朱維根，葛啟發(fā)，2，張海勝，陳慶剛

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038；2.北京科技大學(xué)，北京 100083)

0 引言

普朗銅礦位于滇西北橫斷山脈東北部的迪慶州香格里拉縣東北部，地處雪域高原的高山峽谷地帶，為青藏雪域高原南緣部分，地勢總體較高，最高海拔4 702 m，最低3 450 m，一般3 600～4 500 m，相對高差達(dá)300～1 300 m；礦區(qū)年平均降雨量619.9 mm，雨季(5～10月)降水量占全年降水量的87.1%。降水量隨海拔增高而遞增，海拔每增高100 m，降雨量增加20～40 mm。最大降水高度出現(xiàn)在海拔3 400～3 600 m的區(qū)域，降水量達(dá)1 000～1 200 mm。高原壩區(qū)年蒸發(fā)量1 382.6～1 919.0 mm，平均1 644.6 mm。

普朗礦區(qū)氣候為寒溫帶氣候，冬季氣候比較寒冷。氣象資料表明，礦區(qū)最高氣溫25.4 ℃，最低氣溫-20.1 ℃，年平均氣溫4 ℃，最熱月平均氣溫10 ℃左右，最冷月平均氣溫-8 ℃，日照百分率為49.6%。5～10月氣候較為溫和，11月至翌年4月為積雪期，經(jīng)常冰凍雪蓋，全年無霜期僅128天。高原壩區(qū)(海拔3 000～3 300 m)平均年凍土日數(shù)為127.1天，平均凍土深度0.18 m，極端情況下最大凍土深度0.25 m。

由于普朗礦區(qū)地理環(huán)境及氣候條件具有海拔高，氣壓低、空氣密度小，冬季氣溫低，比較寒冷，經(jīng)常冰凍雪蓋等特點(diǎn)，故在通風(fēng)空調(diào)設(shè)計及設(shè)備選型時，必須考慮高原、高寒、高海拔氣候?qū)θ藛T生活和設(shè)備運(yùn)行的影響，并采取一定的防御措施[1-2]。

然而目前對礦井通風(fēng)作業(yè)面環(huán)境評價的方法都未能考慮到高海拔的特殊情況，適用性較差，針對高海拔的條件，本文開展基于物元可拓理論的高海拔通風(fēng)作業(yè)環(huán)境評價研究。

1 礦井微氣候環(huán)境指標(biāo)分析

1.1 國家標(biāo)準(zhǔn)

在我國的《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》、《金屬非金屬地下礦山通風(fēng)技術(shù)規(guī)范》等有關(guān)規(guī)程規(guī)范中，對礦井通風(fēng)微氣候環(huán)境相關(guān)指標(biāo)做出了詳細(xì)的規(guī)定，包括通風(fēng)系統(tǒng)、溫度、風(fēng)速、風(fēng)量，以及風(fēng)流質(zhì)量和通風(fēng)效果均作出了明確的要求。采掘作業(yè)地點(diǎn)的氣象條件應(yīng)符合表1的規(guī)定，否則，應(yīng)采取降溫、保溫等防護(hù)措施[3-4]。

表1 采掘作業(yè)地點(diǎn)氣象條件規(guī)定

采礦作業(yè)環(huán)境中，有毒有害氣體及粉塵是影響作業(yè)人員健康的重要因素，為保障工人身體健康及良好的工作狀態(tài)，通風(fēng)系統(tǒng)工作面通風(fēng)應(yīng)符合以下要求：

(1)井下采掘工作面進(jìn)風(fēng)流中的空氣成分(按體積計算)，氧氣應(yīng)不低于20%，二氧化碳應(yīng)不高于0.5%。

(2)入風(fēng)井巷和采掘工作面的風(fēng)源含塵量，應(yīng)不超過0.5 mg/m3。

(3)井下作業(yè)地點(diǎn)的空氣中，一氧化碳不高于0.002 4%，氮氧化物不高于0.000 25%，二氧化硫不高于0.000 5%，硫化氫不高于0.000 66%，氡氣濃度不高于3.7 KBq/m3，氡子體潛能不高于6.4 μJ/m3。

