任才清，游 波

(1.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院， 湖南 長沙 410083;2.國防科技大學(xué)指揮軍官基礎(chǔ)教育學(xué)院， 湖南長沙 410072)

安全管理數(shù)力表達(dá)方法是將數(shù)學(xué)、物理學(xué)等基本、概念、理論應(yīng)用到安全科學(xué)研究的一種基本方法［1］。工程爆破涉及爆炸力學(xué)、材料科學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和斷裂力學(xué)等力學(xué)學(xué)科知識，具備力學(xué)表達(dá)的基礎(chǔ)［2］。將安全管理數(shù)力表達(dá)方法運(yùn)用到安全事故致因機(jī)理的研究中，能夠促進(jìn)爆破安全技術(shù)由定性分析向定量研究拓展，對科學(xué)的預(yù)防和控制工程爆破安全事故具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 爆破安全事故致因機(jī)理力學(xué)表達(dá)方法

使用力學(xué)表達(dá)方法表征工程爆破安全事故致因機(jī)理，可按照下述方法進(jìn)行:

(1)對工程爆破過程進(jìn)行力學(xué)抽象。將工程爆破過程映射到力學(xué)運(yùn)動(dòng)過程，通過力學(xué)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行表達(dá)工程爆破作業(yè)過程。

(2)對工程爆破安全事故致因因素進(jìn)行力學(xué)抽象。將影響工程爆破安全的因素抽象為各種外力，加載到工程爆破各個(gè)階段，使工程爆破安全事故的發(fā)生表現(xiàn)為異常外力的作用。

(3)構(gòu)建工程爆破安全事故致因力學(xué)模型。根據(jù)工程爆破安全事故的力學(xué)運(yùn)動(dòng)特性，建立適合描述工程爆破安全事故的數(shù)學(xué)模型。

(4)將工程爆破安全因素抽象為不同的力學(xué)關(guān)系，提出適應(yīng)數(shù)學(xué)模型的事故致因因素量化數(shù)據(jù)，為致因數(shù)學(xué)模型求解提供支持。

2 爆破安全事故力學(xué)運(yùn)動(dòng)過程

爆破，是利用炸藥的爆炸能量對介質(zhì)做功，以達(dá)到預(yù)定工程目標(biāo)。根據(jù)這個(gè)定義可以認(rèn)為，工程爆破的本質(zhì)就是人們利用一定的外力作用，將蘊(yùn)含在炸藥內(nèi)的能量釋放，同時(shí)對釋放出的爆炸能量施加外力進(jìn)行約束，使這些能量按照一定的運(yùn)動(dòng)方式和軌跡作用于爆破對象，從而實(shí)現(xiàn)各種工程目的。簡言之，工程爆破作業(yè)就是控制炸藥爆炸能量運(yùn)用。工程爆破安全事故之所以會(huì)發(fā)生，是因?yàn)楦鞣N外力作用不當(dāng)，引發(fā)炸藥爆炸能量運(yùn)動(dòng)過程失控，進(jìn)而引起安全事故發(fā)生。

2.1 工程爆破過程的力學(xué)表達(dá)

假設(shè)把蘊(yùn)含爆炸能量的炸藥看做一個(gè)能量體A，工程爆破作業(yè)中能量體A的運(yùn)動(dòng)過程可以分為三個(gè)階段，分別是初始階段、能量釋放階段(炸藥外轟)、能量轉(zhuǎn)化對外做功階段。初始階段中，無外力作用于A，F(xiàn)為0，能量體A處于穩(wěn)定待發(fā)狀態(tài)。能量釋放階段，將對A施加一定的外力，記為F1，A在F1作用下轉(zhuǎn)化為A1，這一階段結(jié)束時(shí)A1從外觀上無變化。能量轉(zhuǎn)化做功階段，A1發(fā)生變化，在外界約束力F2作用下，按照預(yù)定的方式運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)變?yōu)锳2，這一階段是動(dòng)態(tài)過程，F(xiàn)2和A2相互作用不斷變化，最終A2變?yōu)?，F(xiàn)2結(jié)束?？捎脠D1示進(jìn)行表示。

圖1 工程爆破過程的力學(xué)表達(dá)示意

2.2 工程爆破安全事故的力學(xué)表達(dá)

工程爆破安全事故主要有四個(gè)類型［3］:爆破器材和起爆網(wǎng)路出現(xiàn)的安全問題、爆破設(shè)計(jì)錯(cuò)誤造成的安全問題、爆破施工作業(yè)違規(guī)引起的安全問題和爆破安全設(shè)計(jì)不當(dāng)防范措施不力出現(xiàn)的事故。從工程爆破安全事故的類型來看，發(fā)生安全事故的過程可以與工程爆破過程相對應(yīng)，分為三個(gè)階段:初始階段、能量釋放階段、能量轉(zhuǎn)化做功階段。初始階段中，能量體A應(yīng)處于穩(wěn)定待發(fā)狀態(tài)，一旦受到異常外力f1的作用，A會(huì)被提前釋放，A轉(zhuǎn)化為A＇，進(jìn)而引發(fā)安全事故的發(fā)生。初始階段正常的情況下，對A施加F1作用，A應(yīng)轉(zhuǎn)化為A1，若出現(xiàn)外力f2導(dǎo)致A的釋放異常，轉(zhuǎn)化為A＇，在能量釋放階段就會(huì)產(chǎn)生各種安全事故。在能量釋放階段正常的情況下，對A1施加F2作用，工程爆破會(huì)按照預(yù)定的設(shè)計(jì)，炸藥爆炸能轉(zhuǎn)化破碎、拋擲等機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)作業(yè)目的。在能量轉(zhuǎn)換做功階段，若出現(xiàn)外力f3干擾到F2，使A1不能轉(zhuǎn)為 A2，而是出現(xiàn)異常轉(zhuǎn)化做功的能量A＇，就會(huì)造成各種事故?？捎脠D2進(jìn)行描述該過程。

