深井受限空間職業(yè)危害程度辨析方法

熊立新 羅周全 吳 超 石東平 賈 楠

(1.中南林業(yè)科技大學商學院，湖南 長沙 410004; 2.中南大學資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083)

深井受限空間職業(yè)危害程度辨析方法

熊立新1,2羅周全2吳 超2石東平2賈 楠2

(1.中南林業(yè)科技大學商學院，湖南 長沙 410004; 2.中南大學資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083)

深井受限空間中職業(yè)危害影響因素源頭多，數(shù)據(jù)離散，難以有效定量分析。分析了8個典型礦山中173個深部作業(yè)場所、硐室的職業(yè)危害因素相關數(shù)據(jù)，確定了影響職業(yè)危害程度的關鍵指標；根據(jù)單指標分類區(qū)間上、下限，構造了5個不同危害程度等級；基于模糊層次分析法(FAHP)，確定了各關鍵指標的權重；基于逼近理想解排序法(TOPSIS)，構建了危害度評價矩陣，計算出20個不同深井受限空間與正理想解的距離貼近度。計算結果表明：深部作業(yè)場所職業(yè)危害程度高于深部硐室，約27%的作業(yè)場所處于較高及以上危害程度等級，需要加強對作業(yè)人員的職業(yè)安全防護措施。該方法為礦山深井受限空間職業(yè)危害程度辨析、預警提供了一種新方法。

深井受限空間 職業(yè)危害 模糊層次分析法(FAHP) 逼近理想解排序法(TOPSIS)

目前，國內(nèi)不少地下礦山逐步進入深部開采階段[1-2]。在深井受限環(huán)境中，工作面臨的職業(yè)危害因素多且復雜，表現(xiàn)為高溫、高濕、通風條件差、有毒有害氣體濃度高等[3-6]。國內(nèi)許多礦山，如冬瓜山銅礦，廣東凡口礦等，普遍存在大量的深部硐室和作業(yè)場所，這些深井受限環(huán)境中作業(yè)人員的職業(yè)危害程度辨析、預警與控制是目前企業(yè)安全生產(chǎn)管理的重要內(nèi)容，關系到礦業(yè)向更深領域的安全高效生產(chǎn)。

目前，國內(nèi)外學者對金屬非金屬礦山企業(yè)的職業(yè)危害預防和控制進行了許多研究，如陳順育等[7]使用風險矩陣法、郭進平等[8]使用二元語義法評估了礦山職業(yè)危害風險，王雪妮等[9]構建了地下礦山的職業(yè)危害評價體系；何蘇敏等[10]調(diào)查分析了核電非放射性職業(yè)危害；石亮等[11]開展了礦山多種職業(yè)危害的綜合評價方法研究；韓麗華等[12]對陶瓷中放射性職業(yè)危害進行了調(diào)查；劉業(yè)嬌等[13]研究了煤礦安全工作標準程序來減低職業(yè)危害風險。但是，目前國內(nèi)學者對深部受限空間中職業(yè)危害的研究很少，掌握的工程數(shù)據(jù)有限，在進行多屬性決策和評價時采用的數(shù)學方法單一，這些都極大地影響了深部開采過程中職業(yè)危害相關研究的實際效果。

本研究分析整理國內(nèi)8個典型金屬礦山(安徽安慶銅礦、廣西大廠、高峰、銅坑礦、廣東凡口礦、銅陵冬瓜山、大團山礦和郴州柿竹園多金屬礦)的173個深部硐室和作業(yè)場所的職業(yè)危害影響因素數(shù)據(jù)，基于FAHP(Fuzzy Analytic Hierarchy Process,模糊層次分析法)和TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution，逼近理想解排序法)方法開展深井受限空間職業(yè)危害程度辨析研究。

1 深井受限空間職業(yè)危害關鍵影響因素

國內(nèi)典型金屬礦山，如冬瓜山銅礦，開采深度都已經(jīng)快達到千米左右，作業(yè)空間面臨“三高一擾動”的環(huán)境，在深部開采過程中的受限空間里，職業(yè)危害因素多源，風險概率不一，因此，危害程度辨析是典型的多屬性決策問題。

