题[J].中国有色金属学报,2011,21(10):2551-2563. Li Xibing，Yao Jinrui，Gong Fengqiang，et al.Dynamic problems in deep exploitation of hard rock metal mines[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals,2011,21(10):2551-2563.

[5] 赵兴东,李元辉,刘建坡,等.红透山矿深部开采岩爆潜在区微震活动性研究[J].东北大学学报:自然科学版,2009,30(9):1330-1333. Zhao Xingdong，Li Yuanhui，Liu Jiangpo，et al.Study on microseismic activity in potential rock-burst zone during deep excavation in Hongtoushan Mine[J].Journal of Northeastern University：Natural Science,2009，30(9):1330-1333.

[6] 李 铁,蔡美峰,王金安,等.深部开采冲击地压与瓦斯的相关性探讨[J].煤炭学报,2005,30(5):562-567. Li Tie，Cai Meifeng，Wang Jin'an，et al.Discussion on relativity between rock-burst and gas in deep exploitation[J].Journal of China Coal Society,2005,30(5):562-567.

[7] 陈顺育,郭进平,王雪妮,等.基于AHP-风险矩阵法的矿山职业危害风险评估[J].金属矿山,2011(9):149-152. Chen Shunyu，Guo Jinping，Wang Xueni，et al.Risk assessment of mine occupational hazards based on AHP and risk matrix method[J].Metal Mine,2011(9):149-152.

[8] 郭进平,尚旭光,王雪妮,等.基于二元语义和AHP法的矿山职业危害综合评价方法[J].中国安全科学学报,2011,21(8):116-122. Guo Jinping，Shang Xuguang，Wang Xueni,et al.Comprehensive safety evaluation method for mine occupational hazards based on two-tuple linguistic information and AHP[J].China Safety Science Journal,2011,21(8):116-122.

[9] 王雪妮,郭进平.地下矿山职业危害评价体系的研究[J].金属矿山,2011(4):130-133. Wang Xueni，Guo Jinping.Study on the occupational hazards evaluation system of underground mine[J].Metal Mine,2011(4):130-133.

[10] 何苏敏,叶明宪,倪金玲,等.某核电厂非放射性职业病危害因素调查[J].中国职业医学,2006,33(5):404-405. He Sumin，Ye Mingxian，Ni Jinling，et al.Investigation on non-radioactive occupational diseases in a nuclear power plant[J].China Occupational Medicine,2006,33(5):404-405.

[11] 石 亮.矿山企业多种职业危害综合评价方法研究[J].煤炭科学技术,2013,41(6):65-67. Shi Liang.Study on comprehensive evaluation method of multiple occupational hazards in mine enterprises[J].Coal Science and Technology,2013,41(6):65-67.

[12] 韩丽华,杨文鹤.建材陶瓷中的放射性危害与防护[J].环境保护科学,2005,31(6):68-69. Han Lihua，Yang Wenhe.Harmfulness caused by radioactivity of construction ceramics and its prevention and protection[J].Environmental Protection Science,2005,31(6):68-69.

[13] 刘业娇,田志超,任玉辉,等.基于OHSMS的煤矿安全工作标准程序[J].煤矿安全,2010,41(12):115-119. Liu Yejiao，Tian Zhichao，Ren Yuhui，et al.Standardized procedures of safety work in coal mine based on OHSMS[J].Safety in Coal Mines,2010,41(12):115-119.

[14] 游 波,吴 超,王 敏,等.深井受限空间高温环境影响模拟试验研究[J].中国安全生产科学技术,2013(11):30-36. You Bo，Wu Chao，Wang Min，et al.Experimental study on the impact of high temperature to human in confined space of deep mines[J].Journal of Safety Science and Technology,2013(11):30-36.

[15] 谢 云.炸药爆轰气体产物检测研究[D].绵阳：西南大学,2006. Xie Yun.Detecting Research on Gaseous Product of Dynamite[D].Mianyang:Southwest University,2006.

(责任编辑 徐志宏)

Evaluation Method for Occupational Hazards of Confined Space of Deep Mines

Xiong Lixin1,2Luo Zhouquan2Wu Chao2Shi Dongping2Jia Nan2

(1.Business School，Central South University of Forestry and Technology，Changsha 410004，China；2.School of Resource and Safety Engineering，Central South University，Changsha 410083，China)

Occupational hazard of confined space of deep mines comes from different sources.Due to the discrete data type，it is hard to realize the effective quantity analysis.The occupational hazards data of 173 deep operation platforms and chambers from 8 typical mines were analyzed.The key indexes of the occupational hazards were determined.5 different harm degrees were constructed based on the upper limit，lower limit of single index classification; The weight of each index was determined based on FAHP，and the risk evaluation matrix was built based on TOPSIS.The approaching degree between confined space of 20 deep mines and the ideal solution were calculated.The calculation results showed that the harm degree of the deep working platform is higher than that of deep chamber，and about 27% of the working platform lies at high harm level or more.Therefore the occupational safety protective measures for workers should be strengthened.The method provides a new way for pre-warning occupation hazards of confined space of deep mines.

Confined space of deep mines，Occupational hazards，Fuzzy Analytic Hierarchy Process，Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution (TOPSIS)

2014-09-07

国家自然科学基金项目(编号：51274250)，湖南省教育科学“十二五”规划2012年度项目(编号：XJK012QGD009)。

熊立新(1983—),男,讲师，博士。

X932

A

1001-1250(2014)-11-132-06