Определение запыленности рабочего места оператора дробильно-щебеночного завода в целях специальной оценки условий труда

Введение

По данным¹ Роструда добывающая промышленность остается наиболее травмоопасной сферой экономической деятельности [1, 2]. Связано это прежде всего с особенностями производственных процессов, сложными климатическими и географическими условиями. Объем производства щебня в 2023 г. превысил 221 млн т, что на 24,5% больше, чем в 2017 г. (рис. 1). Щебень является одним из основных материалов, используемых в строительстве и производстве строительных материалов. Снижения темпов добычи и производства в ближайшие годы не предвидится в связи с реализацией различных крупных федеральных проектов, а значит отрасли необходимо увеличивать мощности и количество рабочих мест [3, 4].

Рис. 1. Динамика производства щебня в России за 2017–2023 гг.

Производство щебня связано с рядом профессиональных рисков и опасностей для здоровья работников [4, 5]. На щебеночных заводах работают люди разных профессий, и каждая из них имеет свои особенности и риски для здоровья. Например, водители самосвалов и погрузчиков подвергаются воздействию шума и вибрации, что может привести к снижению слуха и развитию вибрационной болезни. Однако наиболее опасным фактором при производстве щебня является пыль, которая на 60 % и более состоит из диоксида кремния (SiO₂). Операторы дробилок и грохотов работают в условиях повышенной запыленности, что может вызывать развитие силикоза и других заболеваний легких [6, 7].

Исследования в этой области в основном направлены на изучение влияния кремнеземной пыли на здоровье человека и замеров запыленности воздуха в целом по заводу или карьеру в различной отдаленности от источников загрязнения для моделирования и разработки методов снижения пыли. Так, Кузнецов В. С. и Суламанидзе Л. Ф. отмечают, что при работе щебеночного завода концентрация пыли на границе санитарно-защитной зоны превышает предельно допустимую концентрацию (ПДК) в 5–10 раз [8]. Дзифа Фрэнсис Ахадзи исследовал влияние кремнеземной пыли на состояние работников каменных карьеров и симптомы их заболеваний. Автор рекомендует использовать средства индивидуальной защиты (СИЗ) зрения и дыхания [9]. Фредерик Анлима в своих исследованиях отмечает увеличение случаев силикоза в ряде стран и ставит под сомнение методы борьбы с пылью и их эффективность в предотвращении воздействия вдыхаемого кристаллического кремнезема [10]. Чжичао Лю на основе результатов моделирования предложил оптимальный метод снижения пыли, подходящий для дробильной станции, и смоделировал закон диффузии пыли при этом методе [11].

С 2014 г. в России введена специальная оценка условий труда (СОУТ), которая регламентируется федеральным законодательством² и направлена на выявление и оценку вредных и опасных производственных факторов на отдельных рабочих местах, а также на разработку мероприятий по улучшению условий труда и профилактику профессиональных заболеваний.

Целью работы является определение запыленности рабочего места оператора дробильно-щебеночного завода в рамках специальной оценки условий труда.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• провести испытания и определить среднесменную концентрацию пыли в рабочей зоне оператора;
• выявить факторы, влияющие на запыленность рабочего места оператора;
• по аппроксимированным данным спрогнозировать концентрацию пыли на рабочем месте при различных скоростях ветра;
• оценить адекватность и точность полученных результатов;
• установить класс (подкласс) условий труда оператора;
• разработать рекомендации по снижению запылённости рабочего места оператора и улучшению условий труда.

Новизна работы заключается в комплексном подходе оценки запылённости рабочего места оператора дробильно-щебёночного завода с учётом специфики отрасли и воздействия скорости ветра на уровень запылённости.

Научное значение работы заключается в аппроксимации полученных данных для прогнозирования запыленности рабочего места оператора в зависимости от скорости ветра на производственной площадке.

Практическая ценность работы заключается в прогнозировании концентрации пыли в воздухе рабочего места оператора от скорости ветра на производственной площадке, а также в разработке рекомендаций по снижению запылённости на дробильно-сортировочном заводе.

¹ Результаты мониторинга условий и охраны труда в Российской Федерации в 2022 г. Министерство труда и социальной защиты Российской Федерации. М., 2022.

