工业粉尘爆炸的尖点模型及灾害预防措施
探讨
徐进生，陈先锋，任少锋，宋华，胡军然
5 （武汉理工大学资源与环境工程学院，武汉430070）摘要：随着粉体工
业的发展，粉尘爆炸发生的危险性也会增大。为了更好地了解粉尘爆炸演化的过程，在灾害突变理论的基础上，运用轨迹交叉论，建立了反映粉尘爆炸事故演变的尖点突变模型，该模型指出人的不安全行为和物的不安全状态作为两个控制变量与一个系统状态变量共同影响着事故的演变过程；在此模型基础上，对粉尘爆炸预防措施进行了探讨，得
10 出预防事故的关键是避免系统状态变量从a 点演化到c 点。关键
词：安全工程；粉尘爆炸；轨迹交叉论；尖点模型；预防措施中
图分类号：X932
Discussion on the Cusp Model of Industrial Dust Explosion
什么是悲剧and Prevention Measures
15 XU Jinsheng, CHEN Xianfeng, REN Shaofeng, SONG Hua, HU Junran
(School of Resources and Environment Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan
430070, China)
Abstract: With the development of powder industry, explosive risk is greatly incread. In order to explore more process about dust explosion, a cusp model of accident evolution was established, which 20 quotes from the track-crossing theory on the basis of catastrophe theory. The model pointed out that
two variables including the unsafe behavior of people and the unsafe state of objects and a system state variable influence the accident evolution. This paper also had a discussion on the prevention measures of industrial dust explosion, which is bad on the cusp model. The key point of avoiding accidents is that controlling the system state variable evolution from point a to c.
25 Key words: safety engineering; dust explosion; track-crossing theory; cusp model; prevention
measures
0 引言
粉尘爆炸是一种破坏性极大的工业事故。近几十年来，随着现代化粉体工业的发展，粉体技术的广泛应用，粉体产物日益增多，使得粉尘爆炸的潜在危险性也大大增加，几乎危害30 到所有的工业部门：粉末冶金、粮食饲料加工、医药、化纤、塑料生产等，常见的粉尘爆炸
场所有：厂房、仓库、通道和集尘器、除尘器等设备内部。可燃性粉尘爆炸事故是令人瞩目的，所造成的伤亡和经济损失更是触目惊心。据美国劳工部统计，美国在1977 年发生21 起粮食粉尘爆炸，65 人死亡，财产损失超过5 亿美元。近几十年来，我国的粉尘爆炸也屡有发生。特别是1987 年3 月15 日，哈尔滨亚麻厂粉尘大爆炸，死伤230 多人，直接经济损35 失上千万元[1]，引起了国人的强烈重视。2010 年2 月24 日，河北秦皇岛骊骅淀粉股份有限
公司发生爆炸，造成19 人死，48 人伤，经济损失惨重。因此，对粉尘爆炸的研究和预防显得十分迫切和重要。
目前，我国大部分实验都集中在研究粉尘爆炸的机理和粉尘爆炸的一些参数上，如热爆
基金项目：国家自然科学基金面上项目（51174153）、教育部博士点专项基金新教师基金（2008049
71055）、武汉理工大学本科生自主创新基金项目（116808001）
作者简介：徐进生（1989-），男，硕士研究生