深部開采職業(yè)危害因素主要有高溫[14]、高濕、粉塵、有毒有害氣體、噪聲、振動等。以溫度為例，根據(jù)人體生理特性，當環(huán)境溫度達35 ℃以上時，體感很熱，會影響正常活動；當溫度達到40 ℃以上時，體感酷熱難耐，難以開展正?；顒?，而高溫熱害是深部開采中最常見的危害因素之一。深井中由于圍巖導熱、機電設備放熱、爆破熱等多種熱源存在，人體長時間在高溫的深井環(huán)境中作業(yè)，會產(chǎn)生體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)紊亂，水、鹽代謝系統(tǒng)故障，消化系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)及泌尿系統(tǒng)失常，同時嚴重影響作業(yè)人員的勞動效率，表現(xiàn)出易疲勞、注意力不集中、失誤率上升等狀況。某銅礦10個深部作業(yè)場所(標高從-720～-780 m)溫度數(shù)據(jù)見圖1。由圖1可見，大部分采場溫度都已接近或超過30 ℃。

圖1 深部作業(yè)場所溫度

雖然許多研究對職業(yè)危害的各種影響因素進行了分析，但是由于這些影響因素多且復雜，數(shù)據(jù)離散，難以進行數(shù)理統(tǒng)計。實際操作中，也不能對每個影響因素都進行控制，全部監(jiān)控會導致人力、物力的無謂浪費，會導致工作程序繁瑣，影響工作進度；同時，不是所有的因素都會對職業(yè)危害產(chǎn)生重大影響。因此，首先需要分析確定影響危害程度的關鍵因素，然后對關鍵影響因素進行監(jiān)控，開展辨析及預警。

近5 a來，課題組對冬瓜山銅礦、安慶銅礦、廣東凡口礦和廣西銅坑礦等8個礦山的173個采場、硐室進行了探測和監(jiān)測，累積了大量的深井受限空間環(huán)境數(shù)據(jù)。根據(jù)工程實際，深井受限空間危害度辨析一方面需要考慮深井受限空間的安全程度，另一方面還需要考慮深井受限空間作業(yè)環(huán)境，選擇溫度(X1)、濕度(X2)、粉塵濃度(X3)、有害氣體(X4)、噪聲(X5)、振動(X6)、風速(X7)，圍巖堅固性系數(shù)f(X8)共8個因素作為深井受限空間中職業(yè)危害關鍵影響因素，其中，計算有毒有害氣體總量時，將其他氣體折算成CO含量；其中NnOm的毒性系數(shù)比為6.5，SO2、H2S的毒性系數(shù)比為2.5[15]。

2 深井受限空間職業(yè)危害程度分級

一般情況下，深井受限空間作業(yè)場所的安全性在作業(yè)期間能得到有效保障，因此主要考慮深井受限空間環(huán)境條件。設定前文中8個指標為危害性影響指標，根據(jù)單指標數(shù)值上、下限區(qū)間進行5個級別的分類，將深井受限空間危害度等級分為5級:低危害度深井受限空間(Ⅰ)、較低危害度深井受限空間(Ⅱ)、中危害度深井受限空間(Ⅲ)、較高危害度深井受限空間(Ⅳ)、高危害度深井受限空間(Ⅴ)。見表1。

表1 深井受限空間職業(yè)危害程度分級標準

3 FAHP-TOPSIS分析方法

3.1 模糊層次分析法

FAHP是由AHP(Analytical hierarchy process,層次分析法)發(fā)展而來，AHP方法是由美國T L Saaty在1970年提出的一種定性和定量結合的決策方法，把復雜的問題分解成各組成部分，通過兩兩比較來確定各組成部分的相對重要性。兩兩比較過程中沒有考慮到判斷矩陣的模糊性，目前學者將其拓展成FAHP方法，包含了層次分析法和模糊綜合評價法，在評價上可以很好區(qū)分稍微重要性和明顯重要性的區(qū)別。基本分析步驟：

