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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

“预控违章带电作业的可行性”探讨

2018-11-07
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摘要:为了从理论上证明井下违章带电可以通过技术手段预防和控制,研究违章过渡过程发现:违章时必须经过占用一定时间和空间的违章过渡过程,才能从安全状态转变到越过违章“红线”后的危险作业状态,而不能“跃变”到危险作业状态。违章过渡过程的存在为预控违章提供了安全的时空条件,根据违章运动状态方程,运用牛顿第二定律、运动学理论可证明违章是可以预控的,并可根据动量定理推导出预控违章的充要条件。该文从理论上证明了预控违章带电作业具有可行性。

关键词:预控;带电作业;过渡过程;跃变;违章;控制


孙继平教授研究指出:“电气火源(花)引爆瓦斯最多,为48.1%”[1]。国家安监总局等权威研究指出:90%~95%的事故是由于违章作业造成。也就是说,90%~95%电气火源(花)是违章带电作业造成,48.1%×(0.9~0.95)=43.29%~45.7%的瓦斯爆炸是由于违章带电作业引发。违章作业已成为煤矿的“第六大灾害”,国内外普遍认为:违章作业是“人”造成的,“人”千变万化,违章作业没有规律可循,很难用技术手段预控(预防和控制)违章行为,只能用所谓“人海战术”(即宣传、培训、教育、管理、法律等手段)防治(不是预控)“人”的违章行为。本文主要内容选自《违章行为分析及抗违章对策》,该文提出违章过渡过程的概念,并推导出违章状态方程,本文认为:既然违章带电作业过程可以用微分方程描述,那就说明违章带电作业是有规律可循的,有规律可循,就一定能通过技术手段预控。该结论对国内外安全生产科技发展方向的确定意义十分重大。


1预控违章的概念

任何违章作业都由违章者、违章对象、作业环境构成。在违章过渡过程中,预控违章行为,使违章者与违章对象不能有效接触而进行危险作业就称作预控违章,或违章预控。

要实现“有效接触”,必须接近到一定距离,并相互作用达到一定时间,才能产生违章作业效应。所以,只要通过隔离措施,限制二者之间的距离,就能预控违章。当然,这是理论上的观点,实际中还要很多具体措施配合,才能实现违章预控。

越过违章“红线”后的违章作业就是“危险作业”,在图1中,如果松动螺栓、打开盖板,就是危险作业。

在违章过渡过程中移动工具或徒手移动,由于没有越过违章“红线”,所以是安全的(图1所示),这是违章过渡过程的一个非常重要的特点。

图1作业人员违章松动螺栓的初始状态

(将进入违章过渡过程)示意图

违章不能跃变定则:违章时必须经过占用一定时间和空间的违章过渡过程,才能从安全状态转变到越过违章“红线”后的危险作业状态,而不能“跃变”到危险作业状态。

由于存在“违章不能跃变”现象,违章预控的可行性才具有了事实根据和理论依据。

违章预控的可行性论证如下:根据违章不能跃变定则可知,违章者要违章必须经过违章过渡过程(见图1),要经过违章过渡过程,必须占用一定时间,必须通过一段路程,违章过渡过程占用的时间和空间,为在违章过渡过程中预控违章行为提供了时空条件;

违章过渡过程处在没有越过违章“红线”的安全状态,还没有进入危险状态,也没有产生违章作业效应的“有效接触”,为在违章过渡过程预控违章提供了安全条件;

违章过渡过程是由安全的时间和空间构成的,根据工程技术知识可知,在违章过渡过程中预防和控制违章者行为,使违章者“想违章违不成,即使违章也造不成事故”,具有可行性。

银行的防范手段,就是预控技术的具体应用,在进入预警范围,还没有盗保险柜前就报警并闭锁,就是具体预控技术的运用。而供电系统中的短路保护、漏电保护等保护技术都是在故障发生后才断电跳闸实现保护,都不是预控技术保护。抗违章保护就是预控技术保护,在违章过渡过程中,就预控违章行为,实现“想违章违不成,即使违章也造不成事故”。

由于人有随动系统特点,所以,安全员对违章者进行安全监督,就像“警察抓小偷”一样困难;对作业环境采用监视等手段预防(不是本文的“预控”)违章,可靠性也远不如抗违章保护;在技术装备上加装抗违章保护,使违章者“想违章违不成,即使违章也造不成事故”,与“锁上门防小偷,小偷撬锁前报警捉拿”相似,能可靠地预控违章作业。

虽然违章预控具有可行性,但是,理论上预控违章的充分和必要条件是什么?下面将进一步分析研究。


2违章可预控性的分析证明

根据以上分析研究,提出违章可预控性定则:任何违章作业都是可以预控的。

据“违章不能跃变”定则可知,任何违章作业都存在违章过渡过程,而在过渡过程中移动工具或徒手移动,由于没有越过违章“红线”,所以是安全的。只有在违章过渡过程中,使违章者与违章对象不能有效接触而进行危险作业,才能实现预防和控制违章的目的。所以,只要分析证明了在违章过渡过程中能预控违章运动,就证明了违章可以预控。

