高海拔矿山井下环境对安全人因指标影响机理研究*

葛永翔，褚衍玉，任高峰，张聪瑞，王树勋，马俊生

(1.武汉理工大学 资源与环境工程学院，湖北 武汉 430000；2.中国安全生产科学研究院，北京 100012；3.中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038)

0 引言

我国西部高原地区成矿条件优越，矿产资源丰富[1-2]，但高原地区恶劣的自然环境成为资源开发天然障碍，对井下作业人员健康及生命安全造成威胁。我国矿山机械化水平较高，但整个生产过程依旧以作业人员为核心，人员安全保障是矿山安全生产关键环节[3-4]。因此，如何保障高海拔矿山井下作业人员生理健康意义重大。

近年，部分学者针对高海拔地区人员生理健康保障问题开展研究：王延琦等[5]对急进格尔木地区试验人员进行现场生理指标测试，分析人体血氧饱和度、血压、心率受高原环境影响程度；李景中等[6]通过对高原地区24名卫生应急队员进行相关指标监测，分析高原低压低氧环境下AMS发生情况及AMS与血氧饱和度、心率相关关系；David等[7]通过查阅文献、统计分析及现场测试，研究高原矿山作业环境对作业人员身体健康影响具体表现。

随科技发展与研究需求，不同规模高海拔模拟试验舱应运而生，模拟仿真被广泛应用[8]：亓峰[9]利用高原环境模拟舱开展为期20 d测试，分析高原低气压低温环境对人体生理健康影响规律；朱宏亮[10]基于低温低压试验舱，开展低温低压环境下人体生理信号变化试验，分析低温低压环境下人体生理指标变化规律。

目前，针对高海拔矿山井下环境对作业人员生理健康影响仅局限于单因素，对于多种环境因素对人体生理指标复合影响研究较少。因此，本文基于高海拔矿山井下环境对安全人因指标影响机理，分析安全人因指标与环境参数间定量关系，构建高海拔矿山恶劣环境条件下各安全人因指标动态预测模型，研究结果可为高海拔矿山安全生产提供理论依据。

1 环境单因素影响试验

1.1 试验参数设计

选取氧分压、温度、湿度3种环境因素作为研究对象，分别进行单因素试验。

1)氧分压水平划分

高海拔矿山井下环境中，氧分压变化主要由海拔高度变化导致，依据氧分压随海拔高度变化规律，以不同海拔高度对应氧分压值作为试验氧分压工况划分依据。考虑试验安全性，试验选取氧分压值对应海拔高度最大值为5 000 m，试验选取氧分压水平分别为21.226，18.826，16.651，14.686，12.912，11.316 kPa，对应海拔高度依次为0，1 000，2 000，3 000，4 000,5 000 m。

2)温度水平划分

考虑温度水平划分，井下温度环境影响因素包括矿井进风温度，以及井下风流压缩和膨胀、机电设备散热、围岩与空气热交换等[11]。多种影响因素综合作用，无法量化单一因素对井下温度影响程度，但可通过对比地面温度进行温度水平划分。依据不同海拔高度地面平均气温进行温度梯度划分，最终试验温度水平分别为25 ℃，20 ℃，15 ℃，10 ℃，5 ℃，0 ℃。

3)湿度水平划分

环境湿度无法根据海拔高度等因素进行定量划分。人体健康舒适湿度为40%～50%RH，高海拔地区湿度普遍较低，部分海拔较高地区湿度值约10%RH，考虑高海拔环境仿真试验系统舱可调控湿度范围为15%～95%RH，因此，试验湿度水平划分范围为10%～40%RH，划分6个湿度水平分别为40%，35%，30%，25%，20%，15%RH。

当进行单因素影响试验时，将单项变量参数设置为6个不同水平值，其余2项环境参数维持在平原平均值并保持不变。单因素试验工况见表1。

表1 单因素试验工况

1.2 试验过程

试验选取10名25～35岁中青年，其中男性8名，女性2名。依据试验舱最大荷载人数要求，将10名受试者均分为2组。按照试验工况设计调控试验舱环境参数，试验过程中所有受试者在跑步机上慢跑，模拟工作状态。待试验舱环境参数到达设定工况并稳定5 min后，采集每位受试者各项安全人因指标数据；随后，每位受试者在跑步机上持续慢跑，每间隔10 min采集1次数据，每位受试者共采集3组数据，取平均值并记录。