1.2 高海拔特殊作業(yè)影響因素分析

由于海拔的升高，礦井作業(yè)面的環(huán)境會出現(xiàn)三大特點(diǎn)，分別是低含氧量、低氣壓和低氣溫，而大氣壓隨海拔升高而降低是造成缺氧并引起高原反應(yīng)癥狀的原因，嚴(yán)重低氧可危及人的生命；眾多研究表明，高海拔地區(qū)風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的0.6倍，礦井通風(fēng)具有風(fēng)阻減小、風(fēng)量相等等特征。因此，高海拔礦井通風(fēng)作業(yè)環(huán)境指標(biāo)與傳統(tǒng)礦井通風(fēng)要求相比，所涉及的影響因素更多，需要進(jìn)行單獨(dú)分析研究[5-8]。

根據(jù)職業(yè)病防治標(biāo)準(zhǔn)、工作場所衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)等相關(guān)的安全健康標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮高原地下非煤礦山的特點(diǎn)，從高原病的影響因素、工作場所的物化因素以及工作人員的工作特征三方面出發(fā)，選取等效氧氣濃度A、熱舒適有效溫度B、空氣質(zhì)量指數(shù)C、勞動強(qiáng)度D作為評價指標(biāo)。

(1)等效氧氣濃度A

在高海拔帶來的各種不利因素中，對人體最直接的影響就是缺氧。人體缺氧，會對人體產(chǎn)生一系列不良作用：長期慢性缺氧還會引起神經(jīng)體液及內(nèi)分泌功能紊亂，局部胃粘膜缺血性改變等；極嚴(yán)重的缺氧，可使人體呼吸減弱，甚至停滯。高原對人的身心健康、勞動能力影響非常明顯，與平原相比，人的勞動能力在海拔3 000 m處下降29.2%，在海拔4 000 m處下降39.7%。

環(huán)境性缺氧以進(jìn)入呼吸道氣體中的氧分壓，即氣管氣氧分壓或肺泡氣氧分壓為衡量指標(biāo)，如表2所示。根據(jù)人的生理特點(diǎn)和國內(nèi)高海拔礦山調(diào)研，把等效氧氣濃度分為四個級別，如表3所示。

表2 不同海拔等氧氣分壓與含氧濃度表

表3 等效氧氣濃度分級表

(2)熱舒適有效溫度B

在高原環(huán)境下，低氣壓也是影響著人體熱舒適的重要因素。在低氣壓條件下，氣壓對熱舒適的影響僅次于溫度，而大于風(fēng)速，這說明在高原地區(qū)，人的熱感受跟平原有一定的差別。本次研究采用有效溫度來表示熱舒適程度，有效溫度是將溫度、濕度及風(fēng)速對人體的熱感覺效應(yīng)綜合成一個單一空氣溫度表示的熱感覺指標(biāo)。根據(jù)有效溫度與人體生理及工效的關(guān)系，將其分為四級，如表4所示。

表4 有效溫度分級表

(3)空氣質(zhì)量指數(shù)C

井下環(huán)境空氣質(zhì)量受多種因素影響，主要包括鑿巖、爆破、井下機(jī)車燃油等產(chǎn)生的有毒有害氣體及粉塵。有毒氣體存在多種，如CO、NOx、SO2等，這些氣體間還會發(fā)生聯(lián)合作用。當(dāng)對高原與平原的環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行比較時，必須考慮缺氧對毒性的加成作用。經(jīng)過研究表明，人體對CO2的分壓而不是濃度敏感，其在高原地區(qū)的分壓有所降低，故當(dāng)CO2濃度在2%以下時，其對換氣的影響可以忽略。對于有毒有害氣體的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)如表5所示。

表5 有毒氣體的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)