² Федеральный закон от 28.12.2013 № 426-ФЗ «О специальной оценке условий труда».

Методы исследований

Для измерения концентрации пыли в воздухе рабочего места оператора дробильно-сортировочного завода использовался аспирационный метод, основанный на просасывании определенного объема воздуха через специальные фильтры с последующим измерением массы пыли и расчетом концентрации³.

Массовую концентрацию всей пыли в воздухе K_п в каждом отдельном испытании определяют по формуле:

где K_п – концентрация пыли в воздухе, мг/м³; m₀ – масса чистого фильтра, мг; m_n – масса фильтра с осевшими частицами пыли, мг; V₂₀ – объем воздуха, приведенный к стандартным условиям, дм³;

где V_t   – объем воздуха, прошедший через фильтр, дм³; P – атмосферное давление, кПа; T – температура воздуха на рабочем месте, ºС.

Если время отдельных измерений разное, то рассчитывают средневзвешенную концентрацию по формуле:

где t₁, t₂, …, t_n – время измерений, мин.

Среднесменная концентрация пыли на рабочем месте рассчитывается по формуле:

где K_о1, K_о2, …, K_оn – средневзвешенные концентрации пыли за технологическую операцию, мг/м³; T_о1, T_о2, …, T_оn – продолжительность технологических операций, мин; ∑Т – суммарная продолжительность рабочей смены, мин.

Для оценки распределения данных определяют медиану Me и стандартное геометрическое отклонение σ_g:

Me = e^{ln Me},                      (5)

где

Окончательный результат записывают в виде:

где K – среднее арифметическое значение результатов измерений n, мг/м³; δ – границы относительной погрешности, %.

Для оценки точности и адекватности расчетов возможно также использовать вероятностный метод обработки данных. Для этого рассчитывают стандартное геометрическое отклонение по формуле:

где K₈₄ и K₁₆ – значения концентраций, соответствующие 84 % и 16 % вероятности накопления частот, мг/м³.

Среднесменную концентрацию пыли при этом определяют по формуле:

где

            ln K_сс = ln Me + 0,5(ln σ_g)².              (11)

³ Методика измерений массовой концентрации пыли гравиметрическим методом для целей специальной оценки условий труда. МИ АПФД–18.01.2018; МУК 4.1.2468–09 Измерение массовых концентраций пыли в воздухе рабочей зоны предприятий горнорудной и нерудной промышленности.

Результаты исследований

Измерения запыленности производились в рамках процедуры специальной оценки условий труда [12, 13] на дробильно-щебеночном заводе, находящемся в Подмосковье. Рабочее место оператора находится в отдельно стоящем помещении контейнерного типа на высоте трех метров от уровня земли. Помещение оборудовано климатическим оборудованием для кондиционирования воздуха.

Пылеобразование на дробильно-сортировочном заводе происходит на всем производственном цикле (рис. 2). Основными факторами генерации пыли на производственной площадке являются:

• движение грузового автотранспорта;
• загрузка сырья в приемочный бункер;
• работа дробильного агрегата;
• работа вибрационного грохота;
• поступление щебня в навалы.

Наиболее интенсивное пылеобразование на исследуемом объекте происходит при поступлении отсортированного щебня в навалы. При свободном падении с ленточного конвейера более легкие частицы пыли отрываются от поверхности щебня за счет сопротивления воздуха. Чем с большей высоты падает щебень, тем больше кинетической энергии он приобретает. Эта энергия передаётся частицам пыли, вызывая их движение и столкновение друг с другом. В результате увеличивается число столкновений и разрушений частиц пыли, что приводит к образованию большего объема пыли. Еще одним фактором, определяющим высокое пылеобразование на производственной площадке, является ветер, который усиливает не только движение пыли, но и поднимает с поверхности навалов и технологического оборудования осевшие частицы, тем самым увеличивая концентрацию пыли в воздухе. Поэтому в данной работе в дополнение к стандартной методике проводили измерение скорости ветра и анализ его влияния на запыленность рабочего места оператора.