(1)建立層次結構模型,一般可分為目標層，準則層和方案層3層。

(2)構造職業(yè)危害關鍵因素對比矩陣。

(3)計算各關鍵因素權向量。

(4) 專家互判矩陣進行一致性檢驗。

3.2 TOPSIS分析法

TOPSIS分析法由C L Hwang和K.Yoon在1981年提出，是根據(jù)有限個對象與理想化目標的接近程度進行排序的多目標決策方法。關鍵在于“理想解”和“負理想解”的確立和比較，排序規(guī)則是將評價方案與理想解和負理想解進行比較，若某方案最接近理想解，同時最遠離負理想解，則是最好方案?；静襟E如下。

(1)確定職業(yè)危害程度相關的多個評價目標，每個目標有多個評價指標。

(2)邀請專家對評價指標進行打分(定性和定量指標)，建立特征矩陣。

(3)計算規(guī)范化矩陣。

(4)構建權重規(guī)范化矩陣。

(5)確定理想解和負理想解。

(6)計算距離尺度；即每個目標到理想解和負理想解的距離，距離尺度可以使用n維歐幾里得距離表示。

(7)計算理想解的貼近度。

(8)根據(jù)理想解貼近度大學進行排序。

基于模糊層次分析法計算危害程度評價指標與評價等級間的指標權重，基于逼近理想解排序法構建危害程度綜合評價體系。

4 評價指標權重

4.1 計算過程

權重是描述各種屬性及各類指標對危害程度綜合評價影響程度的大小，首先將指標x1,x2，…,x8的重要度相互比較,aii=0.5表示因素與自己相比同樣重要;若aij∈[0.1,0.5),則表示因素xj比xi重要;若aij∈(0.5,0.9],則表示因素xi比xj重要。則得到如下模糊互補判斷矩陣：

模糊互補判斷矩陣權重計算公式：

(1)

對上式得出的權重量還需要進行比較判斷的一致性及兼容性檢驗。

設矩陣A=(aij)8×8和B=(bij)8×8為2位專家得出的模糊判斷矩陣,稱

(2)

為A和B的兼容性指標。

設W=(W1,W2,…,W8)是模糊判斷矩陣A的權重向量，

則稱8階矩陣w*=(wij)8×8為判斷矩陣A的特征矩陣。當兼容性指標I(A,B)≤c和I(A,W)≤c(c為兼容性指標取值范圍)都成立時，認為判斷矩陣為滿足一致性的。即這些專家互判矩陣得到的權重值是合理的，c越小表明決策者對模糊判斷矩陣的一致性要求越高，通常情況下取c= 0.1，可以滿足。

最后得權重向量：

W=[W1,W2,…,W8]，

(3)

其中，

(4)

4.2 計算結果

根據(jù)工程實際情況，2位專家給出了判斷矩陣如下。

由式(2),得兼容性指標：I(A,B)=0.07滿足約束。

由式(1)和(3)，得到8個指標的權重矩陣：

w=[0.12,0.1,0.12,0.13,

0.13,0.11,0.14,0.15].

5 危害程度FAHP-TOPSIS辨析

根據(jù)表1中單指標分類區(qū)間上、下限構造5個不同危害度等級的典型深井受限空間(Ⅰ#，Ⅱ#，Ⅲ#，Ⅳ#，Ⅴ#)，選取20個深井受限空間樣本，構建初始評價矩陣A，數(shù)據(jù)見表2。

表2 各樣本評價指標

評價過程如下。

(1)建立初始評價矩陣，20個評價單元，8個評價指標，初始評價矩陣為

A=(aij)20×8,i=1,2,…，20，j=1,2,…，8.

(2)構建標準化決策矩陣，標準化決策矩陣：

B=(aij)20×8,i=1,2,…，20，j=1,2,…，8.

