煤炭是我国的主要能源，约占全国一次能源生产和消费的60%。露天矿选煤厂是提高煤炭质量的重要手段，是煤炭工业生产的重要环节[1]。然而，破碎筛分、转载运输作为选煤厂的核心工艺，将产生大量的细微悬浮粉尘。一方面将增加原煤的实际消耗量，加大生产设备的磨损，影响末煤的产品质量；另一方面，选煤厂产生的呼吸性煤粉颗粒，将严重危害矿工的身心健康，增加了人体患尘肺病的风险。因此，建立科学、合理、可行的选煤厂职业危害评估方法，对露天矿煤尘危害的分级管理与职业危害防治工作具有重要意义[2-3]。

目前，国内外学者针对煤矿职业危害的辨识、分析以及分级管控开展了大量的研究。CHEN等[4]基于矿井巷道矿工实际粉尘暴露浓度，建立了健康风险评估体系，并对健康风险进行了量化评估。MENSAH等[5]收集了加纳西部矿业公司的煤工数据，建立了职业可吸入矿尘的危害评估模型。田冬梅等[6]从“人—物—环—管”4个维度分析了粉尘危害程度的影响因素，并建立了多层级粉尘作业场所风险评价模型。何国家等[7]给出了无防护、差异性防护以及严格防护3种情形下的煤矿粉尘危害风险规模评价模型。吴宾等[8]通过现场调研和文献报道的方法建立了基于职业危害风险指数法的煤矿粉尘职业健康风险评估模型。李艳强等[9]从粉尘分散度、SiO2质量分数、粉尘爆炸性、粉尘超标程度、工人接尘时间、能见度影响程度等角度建立了矿井粉尘危害综合评价指标体系。王东华[10]改进了国际采矿与金属委员会职业健康风险评估模型(ICMM),并对煤矿的典型产尘岗位进行了煤矿粉尘危害程度评价与验证。张忠彬[11]对我国职业危害分类与分级监管法规标准与研究现状进行了分析，并构建了作业场所职业危害风险综合评估模型。

然而，露天矿选煤厂尘源位置多、皮带廊运营多为半封闭的，粉尘作业场所的职业危害因素具有动态、模糊、多属性的特点，且各因素间的逻辑关系属于非线性且灰色性，而灰色模糊评价模型能够很好地解决粉尘职业危害评估中模糊性与灰色性的问题，合作博弈技术能够有效克服评估过程中的主观性难题。鉴于此，本文结合新疆准东某露天矿的现场实际，分析选煤厂的典型尘源及产尘机制，研究粉尘作业场所职业危害的影响因素，构建选煤厂粉尘危害评价灰色模糊评价模型，采用合作博弈赋权技术确定各因素权重，最终确定该选煤厂粉尘职业危害等级，并与实际评价报告进行对比，以验证该评估模型的可行性。

1、合作博弈权重赋权方法与原理

1.1 改进AHP确定主观权重

改进层次分析法(AHP)可将与决策相关的元素分解成为目标、准则、方案等层次，能够将专家决策过程中定性和定量的因素有机结合，并根据粉尘职业危害因素的动态变化趋势实时调整各指标的赋权，具有适用性强和实时性高的优点[12-13]。

首先，通过专家现场调研与群体决策，采用3标度法对粉尘职业危害影响因素的重要性进行两两判别，并构造比较矩阵G。

其中，

式中：Gkj为第k个指标相对第j个指标的评分；sk为重要性排序指数。

其次，根据比较矩阵G构造判断矩阵H:

式中，Hkj为判断矩阵第k个指标相对第j个指标的判断值。

然后，计算判断矩阵H的拟优一致矩阵H′:

式中，H′kj为判断矩阵第k个指标相对第j个指标的拟优值。

最后，求解拟优一致矩阵H′的特征向量wk,即可计算得到底层指标关于上层指标的相对权重，并利用式(7)求解权重向量的值。

1.2 熵权法确定客观权重

本文采用熵权法计算指标的客观权重，通过计算指标的信息熵来量化指标相对变化程度对系统的影响[14-15]。

首先，确定第u个专家关于第i个评价指标的粉尘职业危害等级r′iu,并利用式(8)对正(逆)向指标进行归一化处理，则有riu:

其次，由式(9)得第i个指标中第u个专家的比例fiu:

然后，由式(10)得第i个指标的熵值Qi:

式中，当fiu=0,令fiulnfiu=0。

最后，由式(11)可计算得到第i个指标的熵权vi。

1.3 基于合作博弈确定组合权重

合作博弈模型是权重集结模型中常用的方法，其实质是将多种权重赋值方法进行交叉组合，通过极小化最优权重与基本权重之间的偏差得到一致或妥协的最满意权重[16-17]。

1.3.1 各级权重向量计算

选用M种赋权方法得到各级权重向量Wh(h=1,2,…,M):

Wh=[wh1,wh1,…,whn]T(12)

同时引入线性组合系数αh:

αh=(α1,α2,…,αM) (13)

以二级评估指标为例，M种权重向量线性组合为：

1.3.2 组合权重优化

为使Wh与Wij的距离差值达最小值，利用式(15)对系数αh进行优化：

由矩阵的微分性质，可推导出式(15)的最优化一阶导数条件为：

1.3.3 归一化处理

计算得此方程组线性组合系数αh,并进行归一化处理，则有α*h:

组合权重W*ij的计算公式如下：

2、选煤厂粉尘职业危害评估指标体系构建

2.1 选煤厂的产尘机理与危害分析

由采场破碎机破碎的原煤经过明槽皮带廊进入选煤厂系统，而后经过转载、运输、二次破碎、筛分最后传输至煤仓，受到剪切气流压缩作用、诱导空气尘化作用、机械设备的振动破碎作用等，在半密闭的选煤厂空间内将产生大量的煤尘。若不对落在地表或设备的积尘进行清扫，二次扬尘造成的污染将更为严重。准东露天矿某选煤厂粉尘管理现状如图1所示。

图1 准东露天矿某选煤厂粉尘管理现状

皮带机头转载点落煤造成的扬尘与回尘、破碎机破碎与筛分机振动产生的粉尘，是选煤厂的主要尘源位置。粉尘对选煤厂的主要危害[18-19]:(1)长时间悬浮于空气中的细微粉尘颗粒将对矿工的巡检、维修以及检修作业造成威胁，致使作业人员患角膜炎、皮肤病、尘肺病等疾病；(2)与采场相比，选煤厂的粉尘颗粒粒径偏小，容易在皮带机表面、电缆地沟以及栈桥等位置积聚，增加了发生火灾的风险；(3)煤体可发生自燃，其以煤粉的状态存在时，增大了与空气的接触面积，尤其对于新疆准东高温、干燥、缺水的气候条件，煤粉的氧化速率将会增加，若不采取有效的防尘措施，达到一定程度会自燃；(4)筛分车间、皮带廊、栈桥内的浮尘达到一定浓度后，在外界高温和压力的持续作用下，将有可能引发煤尘爆炸。

2.2 粉尘职业危害综合评估指标体系构建

构建科学、合理、客观的粉尘职业危害指标体系是对选煤厂粉尘职业危害影响因素进行综合评估的基础。以《煤矿安全规程》(2022年修订版)、《中华人民共和国职业病防治法》(2018年修订)、《煤矿井下粉尘综合防治技术规范》(AQ 1020—2006)、《煤矿作业场所职业危害防治规定(试行)》、《建设项目职业病危害风险分类管理目录》(2012年版)、《煤炭洗选工程设计规范》(GB 50359—2016)、《选煤厂安全规程》(AQ 1010—2005)等相关法律法规及行业标准，现场调研了新疆准东、五彩湾、红沙泉等10余个选煤厂的实际建设和生产情况，并对国内外的相关文献研究成果进行借鉴与分析总结，依据指标体系构建的科学性、目的性、全面性、层次性、可行性等设计原则，从选煤厂职防管理、选煤厂矿工状况、选煤厂环境状况、选煤厂职防措施等4个方面构建选煤厂职业危害评价指标体系，如图2所示，该体系包括4个二级指标与25个三级指标。