Рис. 2. Схема дробильно-щебеночного завода с иллюстрацией основных источников пылеобразования

В качестве математической модели, описывающей пылевые выбросы, можно использовать систему уравнений, включающих [14]:

• уравнение Навье–Стокса

• уравнение неразрывности:

• уравнение Менделеева–Клайперона:

• уравнение теплопроводности:

• уравнение изменения концентрации пыли:

где x, y, z – декартовы координаты; τ – время; V – скорость движения воздуха; P – давление воздуха; ρ – плотность материала; Т – температура воздуха; M – молярный объем; R – универсальная газовая постоянная (8,31 Дж/моль·K); η – динамическая вязкость; g – ускорение свободного падения; λ(T) – коэффициент теплопроводности материала; С(T) – удельная теплоемкость материала; С – концентрация пылевых выбросов; V_c – скорость оседания пылевых выбросов (0,04 м/с); F_c – мощность источника пыли [14].

Во время испытаний производственный процесс был разделен условно на четыре этапа по два часа, равномерно распределенных в течение смены. Время проведения измерения для каждой отдельной пробы – 25 мин. Общее время измерений составляет 400 мин, что соответствует 83 % рабочей смены. Отбор проб производился фильтрами АФА (аналитические аэрозольные фильтры) с помощью аспиратора типа ПУ. В процессе испытаний ветер дул в направлении помещения, в котором располагается рабочее место оператора. В табл. 1 представлены результаты измерений и последующая их обработка согласно стандартной расчетной методике.

Таблица 1

Результаты отбора проб воздуха для определения среднесменных концентраций расчетным методом

Полученные результаты свидетельствуют о стабильной концентрации пыли в воздухе рабочей зоны, т.к. стандартное геометрическое отклонение σ_g < 3. Однако, стоит отметить, что средние концентрации этапов различаются в 3–4 раза, что связано с интенсивностью и направлением ветра на производственной площадке. Усиление ветра до 5 м/с наблюдалось с 10:00 до 13:30, что соответствует максимальным значениям концентрации пыли на рабочем месте (рис. 3).

Рис. 3. Изменение концентрации пыли на рабочем месте на различных этапах испытания

По полученным данным, приведенным на рис. 4, можно спрогнозировать концентрации пыли K_пр на рабочем месте в зависимости от скорости ветра V на производственной площадке с величиной достоверности аппроксимации R² = 0,95:

            K_пр = 0,2185V³ – 1,1571V² + 3,6493V + 0,4968.     (17)

Рис. 4. Зависимость концентрации пыли на рабочем месте от скорости ветра

С помощью графика, представленного на рис. 4, определим предельно допустимую скорость ветра на исследуемом объекте:

V_п.д = 2,6 м/с.

Для того чтобы определить зависимость пылеобразования от технологического оборудования, движения автотранспорта, загрузки приемочного бункера и высоты свободного падения щебня, по формуле (17) рассчитаем концентрацию пыли при V = 0 м/с:

K_пр.0 = 0,5 мг/м³.

Для оценки достоверности измерений использован вероятностный метод обработки полученных результатов [15, 16]. Данный метод позволяет получить полное представление о всех концентрациях пыли в воздухе рабочей зоны с помощью логарифмической вероятностной сетки. Чтобы исследовать соответствие данных нормальному распределению, применили метод гистограммы частот, который является одним из способов графического представления распределения данных (рис. 5).

Рис. 5. График нормального распределения при n = 16

Полученная гистограмма имеет колоколообразную форму и напоминает график нормальной кривой, что позволяет предположить, что данные следуют нормальному закону [17]. Данные для вероятностной обработки приведены в табл. 2, в которой значения отдельных измерений концентраций ранжировали в порядке возрастания с определением накопленных частот.

Таблица 2

Расчет среднесменной концентрации пыли в воздухе рабочей зоны вероятностным методом

На вероятностную сетку (рис. 6) нанесены результаты концентраций, соответствующие накопительные частоты и построена через точки интегральная прямая, по которой определены: медиана Ме = 6 и значения концентраций для 84 и 16 % (K₈₄ = 12,1 мг/м³; K₁₆ = 3,2 мг/м³).