圖2 工程爆破安全事故的力學(xué)表達(dá)示意

3 工程爆破安全事故的力學(xué)模型

工爆破安全事故的發(fā)生，是因?yàn)檎ㄋ幠芰繘]有按照預(yù)定運(yùn)行軌跡運(yùn)動(dòng)造成的，基于此認(rèn)為工程爆破安全事故的預(yù)防，就是控制炸藥爆炸能量的運(yùn)動(dòng)。

3.1 “能量球運(yùn)動(dòng)”模型的建立

該模型把炸藥爆炸能量看成獨(dú)立存在于自然空間中的能量球，該能量球在各種外力作用下會(huì)沿一定軌跡運(yùn)動(dòng)，當(dāng)脫離運(yùn)動(dòng)路線時(shí)就會(huì)發(fā)生安全事故。

在圖3中，正常的情況下，能量A在各種外力作用下，沿著安全軌跡運(yùn)行，這一過程是安全的，不會(huì)發(fā)生安全事故。

初始階段中，當(dāng)能量體A在P1位置，受到異常外力f1作用時(shí)，能量體A運(yùn)動(dòng)軌跡沿著事故1曲線運(yùn)行，將會(huì)發(fā)生事故。在能力釋放階段P2位置，受到外力f2作用時(shí)，引起了能量意外釋放，將會(huì)沿事故2曲線運(yùn)行，發(fā)生安全事故。在能量轉(zhuǎn)化做功階段P3位置，受到外力f3作用，工程爆破過程將沿事故3曲線運(yùn)行，發(fā)生安全事故。

圖3 “能量球運(yùn)動(dòng)”模型示意

3.2 “能量球運(yùn)動(dòng)”模型的力學(xué)表達(dá)

根據(jù)能量球運(yùn)動(dòng)模型，在工程爆破作業(yè)過程中，能量體A的運(yùn)動(dòng)軌跡定義為P(F，f)。工程爆破過程在外力作用下，A的運(yùn)動(dòng)軌跡是固定的，就不會(huì)發(fā)生安全事故，其運(yùn)動(dòng)過程可用下述公式表示:

在不同的階段，當(dāng)受到異常外力f作用時(shí)，A的運(yùn)動(dòng)軌跡將會(huì)發(fā)生變化，就會(huì)發(fā)生安全事故，其運(yùn)動(dòng)過程可用下述公式進(jìn)行表示:

在上述兩個(gè)公式中，正常外力F和異常外力f是隨著時(shí)間變化的，時(shí)間變化過程對應(yīng)工程爆破的三個(gè)階段。

3.3 模型應(yīng)用

該力學(xué)模型在應(yīng)用過程中，可以通過A的運(yùn)動(dòng)軌跡偏移量在進(jìn)行安全評估。在工程爆破過程中，影響工程爆破安全的因素是客觀存在的，主要體現(xiàn)在人的不安全行為和物的不安全狀態(tài)兩個(gè)方面。將各種正常作業(yè)行為映射為正常外力F，各種在人的不安全行為、物的不安全狀態(tài)和不合理爆破方案設(shè)計(jì)映射為異常外力f，并將其代入A的運(yùn)動(dòng)軌跡公式P(F，f)，即可以評判工程爆破的安全風(fēng)險(xiǎn)。

安全狀態(tài):安全狀態(tài)是指無異常外力f作用，或者異常外力f作用于能量體A后，不會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)軌跡P(F，f)的運(yùn)動(dòng)偏移，或者偏移量在可接受的范圍內(nèi)，這時(shí)可以評判為工程爆破是安全的，不會(huì)發(fā)生各種安全事故。

不安全狀態(tài):不安全狀態(tài)是指異常外力f的存在，對能量體A的運(yùn)動(dòng)軌跡產(chǎn)生了較大的影響，使其運(yùn)動(dòng)偏移量超出安全許可范圍，將會(huì)發(fā)生安全事故。這種情況下，必須對各種異常外力進(jìn)行調(diào)整，消除異常外力或者使其影響控制在可接受范圍之內(nèi)。

4 結(jié)論

(1)本文提出了工程爆破安全事故致因機(jī)理的“能量球運(yùn)動(dòng)”模型，是對事故致因機(jī)理的一種力學(xué)表達(dá)，能夠?yàn)楣こ瘫瓢踩鹿实亩糠治鎏峁﹨⒖肌?/p>

(2)“能量球運(yùn)動(dòng)”模型的應(yīng)用還處在探索階段，要使該模型能夠很好的表征工程爆破安全事故的致因機(jī)理，還需要做大量工作。一是需要探討如何將各種爆破安全影響因素轉(zhuǎn)化為不同的異常外力f。二是要分析不同的異常外力f對能量體A運(yùn)動(dòng)軌跡的影響程度，即異常外力的權(quán)重。三是對難以定量描述的安全影響因素，如操作人員的技術(shù)水平、安全意識等，如何轉(zhuǎn)化為可以定量描述的異常外力。

(3)本文提出了一種工程爆破安全事故致因機(jī)理的力學(xué)表達(dá)方式，還處在探索階段，如何將這種方法運(yùn)動(dòng)到工程實(shí)踐中，還需要深入探討。

［1］吳 超.安全科學(xué)方法學(xué)［M］.北京:中國勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2011.

［2］汪旭光.爆破手冊［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2010.

［3］顧毅成，史雅語，金驥良.工程爆破安全［M］.合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2009.

［4］孟 娜，吳 超.安全管理力學(xué)分析方法(SMMA)及其應(yīng)用研究［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，19(4):55-61.