基于物元可拓理论的高海拔通风作业环境评价研究

朱维根，葛启发，2，张海胜，陈庆刚

(1.中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038；2.北京科技大学，北京 100083)

0 引言

普朗铜矿位于滇西北横断山脉东北部的迪庆州香格里拉县东北部，地处雪域高原的高山峡谷地带，为青藏雪域高原南缘部分，地势总体较高，最高海拔4 702 m，最低3 450 m，一般3 600～4 500 m，相对高差达300～1 300 m；矿区年平均降雨量619.9 mm，雨季(5～10月)降水量占全年降水量的87.1%。降水量随海拔增高而递增，海拔每增高100 m，降雨量增加20～40 mm。最大降水高度出现在海拔3 400～3 600 m的区域，降水量达1 000～1 200 mm。高原坝区年蒸发量1 382.6～1 919.0 mm，平均1 644.6 mm。

普朗矿区气候为寒温带气候，冬季气候比较寒冷。气象资料表明，矿区最高气温25.4 ℃，最低气温-20.1 ℃，年平均气温4 ℃，最热月平均气温10 ℃左右，最冷月平均气温-8 ℃，日照百分率为49.6%。5～10月气候较为温和，11月至翌年4月为积雪期，经常冰冻雪盖，全年无霜期仅128天。高原坝区(海拔3 000～3 300 m)平均年冻土日数为127.1天，平均冻土深度0.18 m，极端情况下最大冻土深度0.25 m。

由于普朗矿区地理环境及气候条件具有海拔高，气压低、空气密度小，冬季气温低，比较寒冷，经常冰冻雪盖等特点，故在通风空调设计及设备选型时，必须考虑高原、高寒、高海拔气候对人员生活和设备运行的影响，并采取一定的防御措施[1-2]。

然而目前对矿井通风作业面环境评价的方法都未能考虑到高海拔的特殊情况，适用性较差，针对高海拔的条件，本文开展基于物元可拓理论的高海拔通风作业环境评价研究。

1 矿井微气候环境指标分析

1.1 国家标准

在我国的《金属非金属矿山安全规程》、《金属非金属地下矿山通风技术规范》等有关规程规范中，对矿井通风微气候环境相关指标做出了详细的规定，包括通风系统、温度、风速、风量，以及风流质量和通风效果均作出了明确的要求。采掘作业地点的气象条件应符合表1的规定，否则，应采取降温、保温等防护措施[3-4]。

表1 采掘作业地点气象条件规定

采矿作业环境中，有毒有害气体及粉尘是影响作业人员健康的重要因素，为保障工人身体健康及良好的工作状态，通风系统工作面通风应符合以下要求：

(1)井下采掘工作面进风流中的空气成分(按体积计算)，氧气应不低于20%，二氧化碳应不高于0.5%。

(2)入风井巷和采掘工作面的风源含尘量，应不超过0.5 mg/m3。

(3)井下作业地点的空气中，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%，硫化氢不高于0.000 66%，氡气浓度不高于3.7 KBq/m3，氡子体潜能不高于6.4 μJ/m3。

1.2 高海拔特殊作业影响因素分析

由于海拔的升高，矿井作业面的环境会出现三大特点，分别是低含氧量、低气压和低气温，而大气压随海拔升高而降低是造成缺氧并引起高原反应症状的原因，严重低氧可危及人的生命；众多研究表明，高海拔地区风机的风压是标准状态下的0.6倍，矿井通风具有风阻减小、风量相等等特征。因此，高海拔矿井通风作业环境指标与传统矿井通风要求相比，所涉及的影响因素更多，需要进行单独分析研究[5-8]。

根据职业病防治标准、工作场所卫生标准等相关的安全健康标准，综合考虑高原地下非煤矿山的特点，从高原病的影响因素、工作场所的物化因素以及工作人员的工作特征三方面出发，选取等效氧气浓度A、热舒适有效温度B、空气质量指数C、劳动强度D作为评价指标。