Рис. 6. Вероятностная координационная сетка

Для проверки предположения соответствия модели нормальному закону распределения рассчитаем критерий Шапиро–Уилка:

где n – количество наблюдений; x_i – значения упорядоченной выборки; a_i – табличные коэффициенты, зависящие от количества испытаний.

В табл. 3 приведены промежуточные расчеты критерия Шапиро–Уилка.

Таблица 3

Результаты промежуточных расчетов критерия Шапиро–Уилка

Рассчитанный критерий W больше табличного значения W_t = 0,887 (уровень значимости α = 0,05), что с вероятностью 0,95 подтверждает соответствие модели распределения нормальному закону.

Полученная среднесменная концентрация пыли при вероятностном методе составила 7,6 мг/м³. Отклонение в 0,1 мг/м³ доказывает точность и адекватность проведенных испытаний, т.к. доверительный интервал согласно выражению (8) равен ± 1,85 мг/м³. За результат принимаем расчетное значение:

K_сс = 7,7 ± 1,85 мг/м³.

Сводные результаты по определению класса (подкласса) условий труда представлены в табл. 4. Пыль от производства щебня относится к аэрозолям преимущественно фиброгенного действия, что соответствует 3-му классу опасности. Полученный результат выше предельно допустимой концентрации (ПДК) в 1,28 раза, что относится к классу 3.1 (подклассу) условий труда и требует установления дополнительных выплат за вредность.

Таблица 4

Результаты оценки условий труда рабочего места

Источники: * ГН 2.2.5.3532-18 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны»;  ** ГОСТ Р 54578-2011 «Воздух рабочей зоны. Аэрозоли преимущественно фиброгенного действия. Общие принципы гигиенического контроля и оценки воздействия».

Заключение

Полученные результаты определения запыленности рабочего места оператора дробильно-сортировочного завода свидетельствуют о превышении ПДК в 1,28 раз, что относится к классу 3.1 (подклассу) условий труда. Среднесуточная концентрация пыли в воздухе рабочего места оператора равна 7,7 мг/м³, однако, стоит отметить, что средние концентрации этапов различаются в 3–4 раза, что связано с интенсивностью и направлением ветра на производственной площадке.

По полученным данным спрогнозированы концентрации пыли K_пр на рабочем месте в зависимости от скорости ветра V на производственной площадке с величиной достоверности аппроксимации R² = 0,95. Установлено, что максимально допустимая скорость ветра на производственной площадке не должна быть выше 2,6 м/с.

При превышении ПДК пыли в воздухе рабочих мест согласно законодательству¹ работодатель должен приостановить производство и принять меры для снижения содержания пыли в воздухе до минимально возможного уровня.

Для снижения запыленности рабочего места оператора необходимы комплексные мероприятия по сокращению пылеобразования на дробильно-сортировочном заводе, включающие [18–22]:

• мойку колес автомобильного транспорта при въезде на производственную площадку и выезде из неё;
• установку стационарных или мобильных систем подавления пыли с помощью распыления воды форсунками низкого и среднего давления, создающими туман.
• замену открытого ленточного конвейера на закрытый.

Кроме того, рекомендуется замена фильтров климатического оборудования на угольные, способствующие более качественному очищению воздуха.

С помощью аппроксимированных данных спрогнозировано, что при отсутствии ветра на производственной площадке концентрация пыли в воздухе рабочего места оператора сохранится на уровне 0,5 мг/м³. Вдыхание кристаллического диоксида кремния может привести к образованию узелков соединительной ткани в лёгких и рубцеванию области вокруг частиц. Естественные защитные клетки организма не могут удалить токсичную пыль, что приводит к постоянному воспалению и возможному повреждению клеток лёгких. У некоторых людей при контакте с пылью возможны проявления аллергии в виде кожных высыпаний и/или зуда. Для предотвращения развития профессиональных заболеваний операторам рекомендуется использовать средства индивидуальной защиты органов дыхания, кожи и глаз на протяжении всей смены.

Представленные результаты могут быть использованы для прогнозирования концентрации пыли на рабочих местах операторов других щебеночных заводов с учетом полученных индивидуальных эмпирических данных.

¹ «Трудовой кодекс Российской Федерации» от 30.12.2001 N 197-ФЗ