【摘 要】
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随着我国能源战略的调整升级,煤炭行业正朝着绿色、高效、安全、可持续方向快速发展,在双碳背景下新能源在矿井应用的时机日趋成熟。井下新型储能模组具有高能量密度、长寿命、高效率等特点,将在未来矿井能源管理和供应链中起到决定性作用,但同时亦为矿井安全生产带来重大风险与新的挑战。因此,前瞻性地预研矿用储能模组火灾在矿内的致灾特性及其风险防控方法,具有十分重要的研究价值与战略意义。本文面向未来智慧矿山建设,以
【基金项目】
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国家重点研发计划项目（2022YFC2904100）；
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随着我国能源战略的调整升级,煤炭行业正朝着绿色、高效、安全、可持续方向快速发展,在双碳背景下新能源在矿井应用的时机日趋成熟。井下新型储能模组具有高能量密度、长寿命、高效率等特点,将在未来矿井能源管理和供应链中起到决定性作用,但同时亦为矿井安全生产带来重大风险与新的挑战。因此,前瞻性地预研矿用储能模组火灾在矿内的致灾特性及其风险防控方法,具有十分重要的研究价值与战略意义。本文面向未来智慧矿山建设,以井下配置锂电池储能模组所产生的安全隐患作为研究对象,定量辨识危险因素与灾变可能性和风险程度,预测火灾风险传播致灾与职业伤害机制并提出应急防控模型,成果可为掌握矿井新型重大隐患的风险特征与防控方法提供理论依据与参考模式,对于保障未来矿用储能模组的安全运行意义重大。本文采用安全理论分析、平台试验测试及系统建模仿真相结合的方式,将工程科学与软科学研究方法有机融合于矿业安全前沿问题,体系性地开展了矿井储能模组热失控火灾风险因素量化表征、储能元件灾变释放特性、储能模组自燃火灾传播致灾与伤害模型及新型火灾风险综合防控方法等方面的研究。具体成果如下:（1）面向未来矿井储能模组应用场景及其安全隐患,对矿井新型储能模组火灾进行了风险因素辨识和量化表征,采用模糊层次分析法对风险因素重要度进行了排序,锂电池储能元件的本质热失控风险权重计算值占总风险的21.9%。针对该最大表征风险因素,进一步采用自主实验和建模仿真相结合的方式,系统分析了从电池单元到储能模组的热失控特性与致灾危险性,通过热质释放与热蔓延的定量数据分析,研究工况下电池单元火焰温度最高可达863℃,在热扩散作用下诱导储能模组级联失效,叠加峰值放热量为1.82×10~9W/m~3,揭示了矿井新型储能组件热失控的严重危险性。（2）将储能元件热失控特性数据作为井巷火灾源项模型,对储能模组火灾发生后矿内风险传播特性开展了实验和建模研究,同时对致灾影响因素进行了对比分析,实现了对储能模组火灾矿井致灾特性的精准预测。从应急响应角度出发,采用灾变烟气传播时空积分特性与人员烟气中毒阈值指标,构建了职业伤害与应急逃生定量分析模型。结果表明在10MW火灾荷载下典型火灾场景中,巷道下风侧短时间内CO平均浓度可达7.5×10-4mol/mol,远超致命危险临界阈值;巷道风速与火灾烟气运移速度存在线性关系,只有当巷道通风速度控制在1.2m/s以下才能显著提升矿井回风人员的生存逃生时间,揭示了控风排烟方法与应急逃生决策之间的悖论特征。（3）从安全技术与管理两方面对矿井新型储能模组火灾风险双重防控开展模型研究。建立了矿用储能元件本质安全与储能模组火灾风险安全屏障体系,基于演化博弈论构建了高级监管和煤矿企业管理的博弈模型,计算获得了动态博弈的纳什均衡点,对影响储能模组火灾风险性的多方主体进行了动态博弈分析,提出了矿井新型储能模组火灾的综合防控策略。该论文有图68幅,表15个,参考文献108篇
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