图2 选煤厂粉尘职业危害评价指标体系

3、选煤厂粉尘职业危害评估方法

灰色模糊综合评价模型耦合灰色聚类分析与模糊综合评判理论，可将选煤厂粉尘职业危害中定性的指标转化为定量化的数值，克服了粉尘职业危害评估因素的模糊性问题，并结合合作博弈赋权技术，构建选煤厂粉尘职业危害评估方法，其评估流程如图3所示。

图3 选煤厂粉尘职业危害评估流程

3.1 建立评价因素集和评价集

选煤厂粉尘职业危害评价因素集是由影响评价对象的各个因素所组成的集合。将粉尘职业危害等级水平作为评价对象，则依据图2的选煤厂职业危害评价指标体系，可分为因素指标层Ui(i=1,2,3,4),要素指标层uij(j=1,2,…,n)。

评价集是对被评事物变化区间的划分，根据相关的文献与标准，将选煤厂粉尘职业危害评价等级确定为四级危害(轻度危害程度)、三级危害(一般危害程度)、二级危害(重度危害程度)、一级危害(极重危害程度),从而组成粉尘职业危害评价级别(Ⅰ～Ⅳ),相应的分值应该根据隶属度函数来确定。

V=(VⅠ,VⅡ,VⅢ,VⅣ) (19)

3.2 粉尘职业危害评估样本矩阵的建立

构造评估样本并向w位专家进行问卷调查，对选煤厂职业危害评价指标的评分等级打分d

根据每位专家的打分情况，得到该选煤厂职业危害评价指标评价，每一列是一位专家对各二级指标的评价，即：

3.3 粉尘职业危害评估灰色类别的确定

考虑到选煤厂粉尘职业危害评估对象C具有属性集X={x1,x2,…,xn},xn(n=1,2,…,w)为正整数，X也是评估对象C的评价指标集。将语言灰色组定义为U={u1,u2,…,um},并且定义λnm为灰度聚类对应的第n个索引的白化函数的阈值um。由于粉尘职业危害评估指标体系往往具有定性、多层次的特点，为便于实际应用，所有指标均采用相同的评分体系。使用白化功能的指数计算，设置m=4,因此语言灰色组定义为V={v1=“轻度危害程度”,v2=“一般危害程度”,v3=“重度危害程度”,v4=“极重危害程度”}。灰组的白化权函数fnm(xn)使用线性函数。对于第n个索引，如果给定的阈值为λn1,λn2,λn3,λn4,则白化权函数可以根据下式进行计算[20]:

第λn1级，属于轻度危害程度，赋值为1,灰数⨂∈[0,1,2],白化权函数为：

第λn2级，属于一般危害程度，赋值为2,灰数⨂∈[0,2,4],白化权函数为：

第λn3级，属于重度危害程度，赋值为3,灰数⨂∈[0,3,6],白化权函数为：

第λn4级，属于极重危害程度，赋值为4,灰数⨂∈[0,4,8],白化权函数为：

3.4 粉尘职业危害灰色统计计算

根据灰色统计分析理论，粉尘职业危害三级评价指标uij的灰色统计数n

可由式(25)计算。

于是利用式(26)可以计算得到属于每个灰色组(危害等级)的评价指标uij的总灰色统计数nij。

3.5 灰色评价权重和灰色模糊权矩阵计算

对于选煤厂各个粉尘职业危害评价指标uij,属于第λne个灰色组(危害等级)的合作博弈权重值记作P

同时，令每个灰色组的粉尘职业危害评价指标uij的权向量为Pij,则有：

进而可确定受评粉尘职业危害评价三级指标uij对于各灰类的灰色评价权矩阵Pi为：

3.6 各级指标灰色模糊权矩阵的计算

灰色评价权矩阵Pi确定后，利用式(30)可得到粉尘职业危害评价二级指标Ui的权重：

于是粉尘职业危害二级指标对各个灰色组(危害等级)的评价权矩阵为：

根据所计算的粉尘职业危害二级指标矢量F与评价权矩阵B相乘，可获得粉尘职业危害属于各灰色组(危害等级)的综合评价值，记为S:

S=(s1,s2,s3,s4)=F·B=(α1,α2,…,αi)(B1,B2,…,Bi)T(32)

3.7 综合评价值计算

结合式(21)与式(24),粉尘职业危害4个灰组的评价等级可转化为向量Y:

Y=(1,2,3,4)T(33)

粉尘职业危害的综合评价值W按式(34)计算：

W=S·YT(34)

最后，根据W的大小给出针对粉尘职业危害确定的评价结果。

4、实例应用

4.1 工程背景

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(明槽皮带)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，通过排料皮带、转载量皮带运输至坑下2个缓冲原煤仓，经过明槽皮带输送到002皮带，002皮带将原煤运输到101皮带，原煤通过101皮带到达筛分楼7楼，经过分叉溜槽落入6楼的201和202刮板机内，后经分布于筛分楼3楼217至222这6台破碎机进行破碎加工，后全部进入筛分2楼223刮板机，通过闸板和机头溜槽分配至301和302皮带或206皮带，根据需要进入各筒仓或进入输电厂皮带或进入廊道公司。准东露天矿选煤厂工艺流程如图4所示。

图4 准东露天矿某选煤厂工艺流程

4.2 确定指标组合权重

选煤厂粉尘职业危害评估指标权重在一定程度上影响粉尘职业危害等级评估的准确性。根据上述改进AHP法与熵权法权重的计算步骤，分别计算准东选煤厂粉尘职业危害评估指标体系的主观权重与客观权重。由式(12)至式(18)计算得到基于合作博弈的权重分配系数α1=0.642,α2=0.358,并得到各层指标的权重系数见表1。

表1 选煤厂粉尘职业危害评估指标因素权重值

选煤厂粉尘职业危害指标权重对比如图5所示。由图5可知，二级指标合作博弈综合权重排序：选煤厂矿工状况(0.342 4)>选煤厂环境状况(0.277 3)>选煤厂职防措施(0.211 4)>选煤厂职防管理(0.169)。影响选煤厂粉尘职业危害的主要因素有选煤厂粉尘浓度u34、选煤厂粉尘分散度u35、矿工劳动强度u26以及矿工防护装备使用率u27。因此准东选煤厂一方面应针对采场煤质的特性采取有效、可控的除尘措施；另一方面需要减少矿工暴露在高粉尘浓度皮带廊的滞留时间。结果表明，采用合作博弈的手段联合改进AHP法与熵权法能够发挥两种赋权方法的优势与特点，即在充分考量专家的知识、经验以及阅历的主观经验的同时，又能利用客观的数理统计的方式约束主观偏差的影响，二者相辅相成，使得指标权重更加符合现场实际。

图5 选煤厂粉尘职业危害指标权重对比

4.3 建立评价样本矩阵

领域专家的合理选取对评估结果的可信度具有重要影响，结合文献[21],从专家的职称、从事粉尘防治事业的工龄以及专业知识学历等3个角度给出了粉尘职业危害评估领域专家可信度的量化标准见表2。专家可信度γ的计算公式如下：

式中：γ为领域专家的综合可信度评价结果；γi为领域专家在某一维度(如职称、工龄、知识学历等)下的权重或评分；Sc为领域专家在粉尘职业危害评价中的具体得分。

表2 专家权威性量化标准

401皮带廊作为连接1至3号煤仓和铁路装车系统的关键环节，是煤矿工人巡检和日常检维修的核心工艺区，作业人员在该区域的滞留时间相较于其他皮带廊时间长。因此，邀请5位粉尘领域的专家对401皮带廊的职业危害进行打分(1～10分)评估，数值越大表明该指标的危害等级越大，为消除专家评估的影响，结合式(35),可得401皮带廊粉尘危害评估样本矩阵：

4.4 计算灰色评价系数

以组织及制度保障u11为例进行计算，其属于第V类评价灰类的灰色评价系数X11V。

当属于轻度危害程度时(V=v1),则有：

同理，当V=v2时，X11V2=4;当V=v3时，X11V3=2.667;当V=v4时，X11V4=2。综上所述，u11的各粉尘职业危害评价系数：X11=10.667。

