煤矿粉尘健康风险综合评价研究

邱 俊，苏正通，吴代赦，李建龙

(南昌大学资源环境与化工学院，江西 南昌 330031)

煤炭生产过程产生大量粉尘，作业人员长期暴露于粉尘中会引起呼吸性疾病，如简单尘肺、进行性大块纤维化、支气管炎等，其中以煤矿工人尘肺病最为普遍和严重[1-2]。科学合理的煤矿粉尘危害评价分析是有效进行粉尘防治工作的前提。

对于矿尘危害的评价学者们已开展了大量研究。李明等[3-4]以矿尘浓度超标倍数、分散度、游离SiO2含量和工人接尘时间为指标，基于模糊综合识别技术进行了矿山粉尘危害评价，并运用人工神经网络建立了粉尘危害因素与尘肺发病率之间的关系。LIU等[5-6]和SHEN等[7]调研了中国铁法矿区16 154位矿工和开滦矿区17 023位矿工的尘肺病情况，按年龄、接尘时间、工种类型等进行了统计分析，分别运用生命表法和人工神经网络评估了尘肺病发病规律并做出了预测。田冬梅等[8]从“人-物-环-管”4个因素着手，分析了粉尘作业场所危害程度的40个影响因素，提出了基于模糊综合评价的粉尘作业场所风险评价模型。李艳强等[9]基于粉尘分散度、SiO2的质量分数、浓度超标程度、影响能见度、工人接尘时间等指标建立了矿尘危害模糊综合评价体系，并进行了危害等级划分。赵清亚等[10]建立了针对采掘工作面防尘措施的量化四级评价指标体系，并选取层次分析法与模糊综合评价法构建了评价模型。佟瑞鹏等[11-12]运用生命周期评价和清单分析法，建立了煤矿粉尘与健康损害定量评价关系，划分了各作业区域工种健康风险大小。

目前的研究主要考察了粉尘诱发尘肺病的若干主要因素，但是粉尘危害取决于检测区域的粉尘，煤层的空间环境、开拓开采方式、作业人员活动和防尘控尘设施的布置，同时也不同程度地影响着粉尘诱发尘肺病的风险[13]，并且也没有形成一套具有“判断-分析-总结-建议”的完整数据管理体系。为了做好矿井粉尘防治工作，使更多煤矿得到有效的粉尘风险评测，有必要分析煤矿的粉尘风险指标，建立可靠的数学模型，形成一套全面、系统、科学的粉尘风险评价体系。

本文分析总结了当前的研究成果，确定了粉尘危害评价指标，基于层次分析法建立一套完整、客观的煤矿粉尘风险定量评价体系，并开发了面向用户的评测软件，构建了煤矿粉尘风险客观有效的评测和管理平台，为管理人员实施粉尘防治提供决策支持。

1 评价体系的建立

1.1 指标的确定和分层

根据影响煤矿粉尘产生各种因素的综合分析，结合国内外对煤矿粉尘职业病的研究，大量的研究者发现，煤阶越高的煤尘引起尘肺的概率越大，在高阶煤中引起尘肺病比低阶煤概率高5倍[14-16]；接尘时间越长，发病概率越大[5-8]。因此，将本指标体系分为五大类：第一类客观因素B1，包括3个大项11个小项目；第二类井下工序B2，包括3个大项11个小项；第三类作业人员B3，包括8个小项；第四类防降尘措施B4，包括13个小项；第五类监控体系B5，包括6个小项。粉尘危险因素及其评价层次结构如图1所示。

图1 煤矿粉尘健康危害评估指标层次结构模型及其权重分配

1.2 评价方法的确定

1.2.1 确定综合评分方法

粉尘风险评价中通常的定量方法是建立目标量与指标值的经验关系式，但这需要大量的数据进行回归分析，并且由于分析指标的项数受到制约，达不到全面评价的效果。因此，采用单项逐一评分，最后进行累计加分得出评分，最终确定风险等级。

Ci为评语集见式(1)。

Ci=(c1,c2，…,cm)

(1)

Ui为评分集见式(2)。

Ui=(ui,1,ui,2，…,ui,k，…,ui,m)

i=1,2，…,49

(2)

分值与指标参数值间的映射见式(3)。

Ci→Ui

(3)

综合评分计算公式见式(4)。

(4)

该方法简单易行，但忽略了主要项目的决定作用，其结果不一定反映出最终事实。所以在累计加分的基础上，还应对各指标的权重进行判别，以改变各指标分值幅度的方法弥补累加法的弱点。