先需要進行無量綱化處理。

對風速(X7)、圍巖堅固性系數(shù)f(X8)2個越大越優(yōu)指標：

(4)

對溫度(X1)、濕度(X2)、粉塵濃度(X3)、CO(X4)、噪聲(X5)、振動(X6)6個越小越優(yōu)指標：

(5)

(3)構建加權標準化決策矩陣：

(6)

(4)計算評價對象的貼近度，加權標準化決策矩陣正理想解C+：

(7)

加權標準化決策矩陣負理想解C-：

(8)

(5)計算評價對象與理想解距離S。評價對象與正理想解的距離S+：

(9)

評價對象與負理想解的距離S-:

(10)

(6)計算評價對象與正理想解貼近度E：

(11)

由式(7)，(8)求解得到加權規(guī)范化矩陣C的正負理想解分別為

貼近度分類為

低危害度深井受限空間(Ⅰ)：

較低危害度深井受限空間(Ⅱ)：

中危害度深井受限空間(Ⅲ)：

較高危害度深井受限空間(Ⅳ)：

高危害度深井受限空間(Ⅴ)：

計算結果見表3。

表3 計算結果

由表3可見，深部作業(yè)場所都屬于中等危害程度以上空間，深部硐室都屬于低危害程度或較低危害程度空間。深部作業(yè)場所中，52-8#，50-4#,54-14#等3個受限空間屬于較高危害度，56-2#屬于高危害度空間，占全部作業(yè)場所的27%，在較高和高危害等級的深井受限空間進行作業(yè)時，需要先對危險源進行處理，確保現(xiàn)場監(jiān)測和及時的安全處置，并加強作業(yè)人員的職業(yè)安全防護措施。

6 辨識結果驗證

根據(jù)礦山近5 a的安全日志，20個樣本中，整理出涉及到的10個深部作業(yè)場所60 d作業(yè)人員生理不適頻次，見圖2?？梢姡?0 d的統(tǒng)計周期內(nèi)，頻次較高的作業(yè)場所有52-8#,50-4#,56-2#,54-14#，其職業(yè)危害程度為較高或高等級，與前文中辨析結果吻合。

7 結 論

(1)分析了國內(nèi)8個典型礦山173個深井受限空間中職業(yè)危害因素數(shù)據(jù)，明確了深井受限空間職業(yè)危害關鍵因素，根據(jù)單指標分類區(qū)間上、下限構造了5個不同危害度等級。

圖2 作業(yè)場所職業(yè)危害頻次統(tǒng)計

(2)結合改進的AHP方法，提出了FAHP-TOPSIS分析方法，該方法有權重計算精確，運算過程簡單等優(yōu)點，便于進行危險度的評價。

(3)對20個深井受限空間樣本的危害度進行了辨析可見，深部作業(yè)場所的職業(yè)危害程度普遍高于深部硐室，特別是52-8#,50-4#,56-2#,54-14#等4個深井受限空間危險程度高，占全部作業(yè)場所數(shù)量的27%，需要采取安全防護措施。

(4)工程驗證表明，深井受限空間職業(yè)危害程度辨析可以為企業(yè)職業(yè)危害事故提供科學的預警依據(jù)，為事故預防和控制提供了一種新的方法。

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(責任編輯 徐志宏)

Evaluation Method for Occupational Hazards of Confined Space of Deep Mines

Xiong Lixin1,2Luo Zhouquan2Wu Chao2Shi Dongping2Jia Nan2

(1.Business School，Central South University of Forestry and Technology，Changsha 410004，China；2.School of Resource and Safety Engineering，Central South University，Changsha 410083，China)

Occupational hazard of confined space of deep mines comes from different sources.Due to the discrete data type，it is hard to realize the effective quantity analysis.The occupational hazards data of 173 deep operation platforms and chambers from 8 typical mines were analyzed.The key indexes of the occupational hazards were determined.5 different harm degrees were constructed based on the upper limit，lower limit of single index classification; The weight of each index was determined based on FAHP，and the risk evaluation matrix was built based on TOPSIS.The approaching degree between confined space of 20 deep mines and the ideal solution were calculated.The calculation results showed that the harm degree of the deep working platform is higher than that of deep chamber，and about 27% of the working platform lies at high harm level or more.Therefore the occupational safety protective measures for workers should be strengthened.The method provides a new way for pre-warning occupation hazards of confined space of deep mines.

Confined space of deep mines，Occupational hazards，F(xiàn)uzzy Analytic Hierarchy Process，Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution (TOPSIS)

2014-09-07

國家自然科學基金項目(編號：51274250)，湖南省教育科學“十二五”規(guī)劃2012年度項目(編號：XJK012QGD009)。

熊立新(1983—),男,講師，博士。

X932

A

1001-1250(2014)-11-132-06