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(chǔ)教育學院， 湖南長沙 410072)

安全管理數(shù)力表達方法是將數(shù)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(jié)構(gòu)力學和斷裂力學等力學學科知識，具備力學表達的基礎(chǔ)［2］。將安全管理數(shù)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(shù)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(xiàn)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(yè)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(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模型。根據(jù)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(shù)學模型。

(4)將工程爆破安全因素抽象為不同的力學關(guān)系，提出適應數(shù)學模型的事故致因因素量化數(shù)據(jù)，為致因數(shù)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(zhì)做功，以達到預定工程目標。根據(jù)這個定義可以認為，工程爆破的本質(zhì)就是人們利用一定的外力作用，將蘊含在炸藥內(nèi)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(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用。工程爆破安全事故之所以會發(fā)生，是因為各種外力作用不當，引發(fā)炸藥爆炸能量運動過程失控，進而引起安全事故發(fā)生。

2.1 工程爆破過程的力學表達

假設(shè)把蘊含爆炸能量的炸藥看做一個能量體A，工程爆破作業(yè)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(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，按照預定的方式運動，轉(zhuǎn)變?yōu)锳2，這一階段是動態(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(wǎng)路出現(xiàn)的安全問題、爆破設(shè)計錯誤造成的安全問題、爆破施工作業(yè)違規(guī)引起的安全問題和爆破安全設(shè)計不當防范措施不力出現(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，分為三個階段: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會被提前釋放，A轉(zhuǎn)化為A＇，進而引發(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應轉(zhuǎn)化為A1，若出現(xiàn)外力f2導致A的釋放異常，轉(zhuǎn)化為A＇，在能量釋放階段就會產(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，工程爆破會按照預定的設(shè)計，炸藥爆炸能轉(zhuǎn)化破碎、拋擲等機械能，實現(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＇，就會造成各種事故?？捎脠D2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(fā)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(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，沿著安全軌跡運行，這一過程是安全的，不會發(fā)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(fā)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(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曲線運行，發(fā)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(jù)能量球運動模型，在工程爆破作業(yè)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(fā)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(fā)生變化，就會發(fā)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(xiàn)在人的不安全行為和物的不安全狀態(tài)兩個方面。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(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(nèi)，這時可以評判為工程爆破是安全的，不會發(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的運動軌跡產(chǎn)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(fā)生安全事故。這種情況下，必須對各種異常外力進行調(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(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運動軌跡的影響程度，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(yè)出版社，2010.

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