第一种分析证明方法如下:

据违章状态方程可知,在违章过渡过程中,有关运动状态变量都符合微分方程,即:

而             

其中:

f1是作业人员用电工常用工具违章作业时的违章动力;

f2是违章阻力;

m是工具质点(电工常用工具)的质量,在违章过渡过程中,假设是一个定值;

a质点的加速度,即违章过渡过程中电工常用工具的移动加速度,简称:违章过渡加速度。

从运动学角度看,如果违章阻力f2可以使违章过渡加速度a小于零,就是违章作业移动动作被控制。

下面分析f2与a的关系:

人的力量是有限的,假设人的最大违章动力值是给定值Fr,如果具有最大违章动力的违章者进行违章作业,其违章状态方程式①变为:

Fr - f2 = ma  则:

把式②表示在平面直角坐标系中,如图2所示。

图2违章阻力与违章过渡加速度关系图

在图2中,f2 = 0时,a = Fr/m;

a = 0时,f2 = Fr

当f2r时,a>0,随着违章阻力f2增加,违章过渡加速度a逐渐减小;

当f2达到f1的最大值Fr时,即:Fr = f2 = f1时,a = 0;

当f2 > Fra<0;根据运动学理论可知,a<0的运动是减速运动,减速到v = 0时,运动状态转变为静止,即:违章过渡过程中电工常用工具停止移动,就是停止违章,表示预控违章成功;如果减速到v < 0,说明运动方向改变,表示违章过渡过程中电工常用工具向离开带电体的方向移动,也是停止违章,也表示预控违章成功。

根据违章不能跃变定则,违章过渡过程要占用一定时间,要通过一段空间,所以,总能在这一段时间和空间中增加某种违章阻力达到上述目的。

图3违章预控过程示意图

例如,可加装隔离阻挡物Z,如图3(a)所示,当质点(电工常用工具)接触到隔离阻挡物Z后,隔离阻挡物Z的最大摩擦阻力或弹力等阻力,可使f2大大提高,根据工程力学原理可知,通过变换不同的隔离阻挡物Z,改变f2的大小,要达到f2 > Fr是较容易实现的。并且Fr是最大违章动力值,还是给定值。所以,违章阻力f2大于任何一个人的违章动力是能够实现的。因此,任何违章者违章带电作业都能够被成功预控。第一种分析证明毕。

第二种分析证明方法如下:

设:在图3(b)中,违章者用违章动力f1作用于质量为m的M工具质点(电工常用工具),从k0时刻开始进入违章过渡过程,把质点M移动一段时间后,于t1时刻受到违章阻力f2的作用,这时的速度为vt1,据上述违章状态方程式①知:

求证:违章阻力f2作用后,质点M于t2时刻停止运动(即Vt2 = 0)的充分必要条件。

分析证明:

质点M(电工常用工具)于t2时停止刻运动时,他的运动速度Vt2 = 0,也就是违章作业动作停止,违章预控成功。

根据牛顿-莱布尼茨公式得:

代入整理得违章预控充要条件式:

根据运动学知识可知,式③中  

为违章阻力f2作用M工具质点的冲量,

为违章动力f1作用M工具质点的冲量。mvt1为违章阻力f2与违章动力f1于t1时刻共同开始作用时的动量。

由于mvt2 = 0,

动量增量 = mvt2 - mvt1 = -mvt1

所以,式③符合动量定理:物体所受合外力的冲量等于它的动量的增量(末动量减初动量)。

据工程力学常识可知,使违章阻力f2的冲量满足违章预控充要条件式是容易实现的。所以,违章是可预控的。第二种方法证毕。


3结论及意义

(1根据违章不能跃变定则及违章可预控性定则可知,应用技术手段预控违章带电作业是可行的。推理可知,任何违章作业都是可以预控的。该结论为防治违章带电作业及瓦斯爆炸提供了新方法,为煤矿治理“第六大灾害”(违章作业)、为贯彻落实“预防为主”方针指出新方向。

(2本文分析证明高度抽象、概括和简化,实际中的违章作业要复杂的多,预控技术装置也远不是一块简单的阻挡物,而是需要发明创造多种新技术才能实现的,并且只有通过技术手段才能够可靠地预控违章作业,其他手段都无法达到这样的理想的预控效果。抗违章技术将是违章预控的有效方法。

作者简介:

郭春平 1959年9月 男 山西平遥人 教授级高工 国务院特贴专家 北大EMBA 山西全安新技术开发有限公司董事长

通讯地址:太原市高新区创业街19号方大领地1号楼11层1104室  邮编030006  电话:13513549806   邮箱gcp.007@163.com




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