(1)等效氧气浓度A

在高海拔带来的各种不利因素中，对人体最直接的影响就是缺氧。人体缺氧，会对人体产生一系列不良作用：长期慢性缺氧还会引起神经体液及内分泌功能紊乱，局部胃粘膜缺血性改变等；极严重的缺氧，可使人体呼吸减弱，甚至停滞。高原对人的身心健康、劳动能力影响非常明显，与平原相比，人的劳动能力在海拔3 000 m处下降29.2%，在海拔4 000 m处下降39.7%。

环境性缺氧以进入呼吸道气体中的氧分压，即气管气氧分压或肺泡气氧分压为衡量指标，如表2所示。根据人的生理特点和国内高海拔矿山调研，把等效氧气浓度分为四个级别，如表3所示。

表2 不同海拔等氧气分压与含氧浓度表

表3 等效氧气浓度分级表

(2)热舒适有效温度B

在高原环境下，低气压也是影响着人体热舒适的重要因素。在低气压条件下，气压对热舒适的影响仅次于温度，而大于风速，这说明在高原地区，人的热感受跟平原有一定的差别。本次研究采用有效温度来表示热舒适程度，有效温度是将温度、湿度及风速对人体的热感觉效应综合成一个单一空气温度表示的热感觉指标。根据有效温度与人体生理及工效的关系，将其分为四级，如表4所示。

表4 有效温度分级表

(3)空气质量指数C

井下环境空气质量受多种因素影响，主要包括凿岩、爆破、井下机车燃油等产生的有毒有害气体及粉尘。有毒气体存在多种，如CO、NOx、SO2等，这些气体间还会发生联合作用。当对高原与平原的环境质量进行比较时，必须考虑缺氧对毒性的加成作用。经过研究表明，人体对CO2的分压而不是浓度敏感，其在高原地区的分压有所降低，故当CO2浓度在2%以下时，其对换气的影响可以忽略。对于有毒有害气体的卫生标准如表5所示。

表5 有毒气体的卫生标准

同时，高原地区尘肺明显高于平原地区；在高原缺氧、干燥的气候下，工人患尘肺的几率可能增大；肺通气量随着海拔增高而增大，缺氧环境由于通气量增大导致粉尘吸人量增多，促进肺组织弥漫性纤维化加重，肺功能的损伤程度比平原地区要高。粉尘浓度可以根据国标要求进行判定。

因此，为了便于对比分析，将有毒有害气体和粉尘统一成空气质量指数，其空气质量指数分为四级，分别是少于0.5、少于1、少于1.2、少于1.5、少于5，表示为舒适、较舒适、中等、容许、较差。

(4)劳动强度D

对于矿井作业不同劳动强度的工种与生产效率、工人生理承受能力都密切相关，因此，劳动强度指数是本次作业环境指标研究的重要指标。

国家劳动强度分级标准如表6所示。体力劳动强度级别划分是基于体力劳动强度指数进行的，劳动强度指数计算公式如公式(1)所示。

表6 国家劳动强度分级标准

I=10TMWS

(1)

式中I—劳动强度指数；

10—计算系数；

T—劳动时间率，%；

M—8 h工作日平均能量代谢率，kJ/(min×m2)；

W—体力劳动方式系数(搬：1；扛：0.4；推/拉：0.05)；

S—性别系数(男性：1；女性：1.3)。

对公式(1)进行分析可知，高海拔条件与平原的主要区别为平均能量代谢率。平均能量代谢率随着海拔的增高而增加，增长系数如表7所示。

表7 能量代谢率变化系数

1.3 高海拔特殊作业指标表

经过1.2的分析，本研究中高海拔作业舒适性评价指标由等效含氧浓度A、热舒适有效温度B、空气质量指数C、劳动强度D等四种因素组成，各因素可分成舒适(等级Ⅰ)、较舒适(等级Ⅱ)、中等(等级Ⅲ)、容许(等级Ⅳ)和较差(等级Ⅴ)五个等级，综合评价指标表如表8所示。