通信联系人：陈先锋（1975-），男，副教授，主要从事安全工程与采矿工程专业的教学与科研工作. E-mail: ***************大日如来佛祖
炸理论的应用[2]、最大爆炸压力及最大压力上升速率的研究[3]、最小点火能的研究[4]、爆炸40 极限的研究[5]等。更多的研究则是侧重于粉尘爆炸的预防，相继提出“惰化、防爆、抑爆、
隔爆、泄爆”方法[6]、粉尘云浓度的控制[7]等防护措施。但是从安全工程学相关灾变理论角度出发，开展粉尘爆炸事故发生的原因的研究较少。文献[8]是运用本质安全原理来预防煤粉爆炸，通过实验比较全面地分析了粉尘爆炸的影响因素。文献[9]是建立突变模型对瓦斯爆炸事故的研究，对事故演化中的人和物的因素进行详细的分析。在参考文献[9]的基础上，45 试图在轨迹交叉论基础上运用突变理论，对生产车间（厂房）的粉尘爆炸事故演化进行探讨。
1 突变理论
突变理论[10]是由法国巴黎高级科学院R·Thom 教授首先提出的，它是研究系统的状态随着外界控制参数连续改变而发生的不连续变化的数学模型。Thom 引用势函数来描述系统的状态，用拓扑学的方
法证明：势函数不取决于状态变量的数目，而取决于控制变量的数目。
50 Thom 把系统势函数的变量分为两类：一类是系统的状态变量；一类是控制变量。因此，系我还是很快乐
统的任一状态可由状态变量和控制变量统一来表示：F=F(T，U)，式中F 表示势函数，T 代表所有系统状态变量t i 的集合，T={t1，t2，t3，…，t n}；U 代表系统控制变量u i 的集合，U={u1，u2，u3，…，u m}。利用上式的一阶偏导数得到系统平衡状态时一组阈值点列（T1，U1），（T2，U2），…，（T n，U n），突变理论研究的中心是根据阈值点列之间的关系，研究系统55 变化过程的特征。
Thom 指出，当控制变量的个数不超过4 个时，势函数F 只有7 种基本形式，分别是折迭突变、尖点突变、燕尾突变、蝴蝶突变、双曲脐点突变、椭圆脐点突变和抛物脐点突变。
目前较多应用的均为初等突变理论。表1 给出了3 种初等突变模型。
表1 3 种初等突变模型
60 Table 1 three primary catastrophe models
演化过程。指导工作
2 粉尘爆炸尖点突变模型
2.1 轨迹交叉论
65 事故是人们在生产活动中，突然发生的、迫使其行动暂时或永久终止的一种意外事件。
毫无疑问，事故会导致生产系统的破坏，生产活动的暂时或永久终止。现代社会中，一般都是人利用机器（物）进行生产活动，人占主导地位，支配着整个系统的运行。与此同时，机子系统与人子系统相互作用、相互配合、相互制约，环境则是保证人机子关系安全、高效、经济运行的不可缺少的因素。因此，研究生产活动中发生的事故，必须从人、机、环三个子70 系统出发，研究各自子系统及其关联。轨迹交叉论认为，事故是许多相互作用的事件顺序发
展的结果，这些事件不外乎人和物（机或环境）的两个发展系列，当人的不安全行为与物的
75 80
85 90 95 100 不安全状态在各自发展过程中，在同一时间、空间发生接触，能量发生逆流时，事故就会发生。
轨迹交叉论验证了绝大多数事故的情况。实际生活中，几乎没有事故不与人的不安全行为或物的不安全状态有关。例如：日本劳动省调查分析的50 万起事故中，只有约4%与人的不安全行为无关，只有约9%与物的不安全状态无关[11]。可见，绝大多数事故都是由二者共同作用的。
2.2 粉尘爆炸尖点突变模型
生产车间（厂房）的粉尘爆炸，从微观上看，是在粉尘云浓度、点火源和氧气浓度3 条件同时满足的情况下发生的。究其原因，主要还是由于人的不安全行为、物的不安全状态和环境的不安全条件引起微观3 要素的同时具备。在生产过程中，人、机、环境构成的系统在时间和空间上处于不断变化的复杂过程中，它们在某一特定条件下发生交叉耦合，使得系统的状态变量发生变化，引发粉尘爆炸事故。
拔苗助长造句图1 粉尘爆炸的尖点模型
Fig.1 Cusp model of dust explosion
根据轨迹交叉论，把影响粉尘爆炸的控制变量定义为人的不安全行为u 和物的不安全状态v，加上反映系统状态变量x，可以得到生产车间（厂房）系统状态的尖点模型，如图1 所示。
建立粉尘爆炸尖点突变势函数：F(x)=x4+ux2+vx （1）式中，u=f u(u1，u2，u3…u n)—生产活动中人的不安全行为，包括管理因素、人员的工作
