工程爆破安全事故致因机理的力学表达初探

任才清，游 波

(1.中南大学资源与安全工程学院， 湖南 长沙 410083;2.国防科技大学指挥军官基础教育学院， 湖南长沙 410072)

安全管理数力表达方法是将数学、物理学等基本、概念、理论应用到安全科学研究的一种基本方法［1］。工程爆破涉及爆炸力学、材料科学、结构力学和断裂力学等力学学科知识，具备力学表达的基础［2］。将安全管理数力表达方法运用到安全事故致因机理的研究中，能够促进爆破安全技术由定性分析向定量研究拓展，对科学的预防和控制工程爆破安全事故具有现实意义。

1 爆破安全事故致因机理力学表达方法

使用力学表达方法表征工程爆破安全事故致因机理，可按照下述方法进行:

(1)对工程爆破过程进行力学抽象。将工程爆破过程映射到力学运动过程，通过力学运动过程进行表达工程爆破作业过程。

(2)对工程爆破安全事故致因因素进行力学抽象。将影响工程爆破安全的因素抽象为各种外力，加载到工程爆破各个阶段，使工程爆破安全事故的发生表现为异常外力的作用。

(3)构建工程爆破安全事故致因力学模型。根据工程爆破安全事故的力学运动特性，建立适合描述工程爆破安全事故的数学模型。

(4)将工程爆破安全因素抽象为不同的力学关系，提出适应数学模型的事故致因因素量化数据，为致因数学模型求解提供支持。

2 爆破安全事故力学运动过程

爆破，是利用炸药的爆炸能量对介质做功，以达到预定工程目标。根据这个定义可以认为，工程爆破的本质就是人们利用一定的外力作用，将蕴含在炸药内的能量释放，同时对释放出的爆炸能量施加外力进行约束，使这些能量按照一定的运动方式和轨迹作用于爆破对象，从而实现各种工程目的。简言之，工程爆破作业就是控制炸药爆炸能量运用。工程爆破安全事故之所以会发生，是因为各种外力作用不当，引发炸药爆炸能量运动过程失控，进而引起安全事故发生。

2.1 工程爆破过程的力学表达

假设把蕴含爆炸能量的炸药看做一个能量体A，工程爆破作业中能量体A的运动过程可以分为三个阶段，分别是初始阶段、能量释放阶段(炸药外轰)、能量转化对外做功阶段。初始阶段中，无外力作用于A，F为0，能量体A处于稳定待发状态。能量释放阶段，将对A施加一定的外力，记为F1，A在F1作用下转化为A1，这一阶段结束时A1从外观上无变化。能量转化做功阶段，A1发生变化，在外界约束力F2作用下，按照预定的方式运动，转变为A2，这一阶段是动态过程，F2和A2相互作用不断变化，最终A2变为0，F2结束。可用图1示进行表示。

图1 工程爆破过程的力学表达示意

2.2 工程爆破安全事故的力学表达

工程爆破安全事故主要有四个类型［3］:爆破器材和起爆网路出现的安全问题、爆破设计错误造成的安全问题、爆破施工作业违规引起的安全问题和爆破安全设计不当防范措施不力出现的事故。从工程爆破安全事故的类型来看，发生安全事故的过程可以与工程爆破过程相对应，分为三个阶段:初始阶段、能量释放阶段、能量转化做功阶段。初始阶段中，能量体A应处于稳定待发状态，一旦受到异常外力f1的作用，A会被提前释放，A转化为A＇，进而引发安全事故的发生。初始阶段正常的情况下，对A施加F1作用，A应转化为A1，若出现外力f2导致A的释放异常，转化为A＇，在能量释放阶段就会产生各种安全事故。在能量释放阶段正常的情况下，对A1施加F2作用，工程爆破会按照预定的设计，炸药爆炸能转化破碎、抛掷等机械能，实现作业目的。在能量转换做功阶段，若出现外力f3干扰到F2，使A1不能转为 A2，而是出现异常转化做功的能量A＇，就会造成各种事故。可用图2进行描述该过程。