1.2.2 指标权重的确定方法

煤矿粉尘风险分析中面临的是一个由相互关联、相互制约的众多因素构成的复杂系统，层次分析法通常是采用带有定性指标的指标体系赋权法，在保证系统整体性的同时，又简化了各指标间的关系。因此，本文选用层次分析法确定各层因素的权重值。

为了使权重判断定量化，需要形成判断矩阵，其中，Xi代表各指标，xij代表Xi指标与Xj指标相对重要度之比，并引用表1的标度方法，用9个数字表示。

根据评价因素进行两两比较后，得到判断矩阵X=(xij)n×n，需进一步用和积法计算各指标的相对权值，具体步骤如下所述。

1) 将判断矩阵X的每一列元素作归一化处理，其元素一般项公式见式(5)。

(5)

(6)

3) 计算矩阵的最大特征根λmax表达式见式(7)。

(7)

1.2.3 粉尘风险权重的确定

根据图1中的因素从上层至下层按表1列出判断矩阵。通过专家评分法形成判断矩阵，共有5位专家参与评分，其中，2位专家是从事粉尘防治工作30余年的煤矿技术工人、2位专家是以煤矿粉尘治理为方向的教授、1位专家是进行过大量相关文献查阅的博士。经过专家评分法可以得到矩阵(表2和表3)。

表1 随机一致性指标RI

表2 A-B判断矩阵

表3 C1-D判断矩阵

将各判断矩阵按照1.2.2部分所示方法求得各因素在对应层次的权重，并通过一致性检验。将底层各因素进行总排序，计算出所有指标对于目标层的权值Ci，具体算法为见式(8)。

Wi=εWA,iWB,iWC,i

(8)

式中：WC,i为Ci在所属指标层的权重；WA,i、WB,i分别为Ci指标所隶属的因素在高层次的权重；ε为修正系数，为了避免不同指标权重之比过为悬殊，对于指标层次较少的评判体系来说，ε可以取1。如：煤层种类C1的权重Wi=1×0.199 1×0.066 5×0.124 8=0.008 294。

由此可知，不同指标在评价粉尘风险中的重要程度被清晰地量化，指标权重分配如图1所示。由图1可知，影响煤矿粉尘危害性的各因素重要程度是不均等的。在二级指标中，井下工序所起作用最大，其中采煤方法在总指标排序中最大。例如，水力采煤相比综合机械化采煤从抑制产尘的角度具有绝对优势，但水力采煤不能满足高产高效集约化生产的要求。另外是防降尘措施，采煤和掘进工作面防尘降尘的措施十分迫切，这与实际相符合，证明该方法的合理性与实用性。通过关注掌握主要因素提高对敏感因素的检测，警惕易忽略的因素，利用层次分析法进行危险评估，有针对性地对实际工作中粉尘防治进行布置。

1.2.4 确定指标备择集与评分集的映射关系

以往对煤尘的研究主要集中在粉尘的自身特性，针对具有量化的指标建立了很多经验公式。如AYDIN[17]基于logistic regression modeling建立了煤工尘肺患病概率与粉尘浓度、工种类型、教育背景、年龄、接尘时间和矿区之间的经验关系式；李明[3]利用人工神经网络建立了粉尘SiO2含量、粉尘浓度、接尘时间与尘肺发病率之间的关系。但对于一些定性的指标和难以建立明确函数关系的指标，如职工防尘观念、劳动强度、监测制度等，在对矿井进行粉尘风险评价时，常常只能对某因素做出“促进”或是“抑制”粉尘的评价，而无法确定其确切的风险值。

因此，考虑到建立精确映射关系的不可行性，定量指标中的备择参数应以区间的形式表示，并结合经验函数确定映射分值；而对只能定性的指标采用主观判别法，由专家依据经验确定映射分值，如果因素促进粉尘产生，则给予正分；如果抑制粉尘则给予负分，总分越高风险越大。

指标中的备择集里各备择项通过合理的分析和排序，可以得到各备择项的相对风险值Si,k，规定取值区间在[-5，5]，正值表示促进粉尘产生危害，负值表示抑制粉尘危害。例如：指标d1煤种类型中“褐煤”的相对风险值S1,1为1，“无烟煤”的相对风险值S1,5为5；指标d25防尘观念中“弱”的相对风险值S25,1为-1，“强”的相对风险值S25,3为-5。

在体系中，对每项指标的分值单位量度取权重的百分位值，再根据各指标与分值间的映射关系和其指标权重Wi确定指标的分值域Ui，见式(9)和式(10)。

Ui=(u1,u2,…,uk,…,un)

(9)

ui,k=102WiSi,k

(10)