利用Matlab 2014可计算另外24个粉尘职业危害指标的总灰色评价系数，于是有二级指标Ui关于各个灰色类等级的评估矩阵P,即为25×4的矩阵：

4.5 各级灰色模糊综合评估

结合式(30)和式(31)得：

进而利用式(32)与式(33),分别有：

由计算结果可知，λn2≤2.53≤λn3,表明该选煤厂皮带廊的职业危害评估等级位于一般危害与重度危害等级之间，仍需要进一步采取有效的管控措施以减少粉尘污染。调研资料显示，将上述评估等级与实际的职业危害评价报告对比分析发现，基于合作博弈赋权评估模型的评估结果与实际结果一致。通过专家的评估矩阵发现，造成职业危害等级普遍偏高的原因在于矿工接尘频次高、皮带廊内的作业人员劳动强度较大以及准东选煤厂粉尘颗粒较细等。因此，亟需采取有效的粉尘分级管控措施对该皮带廊的粉尘污染进行治理。

为实现选煤厂典型尘源有效控制与降低粉尘污染，以401皮带廊为例开展试验，如图6所示，通过联合防尘罩、挡尘帘、活化干雾技术，以及气水喷雾技术实现选煤厂皮带廊尘源的“减尘、隔尘、降尘、抑尘”高效一体化分级管理。首先，利用防尘罩与挡尘帘实现对皮带廊的隔尘作用，即在401输送机机头位置附近10～15 m布设防尘罩，防尘罩位于输送机正上方，防尘罩的长度约为10 m, 同时在距离输送机机头位置附近20～40 m区间内布设两次挡尘帘，挡尘帘间距约为10 m。其次，在皮带廊挡尘罩入口位置处布设活化干雾喷雾装置，实现对皮带廊的降尘与抑尘作用。活化干雾抑尘由于水雾的雾化程度非常高，雾粒细小且浓密，在捕捉那些大小约5 μm以下的可吸入浮尘方面具有其他抑尘设备无法比拟的优点。配合防尘罩的隔尘作用与抑尘剂的润湿作用，微米级活化干雾抑尘装置在401皮带廊输送机上的降尘效率更高。最后，在皮带廊机头位置布设气水喷雾装置，实现对皮带廊的降尘与减尘作用。在输送机的高速旋转作用下，在机头位置容易产生剪切气流，吸附在皮带表面的粉尘将被扬起，因此，为了减少机头位置粉尘的产生，在该位置布设气水喷雾装置。

图6 401皮带廊现场试验方案

5、结论

(1) 露天煤矿选煤厂粉尘职业危害的影响因素较多，综合考虑了选煤厂职防管理、选煤厂矿工状况、选煤厂环境状况以及选煤厂职防措施等4个方面共25个影响因素建立了选煤厂典型职业危害评价指标体系，并将职业危害等级划分为轻度、一般、重度、极重4个级别。

(2) 利用合作博弈理论将改进AHP法与熵权法进行耦合分析，既弥补了主观赋权的随机性，又修正了客观赋权的信息误差，确定了选煤厂粉尘职业危害的主要因素为选煤厂粉尘浓度、选煤厂粉尘分散度、矿工劳动强度以及矿工防护装备使用率等。

(3) 针对选煤厂职业危害评价过程指标因素的不确定性与模糊性，应用组合赋权方法与灰色层次分析理论，构建了选煤厂粉尘职业危害评估模型，可较好地将安全风险影响因素中定性指标以定量的方式呈现，评价结果与实际结果吻合，为粉尘职业危害管理提供了借鉴。

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基金资助:国家自然科学基金面上项目(51874016);国家能源集团新疆能源有限责任公司科技创新项目(20231862);

文章来源:邱思然,曾发镔,蒋仲安,等.基于合作博弈的选煤厂粉尘职业危害评估及分级管理研究[J].矿业研究与开发,2024,44(11):213-223.