图2 工程爆破安全事故的力学表达示意

3 工程爆破安全事故的力学模型

工爆破安全事故的发生，是因为炸药能量没有按照预定运行轨迹运动造成的，基于此认为工程爆破安全事故的预防，就是控制炸药爆炸能量的运动。

3.1 “能量球运动”模型的建立

该模型把炸药爆炸能量看成独立存在于自然空间中的能量球，该能量球在各种外力作用下会沿一定轨迹运动，当脱离运动路线时就会发生安全事故。

在图3中，正常的情况下，能量A在各种外力作用下，沿着安全轨迹运行，这一过程是安全的，不会发生安全事故。

初始阶段中，当能量体A在P1位置，受到异常外力f1作用时，能量体A运动轨迹沿着事故1曲线运行，将会发生事故。在能力释放阶段P2位置，受到外力f2作用时，引起了能量意外释放，将会沿事故2曲线运行，发生安全事故。在能量转化做功阶段P3位置，受到外力f3作用，工程爆破过程将沿事故3曲线运行，发生安全事故。

图3 “能量球运动”模型示意

3.2 “能量球运动”模型的力学表达

根据能量球运动模型，在工程爆破作业过程中，能量体A的运动轨迹定义为P(F，f)。工程爆破过程在外力作用下，A的运动轨迹是固定的，就不会发生安全事故，其运动过程可用下述公式表示:

在不同的阶段，当受到异常外力f作用时，A的运动轨迹将会发生变化，就会发生安全事故，其运动过程可用下述公式进行表示:

在上述两个公式中，正常外力F和异常外力f是随着时间变化的，时间变化过程对应工程爆破的三个阶段。

3.3 模型应用

该力学模型在应用过程中，可以通过A的运动轨迹偏移量在进行安全评估。在工程爆破过程中，影响工程爆破安全的因素是客观存在的，主要体现在人的不安全行为和物的不安全状态两个方面。将各种正常作业行为映射为正常外力F，各种在人的不安全行为、物的不安全状态和不合理爆破方案设计映射为异常外力f，并将其代入A的运动轨迹公式P(F，f)，即可以评判工程爆破的安全风险。

安全状态:安全状态是指无异常外力f作用，或者异常外力f作用于能量体A后，不会导致运动轨迹P(F，f)的运动偏移，或者偏移量在可接受的范围内，这时可以评判为工程爆破是安全的，不会发生各种安全事故。

不安全状态:不安全状态是指异常外力f的存在，对能量体A的运动轨迹产生了较大的影响，使其运动偏移量超出安全许可范围，将会发生安全事故。这种情况下，必须对各种异常外力进行调整，消除异常外力或者使其影响控制在可接受范围之内。

4 结论

(1)本文提出了工程爆破安全事故致因机理的“能量球运动”模型，是对事故致因机理的一种力学表达，能够为工程爆破安全事故的定量分析提供参考。

(2)“能量球运动”模型的应用还处在探索阶段，要使该模型能够很好的表征工程爆破安全事故的致因机理，还需要做大量工作。一是需要探讨如何将各种爆破安全影响因素转化为不同的异常外力f。二是要分析不同的异常外力f对能量体A运动轨迹的影响程度，即异常外力的权重。三是对难以定量描述的安全影响因素，如操作人员的技术水平、安全意识等，如何转化为可以定量描述的异常外力。

(3)本文提出了一种工程爆破安全事故致因机理的力学表达方式，还处在探索阶段，如何将这种方法运动到工程实践中，还需要深入探讨。

［1］吴 超.安全科学方法学［M］.北京:中国劳动社会保障出版社，2011.

［2］汪旭光.爆破手册［M］.北京:冶金工业出版社，2010.

［3］顾毅成，史雅语，金骥良.工程爆破安全［M］.合肥:中国科学技术大学出版社，2009.

［4］孟 娜，吴 超.安全管理力学分析方法(SMMA)及其应用研究［J］.中国安全科学学报，2009，19(4):55-61.