准东选煤厂胶带廊扬尘暴露的职业风险评估模型研究

刘 承,邱思然

(国能新疆准东能源有限责任公司,新疆 昌吉 831100)

近年来,我国煤炭能源的需求量剧增,大部分行业的运行,如电力、供暖、化工等都跟煤炭有关,使得煤炭企业的生产力度不断加大,因此接触粉尘的职工数量也在不断增加。长期处于煤尘作业环境的工人易得煤肺病或煤矽肺病[1]。根据国家卫健委统计的数据,尘肺病仍居中国九大职业病首位。截至2021年底,尘肺病新增病例数为11 809例,占全国职业病新增病例数的76.64%[2-3],不仅严重威胁着广大职工的身体健康,而且还造成了巨大的经济损失,对社会的文明进步产生了不良影响。

为了进一步分析粉尘排放对矿工的健康影响,多名国内外研究学者采用风险评估方法评估排放粉尘造成人类健康风险的可能性和严重程度。林嗣豪等[4]建立了职业危害风险指数评估方法;田冬梅等[5]从人-物-环-管理4个方面提出了基于模糊综合评价的粉尘作业场所风险评价模型;王善文等[6]建立了企业职业危害综合评价和风险分级系统;张忠彬[7]考虑了超标倍数、超标率并建立了作业场所职业危害风险综合评价模型;何国家等[8]研究了不存在任何防护、严格执行防护措施及防护用品使用存在个体差异三种情形下粉尘危害风险规模的评价方式;佟瑞鹏等[9]研究了不确定性条件下煤尘职业健康损害评价方法。

然而,露天煤矿胶带廊的扬尘暴露风险主要受限于作业类型和矿工的自我防护意识。一方面,不同的作业环节导致的工作内容不一样[10],导致选煤厂不同岗位工人每日的粉尘暴露时间相差较大;另一方面,随着绿色建筑、绿色施工等环保理念的引入和政府部门的介入,提高了煤炭企业和施工人员的自我卫生管理意识[11]。对于健康风险评估,应着重考虑相关工人的实际粉尘暴露浓度,因此,露天煤矿选煤厂胶带廊扬尘暴露的健康风险评估是矿山安全环保工作中的重要内容之一。

1 胶带廊尘源产尘机理及影响因素

胶带廊作为煤矿内部的重要输送通道,不仅承担着煤炭运输的重要任务,也是主要的产尘源之一。煤炭破碎和运输是选煤厂胶带廊的主要产尘环节。在煤炭从采矿现场到处理设备或仓库的过程中,煤炭经历了破碎和运输阶段,这两个阶段均会导致煤尘的生成和扩散[12]。

1.1 胶带廊煤炭破碎机理分析

露天煤矿中,较大的块状煤炭从现场挖掘出来,这些煤块需要被破碎成适合运输和处理的小块或颗粒。煤炭破碎设备主要包括以下三种:①颚式破碎机:颚式破碎机是常见的煤炭破碎设备之一,它通过两个可移动的颚板将煤炭挤压、破碎成较小的块状物料。②圆锥破碎机:圆锥破碎机以锥形破碎腔为特征,通过回转圆锥体将煤炭压缩、破碎。③辊式破碎机:辊式破碎机用两个旋转辊轴将煤炭挤压、破碎成均匀的小块煤炭。

煤炭在胶带廊上输送和处理的过程中产生粉尘的主要机理包括[13]:①机械破碎:煤炭在传输过程中可能会受到挤压、碰撞和摩擦等机械力的作用,导致颗粒破碎。特别是在胶带弯道、转载点和传输点等地方,煤炭颗粒更容易受到机械破碎的影响。②空气流动:煤炭输送带上的空气流动也可以促使煤炭颗粒脱落,产生粉尘。空气高速流动可能会使颗粒从带子表面脱落。③湿度和温度:煤炭破碎和产尘还受到环境湿度和温度的影响。低湿度和高温度条件下,颗粒更容易破碎和产生粉尘。