能力、人员的基本素质、人员的生理和心理因素等；v=f v(v1，v2，v3…v n)—生产活动中物的不安全
状态，包括环境因素、设备因素、粉尘粒径等；平衡曲面由F′(x)=0 确定，即F′(x)=4x3+2ux+v=0 （2）；分歧点集满足式（2），又要满足F〞(x)=12x2+2u=0 （3）；由式（2）、式（3）得到判别式△=8u3+27v2 （4），从而找到分歧点集。
2.3 尖点突变模型分析
连绵不断的山叫什么图1 中的平衡曲面是系统状态的突变流形，它是由式（2）确定的；分歧点集则是由式（2）、（3）确定的，在图1 上显示为平衡曲面的折痕，投影到u-v 平面，则反映为曲线
L1、L2 相交的区域。曲面折叠部分则是发生粉尘爆炸的区域，该区域把整个系统状态划分为上叶、中叶和下叶三部分。其中，上叶和下叶都是稳定状态区域。图1 中，曲线abcdef 反映了整个粉尘爆炸事故演化的全过程。生产车间（厂房）是一个动态的过程。ac 段，由于
105 110 115 120 125 130 135 140 机器运转（物的因素），造成管道焊缝的粉尘泄露，环境（温度、湿度等）也会发生变化，此过程会出现安全隐患，而未被及时监测发现（人的因素），使得系统状态变量发生流变的过程；当系统状态变量达到F（c）点时，系统处于粉尘爆炸的临界点，此时应该为粉尘云浓度爆炸极限点，由于人的不确定因素导致点火能的积聚达到爆炸的最小点火能量，一般为5～50mJ 量级范围[12]，系统状态变量由c 点突变到d 点，表现为粉尘爆炸事故的发生；df 段则为后期系统状态变量重新发生流变的过程。根据式（4），分析u、v 变量值的变化，监测系统状态变量。当△＞
0 时，u、v 值在尖点区域外，此时系统处的状态为上叶或下叶，系统是稳定的；当△＜0 时，u、v 值在尖点区域内，此时系统处的状态为中叶，即有发生突变的潜势；当△＝0 时，u、v 值恰好在曲线L1、L2 上，此时，任意微小的波动都会引发系统状态的改变。
综上可知，只要u、v 变量的变化穿过曲线L1、L2 时，系统状态必定发生突变。若平衡曲面上的曲线没经过折迭区，则不会发生突变。虽然会导致系统状态变量发生改变，但不会发生粉尘爆炸事故。这是因为，虽然人的不安全行为u 和物的不安全状态v 都发生变化，但整个状态仍是一个流变过程，没有发生从上叶直接跳跃到下叶的过程。例如，管道、焊缝发生粉尘的泄露，但粉尘云浓度却没有达到爆炸的最低下限，点火能量也未达到最小点火能量，所以不会发生爆炸。
3 灾害预防措施探讨
建立粉尘爆炸尖点突变模型，根本目的还是预防事故的发生。由于系统的状态变量主要取决于人的不安全行为和物的不安全状态两个变量，从图1 中可以看出，生产车间（厂房）发生爆炸事故主要是由于系统状态变量从F（a）点演化到F（c）点，穿过折叠区，引起突变发生爆炸。因此，避免系统状态变量从a 点演化到c 点，是探讨预防事故的关键。
事故统计分析表明，大部分粉尘爆炸事故都是由于人的不安全行为造成的[13]。人的因素是爆炸事故演化的主要因素，必须加以重视。预防措施可以归纳为以下几点：（1）制定安全管理规章制度，加
大安全管理，排除物的不安全隐患。如及时监测发现泄露的粉尘等。
（2）加强生产人员的安全教育培训，提高工作人员的素质，并制定详细的安全生产规章制度，严格按规章进行操作。如上岗前必须穿戴符合安全要求的防静电工作服。
物的因素决定粉尘爆炸事故的严重度。这是因为一次粉尘爆炸的气浪或冲击波会卷起设备外的粉尘积尘，引起“二次爆炸”，加重灾害程度，扩大灾害面积。预防措施可以归纳为：（1）改进工艺、设备，采用先进的设备和工艺流程。如微粒的细化工艺应尽可能地采用湿式或惰化环境下进行[14]。
（2）设置安全保护、监测报警装置。如粉尘浓度监测器和火灾报警装置。
（3）生产车间积聚的粉尘应定期除尘和通风。
（4）管道阀门、焊缝等处的粉尘泄露是由密封不良造成的，要定期检测和维护。
桂圆有什么功效
4 结语
随着现代工业的发展，粉体技术的应用日益广泛，粉尘爆炸的潜在危险性大大增加。在安全生产过程中，必须按照“安全第一，预防为主，综合治理”的方针，建立完善的生产车间（厂房）安全管理规章制度和安全生产操作规程，避免人和物的运动轨迹越过分歧点集，减少发生火灾、爆炸事故的可能性。
想你好[参考文献] (References)
145 150 155 160 165 170 175 180 [1]丁帮勤.工业粉尘爆炸与防治[J].工业安全与防尘，1990,7:34～36.