表8 高海拔矿井通风舒适性评价指标表

为了便于比较分析，等效含氧浓度A最大值按医用低浓度吸氧浓度40%，因此，其取值范围[0，40]；热舒适有效温度B的取值是根据已有矿山涉及到的最低温度和最高温度，其取值范围[-20，50]；空气质量指数C主要根据污染的特征值，其取值范围[0，5]；劳动强度D根据特征值，其取值范围[0，50]。对于存在特异值可能的话，可以根据实际情况单独处理。

2 物元可拓分析理论

以N表示某一事物名称，C表示其某一特征，其相应的度量值记为V，通常可以用有序的三元数组

R=(N，C，V)作为描述事物的基本元，简称物元。并称事物的名称N、事物的特征C和特征度量值V为物元的三要素，若事物N有n个特征，此时，称R为n维物元，简称为R=(N，C，V)[9-10]。

(1)待评物元

待评事物N有个特征c1，c2，…，cn，其对应的量值分别为v1，v2，…，vn，记矩阵R为：

(2)

矩阵R为待评事物N的待评矩阵。

(2)经典域

做为评价事物的标准事物记为Nj，其特征Ci的量域Vji=[aji，bji]，称Ci为经典域，经典域物元矩阵记为Rj，Rj的表达式为：

(3)

(3)节域

记待评物元特征量值的全体为P，P关于特征ci的量域Vpi=[api，bpi]，称Vpi为待评物元关于特征ci的节域，记节域物元矩阵为Rp，Rp的表达式为：

(4)

(4)关联度与关联函数

关联度表示了待评物元与经典域的贴近程度，可以在实数范围内用函数来表示关联度，称为关联函数。待评物元N第i个评价指标vi与第j评价等级的关联函数计算公式为：

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

(5)

式中：

(6)

(7)

当Kj(vi)>0时，表示vi属于Vjk，Kj(vi)越大，说明vi具有Vjk的属性越多，当Kj(vi)≤0时，表示vi不属于Vjk，Kj(vi)越小，说明vi离区间Vjk越远。

依据关联函数，可计算待评物元与第j级别的关联度，计算公式为：

(8)

3 高海拔通风作业环境物元评价分析

经过普朗铜矿现场3 720 m、3 736 m和3 600 m等多个作业点测试，选取部分测试点进行数据分析，并进行指标归类。其中含氧浓度直接测定；热舒适有效温度主要根据人员体感和热感判断，结合表4高寒矿井取下值得出；空气质量指数是根据监测有毒有害气体和粉尘量，结合表5的卫生标准得出；劳动强度是根据工种对应指标得出。需要说明的是，鉴于研究深入程度，部分指标数据未做完全量化计算处理，其监测数据如表9所示。

表9 现场监测测试数据表

根据上述分析，对各因素进行排序，建立高海拔作业物元评价模型，如表10所示。

表10 物元评价模型

经过关联度计算，得出结果如表11所示。

表11 各测点不同等级的关联度

通过关联度排序分析，测点1为等级Ⅲ，评价等级为中等；测点2为等级Ⅲ，评价等级为中等；测点3为等级Ⅳ，评价等级为容许；测点4为等级Ⅱ，评价等级为较好。可以看出，各测点评价等级与实际变化趋势还是相吻合。

4 结语

本文通过对高海拔高寒矿井通风作业环境指标进行等级评价，确定出主要评价指标，并且采用物元可拓模型进行评价，可以得出以下结论：

(1)高海拔矿井作业环境指标除了常规的海拔因素、温度和作业环境指标外，还需考虑等效温度和劳动强度的影响，以此作为评价指标是合理的。

(2)物元可拓模型对于高海拔作业点测试数据的评价能够取得较好的效果，与实际是吻合的，具有很好的推广性。

(3)下一步可以进一步分析各评价因素的权重对于评价模型的影响。