1.2 胶带廊粉尘产生影响因素分析

胶带廊煤炭破碎产尘机理和影响因素之间存在相互关联。为了减少产尘量,需要综合考虑煤炭性质、设备设计、操作参数和环境条件,采取适当的控制措施,胶带廊粉尘产生的主要影响因素有[14]:

1) 煤炭性质:煤炭的硬度、湿度、颗粒大小和形状等性质会影响其破碎和产尘的程度。较硬和干燥的煤炭更容易破碎。

2) 传输速度和距离:胶带廊的输送速度和输送距离会影响煤炭颗粒受到的力和条件,从而影响破碎和产尘。

3) 传输角度和方向:输送带的弯曲角度、传输方向和转载点的设计会影响煤炭颗粒的运动,可能导致更多的破碎和尘埃产生。

4) 设备和维护:胶带廊的设备状况和维护程度也是重要因素。磨损严重的设备和不良的维护可能增加破碎和产尘的机会。

5) 环境条件:温度、湿度和空气流动速度等环境条件对煤炭破碎和产尘也有直接影响。

6) 尘埃控制措施:采取有效的尘埃控制措施,如喷雾系统、尘埃收集器等可以减少煤炭破碎产尘的影响。

2 胶带廊扬尘暴露的职业风险评估方法

2.1 选煤厂胶带廊实际粉尘暴露

在选煤厂的实际生产过程中,煤炭企业管理人员经常实施一系列防尘措施保护现场工人的健康。例如,喷雾系统等粉尘控制措施可以降低员工工作环境中的粉尘质量浓度;佩戴个人防护设备(如防尘口罩)可减少鼻子和嘴巴吸入的灰尘。因此,鼻子和嘴巴接触的实际值应替换为原始环境浓度。

2.1.1 选煤厂胶带廊降尘措施

喷雾降尘系统已多次应用于抑制煤矿的粉尘扩散。基本过程为:从喷嘴口雾化成的细小水雾将持续捕捉胶带运输过程中裹挟的细微粉尘,逐步形成含尘的凝聚团,在重力的作用下沉积至胶带表面或地表以减少粉尘。选煤厂现场的喷雾降尘控制系统见图1.

图1 选煤厂胶带廊喷雾降尘控制系统

2.1.2 选煤厂胶带廊防尘措施

井工煤炭开采行业密闭空间粉尘质量浓度高,工人对粉尘的感知更明显,安全感强,因此在这样的环境中会主动戴口罩。选煤厂的胶带廊也是产生粉尘的主要场所之一,但作业人员停滞时间较短,肉眼可见的粉尘消散得很快,使工人产生粉尘质量浓度不足以对他们的健康造成伤害的错觉。因此,露天煤矿选煤厂很少有人主动佩戴个人防护装备。

根据《呼吸防护用品自吸过滤式防颗粒物呼吸器》(GB 2626-2006)规定,防尘口罩的隔离性能包括两个因素:过滤效率(FE)和向内泄漏(IL)。过滤效率是指在规定的检测条件下,过滤元件过滤的颗粒物的百分比,由式(1)表示:

(1)

式中:FE为防尘口罩的过滤效率;C1为通过过滤元件进入口罩的粉尘质量浓度,mg/m3;C0为环境粉尘质量浓度,mg/m3.

防尘口罩的泄漏率可由式(2)表示:

(2)

式中,Cb为泄漏到防尘口罩中的粉尘质量浓度,mg/m3;Ca为防尘口罩中的背面粉尘质量浓度,mg/m3.

因此,工人接触的实际粉尘质量浓度为:

(3)

实测结果与相关论文研究表明,职业用口罩(N95、N99防护口罩、外科口罩、一次性医用口罩)的实际过滤效率为87.3%～99.4%,实际总泄漏率为9%～35%.本研究选取一次性医用口罩的FE和泄漏率进行计算,分别为88.7%和22%.