Ding Bangqin. Industrial dust explosion and prevention[J]. Industrial safety and dustproof,1990,7:34～36. [2]赵江平，王振成.热爆炸理论在粉尘爆炸机理研究中的应用[J].中国安全科学学报，2004,14（5）:80～83.
Zhao Jiangping, Wang Zhencheng. Application of Heat Explosion Theory to Dust Explosion Mechanism Rearch[J].China Safety Science Journal,2004,14(5):80～83. [3]王以革.粉尘爆炸中最大爆炸压力及最大压力
上升速率研究[J].消防科学与技术，2011,30（3）:193～194.
Wang yige. Rearch on maximum explosion pressure and maximum rate of pressure ri of dust explosion[J].Fire Science and Technology,2011,30(3):193～194. [4]任纯力，李新光等.粉尘云最小点火能数学模型[J].东北大学学报，2009,30（12）:1072～1075.
Ren yichun, Li xinguang et al. Mathematical Model for Minimum Ignition Energy of Dust Clouds[J]. J
ournal of Northeastern University,2009,30(12):1072～1075. [5]周从章，曾庆轩等.工业粉尘云爆炸下限的实验研究[J].火工品，2002,6（2）:19～21.
Zhou Congzhang, Zeng Qingxuan et al. Experimental Studies of Lower Explosible Limit of Industrial Dusts[J]. Initiators and Pyrotechnics,2002,6(2):19～21. [6]李运芝，袁俊明等.粉尘爆炸研究进展[J].太原师范学院学报，2004,3（2）:79～82.
Li Yunzhi, Yuan Junming et al. Dust explosion rearch progress[J]. Journal of Taiyuan Teachers College,2004,3(2):79～82. [7]张莹.工业粉尘爆炸与其浓度自动检测报警系统方案的探讨[J].消防技术与产品
信息，2009,4：45～47.
Zhang Ying. Discussion on industrial dust explosion and its concentration auto detection alarm system of
the scheme[J]. Fire control technology and product information,2009,4:45～47. [8]苏丹，李化等.运用本质安全
原理预防煤粉爆炸[J].中国安全科学学报，2008,18（11）：114～118.
Su Dan, Li Hua et al, Coal Dust Explosion Prevention Bad on Inherent Safety Principles[J]. China Safety Science Journal,2008,18(11):114～118. [9]李润求，施式亮等.煤矿瓦斯爆炸事故演化的突变模型[J].中
国安全科学学报，2008,18（3）：22～27.
Li Runqiu, Shi Shiliang et al, Catastrophe Model of Accident Evolvement of Gas Explosion in Coal Mines[J]. China Safety Science Journal,2008,18(3):22～27. [10]凌夏华.突变理论及应用[M].上海：上海交通大学出版社，1987.
Ling Xiahua. Catastrophe theory and application[M].Shanghai: Shanghai jiaotong university press,1987.
[11]何学秋.安全工程学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2000.
He Xueqiu. Safety engineering[M].Xuzhou: China mining university press,2000
[12] 赵衡阳.气体和粉尘爆炸原理[M].北京：北京理工大学出版社，1996.
Zhao Hengyang. Gas and dust explosion principle[M].Beijing: Beijing university of science and technology press,1996.
[13]张超光，蒋军成等.粉尘爆炸事故模式及其预防研究[J].中国安全科学学报，2005,15（6）：73～76. Zhang Chaoguang, Jiang Juncheng et al. Study on the Mode and Prevent ion of Dust Explosion Accident[J]. China Safety Science Journal,2005,15(6):73～76.
[14] 王志荣，蒋军成.化工装置爆炸事故模式及预防研究[J].工业安全与环保,2002,28(1):20～25.
Wang Zhirong, Jiang Juncheng. Study on Chemical plant explosion accident mode and prevention[J]. Industrial safety and environmental protection,2002,28(1):20～25.