1.3 试验结果分析

1)氧分压影响试验

为探讨各安全人因指标与井下氧分压定量关系，考虑受试者个人差异对试验结果影响，将10名受试者各项安全人因指标测量结果取平均值。氧分压影响试验中各指标平均值见表2。受试者各安全人因指标与氧分压关系曲线如图1所示。

表2 氧分压影响试验各指标平均值

图1 受试者各安全人因指标与氧分压关系曲线

各安全人因指标与氧分压关系曲线拟合方程如式(1)～(5)所示：

y1=-0.425x12+16.707x1-65.489,R2=0.989 24

(1)

y2=0.388x12-15.702x1+228.634,R2=0.948 37

(2)

y3=0.224x12-9.744x1+220.634,R2=0.945 55

(3)

y4=0.219x12-9.725x1+176.488,R2=0.984 67

(4)

y5=-0.006x12+0.244x1+33.924,R2=0.994 55

(5)

式中：y1为血氧饱和度，%；y2为心率，bpm；y3为收缩压，mmHg；y4为舒张压,mmHg；y5为体温，℃；x1为氧分压，kPa；R2为相关系数，表征模拟密切程度。

2)温度影响试验

温度影响单因素试验各指标平均值见表3。

表3 温度影响单因素试验各指标平均值

受试者各安全人因指标与温度关系曲线如图2所示。

图2 受试者各安全人因指标与温度关系曲线

各安全人因指标与温度关系曲线拟合方程如式(6)～(10)所示：

y1=-0.012 4x22+0.596x2+91.092,R2=0.984 82

(6)

(7)

(8)

y4=0.023x22-1.264x2+87.23,R2=0.988 34

(9)

(10)

式中：x2表示温度，℃。

3)湿度影响试验

湿度影响试验各指标平均值见表4。

表4 湿度影响试验中各指标平均值

受试者各安全人因指标与湿度关系曲线如图3所示。

图3 受试者各安全人因指标与湿度关系曲线

各安全人因指标与湿度关系曲线拟合方程如式(11)～(15)所示。

(11)

y2=-0.004 3x32+0.405x3+61.95,R2=0.956 99

(12)

y3=-0.010 29x32+0.734x3+103.15,R2=0.964 4

(13)

(14)

y5=-5.5×10-4x32+0.045 2x3+35.54,R2=0.954 8

(15)

式中：x3表示湿度，%RH。

2 环境复合因素影响试验

2.1 正交试验设计

高海拔矿山井下恶劣环境正交试验环境因素包括氧分压、温度、湿度，通过正交试验分析3种环境因素复合作用对安全人因指标影响规律。根据正交试验设计原则，分别将3种环境因素划分为3个水平值。

据文献调研，环境氧分压14.686 kPa、环境温度10 ℃、环境湿度35%RH为各安全人因指标变化环境参数临界值。划分环境因素水平时，需参照单因素试验结果，确保划分正交试验因素水平具有代表性，同时，需保证试验过程安全性[12]。各环境因素水平见表5。

表5 各因素水平表

试验选取安全人因指标血氧饱和度、心率、体温、血压(包括收缩压、舒张压)。依据正交试验设计原则，选用Ln(tk)型正交表，其中n为试验次数，t为因素水平数，k为因素个数。因试验涉及氧分压、温度、湿度3个环境因素，所以k=3，每个环境因素划分3个水平，t=3。为减少试验次数，并考虑各因素间交互影响作用，需选用k≥3正交表，因此，选用L9(34)正交表进行试验设计[13]。本试验为3因素3水平正交试验，选择正交表中前3列进行试验。基于L9(34)正交表试验工况见表6。