2.2 选煤厂胶带廊矿工健康风险评估

采用公共环境卫生领域的健康风险评估模型,对选煤厂胶带廊矿工的职业暴露进行定量评价。选煤厂胶带廊粉尘健康风险评估主要包括粉尘暴露评估与健康风险量化分析两个部分。

2.2.1 粉尘暴露评估

平均日剂量(ADD)是用暴露参数法计算有害物质对人体的暴露剂量,即在有害物质达到一定浓度的环境中对人体有害物质的吸收剂量。在健康风险评估中ADD的准确计算很关键:

(4)

式中:CA为胶带廊有害物质的环境浓度,mg/m3,可利用式(3)计算;IR为吸入速率,m3/h;EF为选煤厂矿工的连续暴露频率,d/a,取每年的工作天数;ET为工人的平均日暴露时间,h/d;ED为矿工的连续暴露持续时间,取每个作业工序的持续时间,a;BW为工人的平均体重,kg;AT为矿工的平均暴露时间,取每个作业工序的持续时间,d.

2.2.2 健康风险量化分析

粉尘引起的主要疾病包括尘肺病、急性呼吸道感染(ARTI)、慢性阻塞性肺病(COPD)、血管性心肌病、脑血管疾病(CVD),甚至导致死亡。每种风险按比例分配给相关疾病,并根据每种疾病的损害因素计算残疾调整生命年(DALY):

DALY=n·∑R·Qi·Wi·Li·P

(5)

式中:Qi为疾病i的危险因素;Wi为疾病i的影响因子;Li为疾病i的损害因子;P为受损害影响的人数;n为暴露天数,取施工周期,d;R为粉尘对健康造成损害的风险指数,可利用公式(6)进行计算。

(6)

式中:RfD为粉尘的参考剂量,mg/(kg·d)。本文中取二氧化硅的代表值0.4 mg/(kg·d)。

本研究的对象为新疆准东露天煤矿的从业人员。管理人员和煤矿工人都是来自当地的男性。假定管理人员和工人的平均预期寿命均为76.7岁,根据文献[4]给出的粉尘引起的健康风险影响因素如表1所示,工人的平均预期剩余寿命如表2所示。

表1 选煤厂粉尘职业危害健康风险

表2 选煤厂矿工的平均预期剩余寿命

3 实例应用

3.1 工程背景及监测设备的布设

准东选煤厂地面煤炭生产系统包括采场内MMD一级破碎站、001(明槽胶带)输煤斜巷、地面输煤走廊、筛分破碎车间、产品仓及快速装车站等。准东露天煤矿生产的毛煤经MMD一级破碎站,通过排料胶带、转载胶带运输至坑下2个缓冲原煤仓,经过明槽胶带输送到002胶带,002胶带将原煤运输到101胶带,原煤通过101胶带到达筛分楼7楼,经过分叉中部槽落入6楼的201号、202号刮板机内,后经分布于筛分楼3楼的217号、218号、219号、220号、221号、222号6台破碎机进行破碎加工,后全部进入筛分二楼223号刮板机,通过闸板和机头中部槽分配至301、302胶带或206胶带,根据需要进入各筒仓或输电厂胶带或廊道公司。工艺流程见图2.

图2 准东露天矿某选煤厂工艺流程图

3.2 粉尘质量浓度的监测结果和分析

对安全技术员、胶带廊管理员、检修员、安全员、巡查员以及门卫在工作阶段和休息阶段接触的粉尘进行连续、实时监测。在工作阶段,各类岗位人员接触到的粉尘质量浓度是现场出入口处粉尘监测站的质量浓度。管理人员在项目部休息,将暴露粉尘浓度设置为两个项目部门粉尘监测站的平均值。大约需要1.5 h才能到达和离开政府指定的挖掘现场到施工现场。在休息(运输)期间,检修员、巡查员暴露在建筑工地的背景浓度作为实际暴露粉尘质量浓度。表3列出了不同岗位人员在不同状态下的粉尘暴露浓度。

