工程爆破安全事故致因機理的力學表達初探

任才清，游 波

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

安全管理數力表達方法是將數學、物理學等基本、概念、理論應用到安全科學研究的一種基本方法［1］。工程爆破涉及爆炸力學、材料科學、結構力學和斷裂力學等力學學科知識，具備力學表達的基礎［2］。將安全管理數力表達方法運用到安全事故致因機理的研究中，能夠促進爆破安全技術由定性分析向定量研究拓展，對科學的預防和控制工程爆破安全事故具有現實意義。

1 爆破安全事故致因機理力學表達方法

使用力學表達方法表征工程爆破安全事故致因機理，可按照下述方法進行:

(1)對工程爆破過程進行力學抽象。將工程爆破過程映射到力學運動過程，通過力學運動過程進行表達工程爆破作業過程。

(2)對工程爆破安全事故致因因素進行力學抽象。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階段，使工程爆破安全事故的發生表現為異常外力的作用。

(3)構建工程爆破安全事故致因力學模型。根據工程爆破安全事故的力學運動特性，建立適合描述工程爆破安全事故的數學模型。

(4)將工程爆破安全因素抽象為不同的力學關系，提出適應數學模型的事故致因因素量化數據，為致因數學模型求解提供支持。

2 爆破安全事故力學運動過程

爆破，是利用炸藥的爆炸能量對介質做功，以達到預定工程目標。根據這個定義可以認為，工程爆破的本質就是人們利用一定的外力作用，將蘊含在炸藥內的能量釋放，同時對釋放出的爆炸能量施加外力進行約束，使這些能量按照一定的運動方式和軌跡作用于爆破對象，從而實現各種工程目的。簡言之，工程爆破作業就是控制炸藥爆炸能量運用。工程爆破安全事故之所以會發生，是因為各種外力作用不當，引發炸藥爆炸能量運動過程失控，進而引起安全事故發生。

2.1 工程爆破過程的力學表達

假設把蘊含爆炸能量的炸藥看做一個能量體A，工程爆破作業中能量體A的運動過程可以分為三個階段，分別是初始階段、能量釋放階段(炸藥外轟)、能量轉化對外做功階段。初始階段中，無外力作用于A，F為0，能量體A處于穩定待發狀態。能量釋放階段，將對A施加一定的外力，記為F1，A在F1作用下轉化為A1，這一階段結束時A1從外觀上無變化。能量轉化做功階段，A1發生變化，在外界約束力F2作用下，按照預定的方式運動，轉變為A2，這一階段是動態過程，F2和A2相互作用不斷變化，最終A2變為0，F2結束。可用圖1示進行表示。

圖1 工程爆破過程的力學表達示意

2.2 工程爆破安全事故的力學表達

工程爆破安全事故主要有四個類型［3］:爆破器材和起爆網路出現的安全問題、爆破設計錯誤造成的安全問題、爆破施工作業違規引起的安全問題和爆破安全設計不當防范措施不力出現的事故。從工程爆破安全事故的類型來看，發生安全事故的過程可以與工程爆破過程相對應，分為三個階段:初始階段、能量釋放階段、能量轉化做功階段。初始階段中，能量體A應處于穩定待發狀態，一旦受到異常外力f1的作用，A會被提前釋放，A轉化為A＇，進而引發安全事故的發生。初始階段正常的情況下，對A施加F1作用，A應轉化為A1，若出現外力f2導致A的釋放異常，轉化為A＇，在能量釋放階段就會產生各種安全事故。在能量釋放階段正常的情況下，對A1施加F2作用，工程爆破會按照預定的設計，炸藥爆炸能轉化破碎、拋擲等機械能，實現作業目的。在能量轉換做功階段，若出現外力f3干擾到F2，使A1不能轉為 A2，而是出現異常轉化做功的能量A＇，就會造成各種事故。可用圖2進行描述該過程。

圖2 工程爆破安全事故的力學表達示意

3 工程爆破安全事故的力學模型

工爆破安全事故的發生，是因為炸藥能量沒有按照預定運行軌跡運動造成的，基于此認為工程爆破安全事故的預防，就是控制炸藥爆炸能量的運動。

3.1 “能量球運動”模型的建立

該模型把炸藥爆炸能量看成獨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沿一定軌跡運動，當脫離運動路線時就會發生安全事故。

在圖3中，正常的情況下，能量A在各種外力作用下，沿著安全軌跡運行，這一過程是安全的，不會發生安全事故。

初始階段中，當能量體A在P1位置，受到異常外力f1作用時，能量體A運動軌跡沿著事故1曲線運行，將會發生事故。在能力釋放階段P2位置，受到外力f2作用時，引起了能量意外釋放，將會沿事故2曲線運行，發生安全事故。在能量轉化做功階段P3位置，受到外力f3作用，工程爆破過程將沿事故3曲線運行，發生安全事故。

圖3 “能量球運動”模型示意

3.2 “能量球運動”模型的力學表達

根據能量球運動模型，在工程爆破作業過程中，能量體A的運動軌跡定義為P(F，f)。工程爆破過程在外力作用下，A的運動軌跡是固定的，就不會發生安全事故，其運動過程可用下述公式表示:

在不同的階段，當受到異常外力f作用時，A的運動軌跡將會發生變化，就會發生安全事故，其運動過程可用下述公式進行表示:

在上述兩個公式中，正常外力F和異常外力f是隨著時間變化的，時間變化過程對應工程爆破的三個階段。

3.3 模型應用

該力學模型在應用過程中，可以通過A的運動軌跡偏移量在進行安全評估。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，主要體現在人的不安全行為和物的不安全狀態兩個方面。將各種正常作業行為映射為正常外力F，各種在人的不安全行為、物的不安全狀態和不合理爆破方案設計映射為異常外力f，并將其代入A的運動軌跡公式P(F，f)，即可以評判工程爆破的安全風險。

安全狀態:安全狀態是指無異常外力f作用，或者異常外力f作用于能量體A后，不會導致運動軌跡P(F，f)的運動偏移，或者偏移量在可接受的范圍內，這時可以評判為工程爆破是安全的，不會發生各種安全事故。

不安全狀態:不安全狀態是指異常外力f的存在，對能量體A的運動軌跡產生了較大的影響，使其運動偏移量超出安全許可范圍，將會發生安全事故。這種情況下，必須對各種異常外力進行調整，消除異常外力或者使其影響控制在可接受范圍之內。

4 結論

(1)本文提出了工程爆破安全事故致因機理的“能量球運動”模型，是對事故致因機理的一種力學表達，能夠為工程爆破安全事故的定量分析提供參考。

(2)“能量球運動”模型的應用還處在探索階段，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運動軌跡的影響程度，即異常外力的權重。三是對難以定量描述的安全影響因素，如操作人員的技術水平、安全意識等，如何轉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理的力學表達方式，還處在探索階段，如何將這種方法運動到工程實踐中，還需要深入探討。

［1］吳 超.安全科學方法學［M］.北京:中國勞動社會保障出版社，2011.

［2］汪旭光.爆破手冊［M］.北京:冶金工業出版社，2010.

［3］顧毅成，史雅語，金驥良.工程爆破安全［M］.合肥:中國科學技術大學出版社，2009.

［4］孟 娜，吳 超.安全管理力學分析方法(SMMA)及其應用研究［J］.中國安全科學學報，2009，19(4):55-61.