冲击地压对人体的伤害及防护对策分析

陈 鹏，李学龙，陈学习，庞招辉

(1.华北科技学院安全工程学院，北京 东燕郊 101601；2. 中国矿业大学安全工程学院，江苏 徐州 221116；3.河南能源义马煤业集团股份有限公司千秋煤矿，河南 三门峡 472300)

0 前言

冲击地压是严重的煤岩动力灾害，它是煤岩体中积聚的弹性能在达到或超过煤岩强度极限时突然猛烈的释放，从而产生煤岩体的冒落，巨大声响，强烈的冲击波等，造成严重的损失[1]。近年来，随着矿井开采深度和开采强度的不断增强，地应力增大，井下地质条件日益复杂，冲击地压发生的频次与强度也日益增强[2]。冲击地压的损失主要在物与人两方面，在物的方面，主要是财产的损失，如造成工程的巨大浪费、风门损失、设备损害、矿车倾轧等、严重者造成支架及采煤机等大型设备的埋没等等，这些都是可以用物资来衡量；另一种严重的伤害是对人体的损害，轻则造成身体器官损害，重则造成大面积人员伤亡，如2011年11月3日19时18分，义马煤业集团股份有限公司千秋煤矿发生重大冲击地压事故[3]，造成10人死亡、64人受伤，直接经济损失2748.48万元。

小型冲击地压在冲击严重的矿井时常发生，除对井下设备物资造成损失外，对人体造成的潜在伤害不断，在冲击地压个体防护目前相关方面的研究报道较少，基于此，本文主要通过安全人机工程学的基本知识，结合冲击地压的能量释放的特点及原因来分析其对人体部位的损害严重程度，并于此提出在冲击地压矿井工作的人员主要的身体防护措施，以期为我国冲击地压灾害及其他动力灾害的防护方面提供一种新的思路。

1 我国冲击地压灾害特点

1.1 冲击地压分布特点

根据相关研究[4-5]，近年来我国共有67个矿井发生冲击地压或者有冲击地压危险性，我国冲击灾害发生最多的省份是山东省，占统计总数的39%，其次依次是黑龙江、江苏、河南、河北、山西、辽宁、甘肃和北京等省市发生过较为严重的冲击地压灾害事故。近年来在回采工作面发生的冲击地压较少，绝大部分冲击地压都发生在掘进巷道和回采巷道中[6]，这些地点都是作业人员较多的地点，若发生冲击地压很可能造成大面积人员伤害。

1.2 冲击地压影响因素

冲击地压灾害的发生与矿井的开采深度有很大的关系，随着开采深度的增加，其发生的频次和强度也越来越大，冲击的发生除了受采深影响较大以外，地质因素和开拓开采布置也对冲击地压的发生产生重要的影响[7]。对冲击地压有影响的地质因素主要包括: 坚硬厚层顶板、上覆巨厚岩层、坚硬顶底板、地质构造、大倾角、煤厚变化及天然地震。开拓开采布置因素对冲击地压的影响因素主要有3个：本煤层开采形成的孤岛煤柱、煤层群开采条件下形成的上覆煤柱以及放炮震动。

2 冲击地压的人机工程学分析

安全人机工程学[8-9]是近几十年来发展起来的一门研究和应用都极为广泛的综合性边缘学科，它是从安全的角度和着眼点来研究人与机之间的关系。其最根本的研究方向是运用生理学、心理学、管理学、系统学、工程学、卫生学等多种学科理论揭示人、机、环境系统之间相互关系的规律，以达到确保人、机、环境系统总体性能的最优化，实现系统的本质安全。

2.1 冲击地压对人体伤害部位分析

煤矿冲击地压对人体及装备产生多种危害，是人、机、环不协调的最极端的体现，人是人、机、环系统的核心，机器是人设计的工具，它是为处于不同环境的人能更有效、安全、健康、舒适地生活和工作而服务的。

人体易于受伤的部位主要是四肢，包括手掌、手臂、脚、腿，这种轻微伤害不断；对人体造成致命伤害的主要包括胸部和躯干，最主要是胸部，这些是人体直接遭受煤岩的冒落，底鼓，机械设备的倾轧，翻滚等造成的伤害；冲击地压发生时煤岩碎块的坠落首先会伤害头部，因此脑部受伤害的几率较大。

2.2 冲击地压造成的人体共振伤害

研究表明，冲击地压对人体的伤害最大的是其大能量的冲击波造成的，首先是高能量冲击波能够传播较远的距离，在遇到障碍物时，会将能量转移或释放，如果达到物体的共振频率，会将物体摧毁，并且由于在井下受限空间内传播，能量耗散相对较少，会引起大面积的人物受损。

冲击波传播时会引起人身体部位的共振，从而造成身体部位的伤害，经过研究发现人体各器官的共振频率分布如图1所示。

从表1可以看出，人体各个器官的共振频率多在3～60 Hz之间，其中对人体生命至关重要的器官头、胸、腹腔的共振频率分别为4 Hz、12～16 Hz、4.5～10 Hz，共振频率一般较低，在井下基本都是站立作业，而人体站立出的共振频率仅为4～6 Hz，比坐着的共振频率5～12 Hz低，从中我们可以知道，在没有受到器物的直接接触打压、撞击造成伤害时，能引起人体共振对人体伤害最大的是传播距离较远的超低频波。