表3 选煤厂不同矿工的粉尘暴露浓度

平均值反映了工人实际的粉尘暴露,最大值和最小值的计算表示工人暴露的粉尘范围,而中位数代表工人实际粉尘暴露浓度的主要间隔。由表3、表4可以看出,在没有任何粉尘控制措施的情况下,不同从业人员的粉尘暴露浓度在6～290.98 mg/m3之间。在选煤厂的实际生产过程中,矿工的粉尘暴露浓度高于中国国家标准的要求[2]。对比表中粉尘控制措施前后的浓度分布可以看出,使用粉尘控制措施后,中位数和标准差明显降低,并且没有最大值远高于平均值的现象。除尘措施对工人产生了积极影响。对于胶带廊巡查员和巡检员来说,使用喷雾除尘后的粉尘质量浓度仅为原始粉尘质量浓度的36.9%.对于胶带廊管理员、检修员、安全员来说,使用喷雾后的粉尘质量浓度仅为原始粉尘质量浓度的42.7%.

表4 选煤厂不同矿工的粉尘暴露评估

3.3 健康风险评估

通过将各种参数代入等式(1)～(6)中,获得了无粉尘控制措施和有粉尘控制措施两种评估结果。

3.3.1 无粉尘控制措施评估

在没有任何除尘措施的情况下,对健康风险进行了定量评估,如表5所示。工人的工作期间的总健康风险范围为14.03×10-6～208.4×10-6,平均值为31.06×10-6,超过了限制值10-6美国环保局推荐。工人的休息期间的总健康风险范围为0.63×10-6～2.19×10-6,平均值为1.18×10-6,相对于不工作期间有大幅度的下降,因此在皮带廊选煤厂的施工过程中,如果不采取防尘措施,就会对工人的健康造成一定的威胁。残疾调整生命年的范围为0.057～0.108 1 a.

3.3.2 有粉尘控制措施评估

考虑施工现场的除尘措施和防尘口罩的隔离效果评估工人的健康风险,安全技术人员与胶带廊检修员的总体健康风险最大,但由于人均胶带廊检修员人数众多,检修员的健康风险较小。喷洒粉尘控制措施和使用防护口罩可以在很大程度上降低胶带廊现场人员的健康风险。呼吸器的整体防护效果(67.54%)大于喷雾粉尘(38.56%)。防护口罩的效果只能针对用户,不能对整体施工环境产生积极影响。在选择粉尘处理措施时,决策者还应考虑对周围环境和居民的影响。当两种职防措施一起使用时,健康风险降低了76.89%.虽然联合使用的效果优于任何单一措施,但仅比单独使用防护口罩降低了9.35%的风险。因此,决策者需考虑如何正确使用粉尘处理措施,以实现效益最大化。

4 结 语

1) 考虑胶带廊不同岗位和作业时间具有差异性,通过传感器和计算得到工人实际粉尘暴露浓度,建立了包括粉尘暴露评估和健康风险量化在内的健康风险评估模型。并分析了喷雾降尘技术和防尘口罩在选煤厂胶带廊的应用效果。

2) 佩戴防护口罩和喷雾系统都可以有效降低选煤厂胶带廊的健康风险,除尘效率分别为67.54%,38.56%,联合控尘措施的除尘效率为76.89%,高于使用任何单一措施。

3) 在没有任何粉尘控制措施的情况下,所有工人的总健康风险范围为14.03×10-6～208.4×10-6,总健康风险的平均值为31.06×10-6,单一工人的健康风险没有超过这一限值。不同类型的工人因其工作内容而暴露在不同程度的粉尘中。管理人员应针对不同工作类型的不同工人采取不同的防尘措施,以确保工人的健康状况。