同時，高原地區(qū)塵肺明顯高于平原地區(qū)；在高原缺氧、干燥的氣候下，工人患塵肺的幾率可能增大；肺通氣量隨著海拔增高而增大，缺氧環(huán)境由于通氣量增大導(dǎo)致粉塵吸人量增多，促進(jìn)肺組織彌漫性纖維化加重，肺功能的損傷程度比平原地區(qū)要高。粉塵濃度可以根據(jù)國標(biāo)要求進(jìn)行判定。

因此，為了便于對比分析，將有毒有害氣體和粉塵統(tǒng)一成空氣質(zhì)量指數(shù)，其空氣質(zhì)量指數(shù)分為四級，分別是少于0.5、少于1、少于1.2、少于1.5、少于5，表示為舒適、較舒適、中等、容許、較差。

(4)勞動強(qiáng)度D

對于礦井作業(yè)不同勞動強(qiáng)度的工種與生產(chǎn)效率、工人生理承受能力都密切相關(guān)，因此，勞動強(qiáng)度指數(shù)是本次作業(yè)環(huán)境指標(biāo)研究的重要指標(biāo)。

國家勞動強(qiáng)度分級標(biāo)準(zhǔn)如表6所示。體力勞動強(qiáng)度級別劃分是基于體力勞動強(qiáng)度指數(shù)進(jìn)行的，勞動強(qiáng)度指數(shù)計算公式如公式(1)所示。

表6 國家勞動強(qiáng)度分級標(biāo)準(zhǔn)

I=10TMWS

(1)

式中I—勞動強(qiáng)度指數(shù)；

10—計算系數(shù)；

T—勞動時間率，%；

M—8 h工作日平均能量代謝率，kJ/(min×m2)；

W—體力勞動方式系數(shù)(搬：1；扛：0.4；推/拉：0.05)；

S—性別系數(shù)(男性：1；女性：1.3)。

對公式(1)進(jìn)行分析可知，高海拔條件與平原的主要區(qū)別為平均能量代謝率。平均能量代謝率隨著海拔的增高而增加，增長系數(shù)如表7所示。

表7 能量代謝率變化系數(shù)

1.3 高海拔特殊作業(yè)指標(biāo)表

經(jīng)過1.2的分析，本研究中高海拔作業(yè)舒適性評價指標(biāo)由等效含氧濃度A、熱舒適有效溫度B、空氣質(zhì)量指數(shù)C、勞動強(qiáng)度D等四種因素組成，各因素可分成舒適(等級Ⅰ)、較舒適(等級Ⅱ)、中等(等級Ⅲ)、容許(等級Ⅳ)和較差(等級Ⅴ)五個等級，綜合評價指標(biāo)表如表8所示。

表8 高海拔礦井通風(fēng)舒適性評價指標(biāo)表

為了便于比較分析，等效含氧濃度A最大值按醫(yī)用低濃度吸氧濃度40%，因此，其取值范圍[0，40]；熱舒適有效溫度B的取值是根據(jù)已有礦山涉及到的最低溫度和最高溫度，其取值范圍[-20，50]；空氣質(zhì)量指數(shù)C主要根據(jù)污染的特征值，其取值范圍[0，5]；勞動強(qiáng)度D根據(jù)特征值，其取值范圍[0，50]。對于存在特異值可能的話，可以根據(jù)實際情況單獨(dú)處理。

2 物元可拓分析理論

以N表示某一事物名稱，C表示其某一特征，其相應(yīng)的度量值記為V，通常可以用有序的三元數(shù)組

R=(N，C，V)作為描述事物的基本元，簡稱物元。并稱事物的名稱N、事物的特征C和特征度量值V為物元的三要素，若事物N有n個特征，此時，稱R為n維物元，簡稱為R=(N，C，V)[9-10]。

(1)待評物元

待評事物N有個特征c1，c2，…，cn，其對應(yīng)的量值分別為v1，v2，…，vn，記矩陣R為：

(2)

矩陣R為待評事物N的待評矩陣。

(2)經(jīng)典域

做為評價事物的標(biāo)準(zhǔn)事物記為Nj，其特征Ci的量域Vji=[aji，bji]，稱Ci為經(jīng)典域，經(jīng)典域物元矩陣記為Rj，Rj的表達(dá)式為：