图1 冲击地压频率和人体器官对应关系

器官名称共振频率/Hz头4眼7～25上下颚60～90喉、气管、支气管6～8胸12～16上肢5～9骨3～8腹腔4.5～10肝3～4膀胱10～18骨盆5～9下肢5人在坐的位置5～12人在站的位置4～6

冲击地压频率和人体器官对应关系如图1所示，可以看出，冲击地压引起振动波对人体器官造成主要影响的频率分布在3～25Hz的低频成分，能量为1×103J的震动，造成大部分人员脑部、脸部损伤，其次为心脏、胃、脊柱、肾等损伤。经对冲击伤害人员的医学分析表明脑部受伤害的占91%，胸部占60%，内部器官占18%，上下肢占18%。可见冲击发生时防护的重点在于头部和胸部。

3 冲击地压防护对策分析

结合安全人机工程学，在人、机、环等方面，采取相应的防护措施，从而达到降低或消除冲击灾害的效果。

3.1 人的防护

冲击地压对人体的伤害主要是直接接触、物体打击造成的伤害和由于冲击地压产生的振动波对人体造成的伤害，因此在个人的防护方面，最主要的是采取好防护措施，首先是防冲服的使用，目前设计的防冲服主要是保护前胸和后背，由高强度、轻型塑料薄板制成，防冲服的外面有明显的荧光标志，便于在井下黑暗潮湿环境下的人物的识别，当然还有对手臂和腿部的防护夹板，但经过调查研究发现，这两部分的实用性不强，由于这两部分穿戴不便，影响作业、防护效果不明显等缺陷，实用性不强，还有待于进一步根据人机工程原理进行改进。

头部的防护也是非常重要的一方面，应该要求下井人员必须佩戴防冲头盔，头盔由轻型强质材料制成，上面也应标有荧光标志，头盔的内部应该有一定的防冲吸能装置，在人体头部遭受重物击打时，能够延缓能量对人体能量的传递，减缓能量对人体的头部的冲击伤害。对人体的四肢防护，主要靠人体注意，穿戴好有防静电功能的胶鞋。

3.2 机的防护

在冲击发生时对人体的伤害物体主要是煤岩、机械设备等，这就要求在防冲设计的方面采取防护措施。在机电设备的安放及设计方面，应该注意将重大机电设备固定，其外形尽量设计圆润，避免棱角出现，对一些特种设备，设计专门的硐室安放，从而避免在发生冲击时对人体的伤害。

井下小能量事件发生时，由于煤岩松动造成的锚杆掉落致使人员伤亡的事件时有发生，为避免此类事件的发生，应加固煤岩体，采取锚喷网支护，使其成为一个连续的大的整体，由此预防了单一的零星事故发生。

3.3 环境方面

环境主要是指矿井的开拓开采环境，煤岩的赋存等地质条件，基于前面分析的冲击地压发生的特点及条件可知，避免冲击的发生要尽量不开采或科学开采高应力，坚硬顶板、孤岛工作面的开采，并且要合理布置工作面，避免应力的高度集中。及时通风降温，为井下营造良好的作业环境，使工人拥有愉悦的舒适的工作环境，有愉悦的心情，从而在一定程度上避免的误操作，降低其他事故的发生。

3.4 其他方面

目前在冲击地压的防治上，依据人机工程学，防治主要利用“3E”对策，即指技术(Engineering)、教育(Education)、管理(Enforcement)对策。

冲击地压监测监控技术方面，目前应用广泛的主要有有钻屑法、顶板动态仪法、钻孔应力计法、电磁辐射法、地音及微震法[10]，各个矿井应根据自身的条件选择合适的监控设备及手段。教育方面主要是矿上要设有专门的冲击地压防治科室，组织专家学者为矿上人员进行冲击地压方面的知识学习，并进行这方面的教育，从而提高冲击地压方面的素质、观念、技术经验等。管理方面，管理层提高冲击地压方面的认识，树立冲击地压是可控可防的意识，制定切实可行的规章制度，并且严格按规定办事；树立“以人为本”的理念，强化员工的安全行为和安全思想；协调好安全与生产的关系。

4 结语

1) 通过对矿山冲击地压事故发生的特点、原因等进行分析，研究了冲击地压与人体的共振特点，分析了人体各器官部位有可能造成的伤害：冲击地压发生时，底鼓，机械设备的倾轧，翻滚等可造成胸部及躯干的伤害，胸部的伤害是致命的；煤岩碎块的坠落首先会伤害头部，医学分析表明脑部受伤害的比例最大。因此冲击地压防护的重点在于脑部和胸部的防护。

2) 针对冲击地压的有效防护，在人、机、环方面给出了切实可行的建议，人体主要为佩戴防冲服和防冲头盔，机器方面主要为机电设备的设计和安装要满足防冲要求，环境方面主要为进行科学合理的采掘布局。提出了冲击地压防治的“3E”对策，在技术、教育、管理方面给出了具体建议。

[1] 窦林名，何学秋. 冲击矿压防治理论与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2001.

[2] 姜耀东．煤岩冲击失稳的机理和实验研究[M]．北京: 科学出版社，2009．

[3] 河南省人民政府义马集团千秋煤矿，“11·3”重大冲击地压事故调查组．义马煤业集团股份有限公司千秋煤矿“11·3”重大冲击地压事故调查报告[R].2012．

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[7] 张新荣，刘文岗，姜耀东，等．深井冲击地压特征及煤岩结构动力失稳分析[J]．中国矿业，2008，17( 1) : 93-97．

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