表6 基于L9(34)正交表试验工况

2.2 多元回归分析

为进一步分析各环境因素对安全人因指标影响规律，对正交试验结果进行多元回归分析，结合单因素试验安全人因指标与各种环境因素数量关系式，定量分析3种环境因素对5项安全人因指标复合影响规律。为避免受试者个体差异对实验结果影响，同时考虑统计分析过程数据类型需求，对10名受试者正交实验各项安全人因指标测试结果取平均值。正交试验数据见表7。

表7 正交试验数据

将安全人因指标作为因变量，因变量影响因素包括氧分压、温度、湿度，可通过多元回归分析求解。通过建立多元回归数学模型，探讨各安全人因指标与环境因素间数量关系[14]。多元线性回归方程经验模型如式(16)所示：

y=k0+k1x1+k2x2+…knxn

(16)

式中：xn为方程n个自变量;ki为回归方程偏回归系数，其中i=1，2，…，n。考虑各因素间交互作用，即某因素各水平对自变量影响程度随其他因素水平变化而变化，说明各因素影响作用不独立。设交互作用项为X4=x1x2，X5=x1x3，X6=x2x3，以上3个交互作用变量可充分体现3个因素间相互作用，基于单因素拟合关系式，构建各安全人因指标与各环境因素间多元线性回归方程如式(17)所示：

(17)

基于高海拔矿山井下恶劣环境对安全人因指标影响试验，利用SPSS软件进行多元线性回归分析，构建多元线性回归数学模型。统计各因素回归系数见表8，测试指标回归方差分析结果见表9。

表8 回归系数

表9 回归方差分析

通常方差F值越大，差异越显著，但必须通过判定P值是否显著，才可确定数学模型是否合理。本文显著性水平α=0.05，由方差分析可知，所有安全人因指标关于环境因素回归方程对应P值均远小于0.05，表明回归方程显著性较高，且数学模型具有统计学意义；R2均接近1，表明模型中所有自变量与因变量间线性回归关系非常密切。

根据回归系数得到人体血氧饱和度、心率、收缩压、舒张压、体温5项安全人因指标对氧分压、温度、湿度3种环境因素拟合公式，如式(18)～(22)所示：

y1=3.845-0.239x12+9.389x1+0.022x22-1.048x2-4.119×10-4x33+0.037x32-1.156x3+0.099x1x2+0.013x1x3

(18)

y2=217.506+0.329x12-13.3x1-0.001x23+0.049x22-0.467x2-0.001x32+0.056x3-0.036x1x2+0.001x2x3

(19)

y3=34.645-0.003x12+0.122x1-0.8×10-5x23+0.000 04x22-0.001x2-0.748×10-4x32+0.006x3+0.003x1x2

(20)

y4=237.742+0.304x12-13.489x1+0.004x22-0.231x2-7.114×10-4x33+0.068x32-2.216x3-0.038x1x2+0.01x1x3

(21)

y5=237.742+0.304x12-13.489x1+0.004x22-0.231x2-7.114×10-4x33+0.068x32-2.216x3-0.038x1x2+0.01x1x3

(22)

拟合方程为高海拔矿山井下作业人员在井下工作时各项安全人因指标预测提供参考，可定量描述井下各环境因素影响。由拟合方程可知，各环境因素对安全人因指标变化存在交互复合影响。

为进一步验证多元回归数学模型可靠性，将试验实测值与回归分析预测值进行对比，见表10。由表10可知，多元回归数学模型可靠性良好。

表10 模型预测值与试验值比较

3 结论

1)基于高海拔环境模拟试验系统，开展单因素影响试验，通过试验数据分析得到作业人员各安全人因指标随高海拔矿山井下环境变化规律及拟合数量关系式，为复合因素试验参数设计及多元回归分析提供依据。

2)基于单因素影响试验，依据正交试验设计原则开展正交复合因素影响试验，利用SPSS软件进行多元回归分析，构建各安全人因指标动态模型，为高海拔矿山安全生产提供理论依据。

3)试验氧分压、温度、湿度3项环境因素对安全人因指标变化存在交互复合影响。