(3)

(3)節(jié)域

記待評物元特征量值的全體為P，P關(guān)于特征ci的量域Vpi=[api，bpi]，稱Vpi為待評物元關(guān)于特征ci的節(jié)域，記節(jié)域物元矩陣為Rp，Rp的表達(dá)式為：

(4)

(4)關(guān)聯(lián)度與關(guān)聯(lián)函數(shù)

關(guān)聯(lián)度表示了待評物元與經(jīng)典域的貼近程度，可以在實數(shù)范圍內(nèi)用函數(shù)來表示關(guān)聯(lián)度，稱為關(guān)聯(lián)函數(shù)。待評物元N第i個評價指標(biāo)vi與第j評價等級的關(guān)聯(lián)函數(shù)計算公式為：

Kj(vi)=ρ(vi，Vji)/[ρ(vi，Vpi)-ρ(vi，Vji)]

(5)

式中：

(6)

(7)

當(dāng)Kj(vi)>0時，表示vi屬于Vjk，Kj(vi)越大，說明vi具有Vjk的屬性越多，當(dāng)Kj(vi)≤0時，表示vi不屬于Vjk，Kj(vi)越小，說明vi離區(qū)間Vjk越遠(yuǎn)。

依據(jù)關(guān)聯(lián)函數(shù)，可計算待評物元與第j級別的關(guān)聯(lián)度，計算公式為：

(8)

3 高海拔通風(fēng)作業(yè)環(huán)境物元評價分析

經(jīng)過普朗銅礦現(xiàn)場3 720 m、3 736 m和3 600 m等多個作業(yè)點(diǎn)測試，選取部分測試點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并進(jìn)行指標(biāo)歸類。其中含氧濃度直接測定；熱舒適有效溫度主要根據(jù)人員體感和熱感判斷，結(jié)合表4高寒礦井取下值得出；空氣質(zhì)量指數(shù)是根據(jù)監(jiān)測有毒有害氣體和粉塵量，結(jié)合表5的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)得出；勞動強(qiáng)度是根據(jù)工種對應(yīng)指標(biāo)得出。需要說明的是，鑒于研究深入程度，部分指標(biāo)數(shù)據(jù)未做完全量化計算處理，其監(jiān)測數(shù)據(jù)如表9所示。

表9 現(xiàn)場監(jiān)測測試數(shù)據(jù)表

根據(jù)上述分析，對各因素進(jìn)行排序，建立高海拔作業(yè)物元評價模型，如表10所示。

表10 物元評價模型

經(jīng)過關(guān)聯(lián)度計算，得出結(jié)果如表11所示。

表11 各測點(diǎn)不同等級的關(guān)聯(lián)度

通過關(guān)聯(lián)度排序分析，測點(diǎn)1為等級Ⅲ，評價等級為中等；測點(diǎn)2為等級Ⅲ，評價等級為中等；測點(diǎn)3為等級Ⅳ，評價等級為容許；測點(diǎn)4為等級Ⅱ，評價等級為較好。可以看出，各測點(diǎn)評價等級與實際變化趨勢還是相吻合。

4 結(jié)語

本文通過對高海拔高寒礦井通風(fēng)作業(yè)環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行等級評價，確定出主要評價指標(biāo)，并且采用物元可拓模型進(jìn)行評價，可以得出以下結(jié)論：

(1)高海拔礦井作業(yè)環(huán)境指標(biāo)除了常規(guī)的海拔因素、溫度和作業(yè)環(huán)境指標(biāo)外，還需考慮等效溫度和勞動強(qiáng)度的影響，以此作為評價指標(biāo)是合理的。

(2)物元可拓模型對于高海拔作業(yè)點(diǎn)測試數(shù)據(jù)的評價能夠取得較好的效果，與實際是吻合的，具有很好的推廣性。

(3)下一步可以進(jìn)一步分析各評價因素的權(quán)重對于評價模型的影響。