能量流意外释放思维模式和事故预防

文/吴超，黄浪

【本文摘改自：黄浪, 吴超, 杨冕, 王秉. 基于能量流系统的事故致因与预防模型构建[J]. 中国安全生产科学技术, 2016,12(7): 55-59.】

能量是表述物质状态的物理量，是物理学中刻画做功的一个量，在安全物质学中同样占有重要地位。在正常生产过程中，能量受到种种限制，按照人们规定的流通渠道流通。如果由于某种原因导致能量失去控制，超越人们设置的约束而意外释放，则可能导致事故发生。因此，研究与探讨能量在事故中的聚集、转换等致灾机理和规律对事故预防至关重要。

从能量的角度对事故致因进行了相关研究，提出能量意外释放论等事故致因模型，国内外许多学者都做了不少研究。下面从系统中能量的“流”的特征进行深入分析，以补充能量流的视角分析事故致因的相关研究的欠缺。

1.能量流系统

能量是物质本质属性的体现，是一切物质运动与转换的源动力。无论物质是简单的物理性移动（如高处坠落、物体打击、机械伤害、车辆伤害等），还是发生物理化学变化（如燃烧、化学爆炸等），其流动过程都伴随着各种能量之间的转换和利用，进而形成能量流。

根据能量系统、能量流及安全物质学理论，可知能量流系统是指通过避灾系统预防、减少和消除致灾系统异常能量释放对承灾系统造成的损害所形成的，以能量作为状态衡量统一标准的系统。

能量流系统内涵解析：①其研究目的是减少能量异常释放所造成的损失，能量既是造成伤害的原因，也是避免和减少灾害损失的手段；②能量在致灾物、避灾物、承灾物之间以及人和环境之间的相互转换规律是事故能量系统作为独立系统类型的划分依据，并且能量流是表征事故能量系统行为的基本方式；③在一定条件下，致灾物能量、避灾物能量和承灾物能量可以相互转换，这也是事故演变复杂性的本质原因之一；④能量流系统是安全系统的子系统，具有很强的层次结构和功能结构，是一个具有动态性、开放性的复杂系统。

2.能量流系统模型构建及其典型形式

能量守恒定律认为能量不能消灭，也不能创生，只能由一种形式转变为另一种形式。在结构与形式复杂的生产活动中，存在着各种形式的能量贮存与转化。事故能量系统的错综复杂性表现为能量在致灾物、承灾物和避灾物之间以及这三种物质与人、环境之间的异常流动、转化和重新分配，可以用能量流向图来揭示其复杂性本质（如图1所示）。从能量流入手把握事故的发生、发展机理，通过分析能量流系统各因素之间能量的转换及流动过程，建立几种能量流系统模型：如能量串发型、能量发散型、能量集中型、能量穿梭型等。

1）事故能量串发模型。串发型是单灾种（能量源）在演变过程中形成同类型灾种延续的单向演化形态，这种类型是最简单的也是最好预防能量意外释放和控制的能量流系统，如物体打击、高处坠落、机械伤害等形式的能量系统。

2）事故能量发散模型。发散型是由一个能量源向若干分支扩展，分裂成多种灾害能量，此类能量系统具有树枝叶脉链式反应特征，各能量发散分支存在时空上的连续性。此类事故能量系统具有面积大、范围广、影响深远等特征。如深井煤矿冒顶或冲击地压事故，由于开采过程破坏了地层原有的平衡状态，当作用于巷道顶板的地压能量超过巷道顶板的支撑力，顶板能量系统处于失衡状态，导致冒顶事故发生，并且顶板储存的能量进一步释放，伴随产生高压有毒有害气体、冲击波（有时还有高温、涌水）等能量。

3）事故能量聚集模型。聚集型由若干分支能量在演化过程中集成综合型的事故能量，形成巨大的破坏作用。此类事故能量系统在时间或空间上存在两条或两条以上的并列、独立的能量源分支，能量呈现方向上的传递和聚集趋势，在事故能量系统中表现为至少存在一个聚合能量，其破坏强度逐级增强或破坏范围逐级增大。如矿山的突水事故，就是由自然降水、含水层的岩溶水、老窑积水、巷道积水等形成分支能量源在势能、动能等能量作用下，经过一定的时空演化过程，向巷道、采空区等空间聚集，形成具有一定破坏强度的能量系统，当聚集的能量达到或超出突水点的临界失稳强度时，破坏作用放大，使储存的载体能量全部释放，即事故发生。

4）事故能量穿梭模型。穿梭型是串发型、聚集型和发散型三种形式混合而成的链式网状关系，即能量传播关系不只是以链条状出现，还有链与链之间进行的互相交叉渗透和相互影响关系。该模型中能量产生、传播与转换需具备扩展蔓延的启动条件、具有性态相同或相近且逐渐同化的连续蔓延载体扩展条件。此类模型最典型的例子就是火灾事故，系统存在的可燃物本身不存在破坏力，但是当可燃物达到一定的浓度，并且具备助燃能量条件和引燃能量条件时，在一定的时空内就会发生火灾或爆炸事故，燃烧能量以冲击波、高温、高压、有毒有害气体、烟雾等能量形式释放，造成人员伤亡与财产损失。

3.基于能量流系统的事故预防策略

根据基于能量流系统模型的事故致因机理模型，可提炼防止或减少承灾物受损严重程度的措施：

1）减少致灾系统潜在能量：①采用本质安全化物质，如选用安全能源代替危险性较大的能源质、使用低毒物质取代高毒物质等；②限制潜在能量，防止潜在能量聚集，如利用安全电压设备、控制旋转装置转速、控制爆炸性气体浓度等。

2）减少致灾系统向外部环境意外输出的能量：①防止能量蓄积，如通过良好接地消除静电蓄积；②控制能量释放，采用可靠性强的设备设施，如耐压气瓶、盛装辐射性物质的专用容器等；②设置能量过载自动报警、连锁控制装置，如超压报警器、超温报警器、超速报警器等。

3）降低致灾系统向外部环境输出能量的释放速率：①可采用延缓和限制能量释放装置，开辟能量意外释放新通道，如安全良好接地、采用减震装置吸收冲击能量，使用安全阀、溢出阀、密闭门、防水闸、泄爆口等。

4）采取意外释放能量的屏蔽措施，切断能量传播路径，提高屏蔽效能，如机械运动部件加装防护罩、电器的绝缘层、消声器等；在致灾物与承灾物之间采取工程控制措施提高对能量的削减作用，如采用安全围栏、防火门、防爆墙等；对承灾物采取防护措施，提高个体防护效能，如安全帽、手套、防尘口罩、防噪耳塞等；做好能量意外释放事故的最后一道防线，采取正确的应急救援措施，使用正确的应急物质等，如根据不同的火灾类型选用不同的消防器材；降低能量作用集中程度系数、作用时间系数，增大抗灾系数。

   更详细内容可阅读下面文章：

黄浪, 吴超, 杨冕, 王秉. 基于能量流系统的事故致因与预防模型构建[J]. 中国安全生产科学技术, 2016,12(7): 55-59.

HUANG Lang ,WU Chao, YANG Mian, WANG Bing. Modeling of accidentcausing and prevention based on energy flow system[J]. Journal of Safety Scienceand Technology, 2016, 12(7): 55-59.