式中，uk为Ci指标中备择项k对应的评分值。例如：指标d1煤种类型中“无烟煤”参数的评分值U1,5为：U1,5=0.008 294×5=4.147 1分。

1.2.5 风险等级的划分

按照上述方法建立了各指标备择集与评分集的映射关系后，基本形成了定量评价体系。将此体系运用到煤矿进行粉尘试评，基于每个煤矿的最终评判总分以及实际检测出的粉尘危害状况，根据专家建议，将风险等级划分为5个级别，见表4。

表4 煤矿粉尘健康危害等级划分

2 煤矿粉尘风险评测软件开发

本文对煤矿粉尘风险评测软件进行了研发，该软件系统既是一个采用新建立的煤矿粉尘健康风险评价体系的测评平台，也是一个煤矿粉尘相关因素整合的管理平台。软件设计主要基于“选择-计分”的评测模式，对每项因素值进行计分，最后统计总分。该软件主要由用户登陆系统、用户操作系统、评测系统和数据库系统四个部分所组成。其中评测系统主要包括两部分，一部分为本地评测，根据本文设计的体系由软件自行评测；另一部分为远程评测系统，由煤矿粉尘方面的专家组成，用户可以得到更为全面专业的粉尘防治建议，以便对煤矿现有设施和条件进行改造。另外，软件在设计中建立数据库，使软件能与其他系统挂接进行自由导入和导出。

3 应用实例

3.1 综合评分

结合YJ煤矿、XQ煤矿和TQ煤矿三处矿井参数(表5)，基于新建立的煤矿粉尘健康风险评价体系进行了实例分析，得到了综合评价结果(表6)。

表5 矿井参数

续表5

表6 三个矿井综合评价结果

3.2 结果分析

从上述评分情况可以看出，三组煤矿的评分差异显著，处于不同的矿尘危险等级(图2)。

YJ煤矿得分为102.57，矿尘危害等级为Ⅱ级(严重)。YJ煤矿的变质程度低，煤尘危害相对小，且具备大量用水防尘措施；每月进行防尘技能学习，职工具有较强的防尘意识。但采用综合机械化开采且采高大，矿井产尘量大，且矿井地温高矿尘易飞扬。YJ煤矿累计发现尘肺病102例，近年尘肺发病率占体检人数的0.74%，情况较为严重。

XQ煤矿得分为71.19，粉尘危害等级为Ⅳ级(轻微)。该矿开采高变质无烟煤，煤尘具有严重危害性，工人接尘时间大于6 h。但该矿无放顶煤开采，采用封闭式煤仓，职工防尘观念较好，并有制度的对粉尘进行检测且专人专用。

TQ煤矿得分为136.58，危害等级为Ⅰ级(非常严重)。第一，TQ煤矿为新建现代化矿井，职工普遍为非煤矿人员转入，防尘观念较弱；第二，TQ煤矿采用放顶煤开采且采放比大，产尘情况严重；第三，TQ煤矿主要产尘点仍然采用传统的喷雾洒水方法治理粉尘，降尘效率低，且煤质含水低、巷道风流干燥，致使落尘易飞扬。

由上分析可知，本文构建的评价体系针对三个矿井的粉尘危害等级划分与矿井实际粉尘现状相符，评价结果具有一定的参考和推广价值。

三个对比煤矿中，TQ煤矿的粉尘危害等级最为严重(Ⅰ级)，若TQ煤矿采取粉尘防范措施，增加培训加强职工防尘观念、强化防尘技能，并要求职工佩戴个体粉尘监测器，其评分值可降为115.94，即粉尘危害等级降为Ⅱ级(严重)；若TQ煤矿进一步采取措施，放顶煤时封闭尘源，在掘进作业场所增加除尘设备，配专用粉尘检测人员并严格执行粉尘检测制度，其评分值可降为87.83，粉尘危害等级可降为Ⅲ级(中度)。通过评价体系对防尘措施影响粉尘危害指标的模拟，可增强人们对煤矿粉尘危险程度的认识，提高矿尘评价和预防的效率，有利于煤矿做好粉尘防治工作。

4 结 论

1) 针对当前煤矿粉尘评价系统性与科学性存在的不足，本文全面考虑了矿尘影响因素，结合矿山实际生产过程，确定了五大类指标体系，采用层次分析法建立了一套煤矿粉尘健康危害风险评价体系，将矿尘健康危害划分为五个等级，并开发了配套软件。

2) 通过三个矿井的应用与对比，得出其评价分数与危害等级，评价结果与矿井实际情况相符，具有参考和推广应用价值。

3) 研究成果有利于促进矿尘评价体系的规范化，减少繁杂的评测工序，提高矿尘评价和预防的效率，同时能够增强人们对煤矿粉尘危险程度的认识，有利于煤矿做好粉尘防治工作。