随着中国特色社会主义进入新时代，人民健康上升为国家优先发展战略，国家出台《“健康中国2030”规划》《关于实施健康中国行动的意见》等一系列政策、法规推进健康中国建设[1-6]。健康中国，职业安全健康先行，2018年我国就业人口7.76亿人，多数劳动者职业生涯超过其生命周期的1/2，因工作环境接触各类职业危害引发的职业安全健康问题十分突出，以煤工尘肺为主的职业病新发病例数、累计病例数和死亡病例数均居世界首位[7]。截止2018年底，我国累计报告职业病97.5万例，其中，职业性尘肺病87.3万例，约占报告职业病病例总数的90%，绝大部分来自煤矿从业人员[8]。
我国是世界上最主要的煤炭生产和消费国，2018年煤炭消费量在我国一次能源消费量中占比为58%[9]，研究表明2050年以前煤炭仍是我国的主要能源。近百年来，我国在复杂地质条件下的煤炭开采理论、技术和装备方面取得了举世瞩目的成就，特别是综合采掘机械化水平大幅提高，我国煤炭安全高效开采达到了世界领先水平[10-12]。2016年笔者提出了煤炭精准开采科学构想，煤炭工业进入智能少人(无人)科学开采新时代[13-15]，但以粉尘为主，噪声、高温、高湿、职业毒物等危害因素并存的煤矿职业安全健康问题不容忽视。煤矿高浓度粉尘不仅会威胁矿井安全生产，还会诱发肺部、心血管和脑部等疾病[16-17]。
“工业4.0”势头强劲，精准开采、精准医疗、大数据等技术突飞猛进，给煤矿职业安全健康发展提供了前所未有的机遇，为实现煤矿作业环境革命和煤矿从业人员职业生命全周期职业安全健康提供了可能，理工医多学科交叉融合的煤矿粉尘防控与职业安全健康科学构想应运而生。
笔者通过系统总结煤矿粉尘防控与职业安全健康面临挑战，阐述煤矿职业安全健康科学构想及其科学内涵，凝练煤矿粉尘防控与职业安全健康的关键科学问题和主要研究方向，提出对策与建议，为煤矿作业环境革命和保障矿工职业生命全周期职业安全健康提供新思路。
1 煤矿粉尘防控与职业安全健康面临挑战
1.1 致病粉尘浓度超标，煤工尘肺发病率居高不下
呼吸性粉尘是危害职业健康的最主要致病粉尘。近年来，随着我国煤矿采掘机械化水平提高，作业产尘量成倍增加。以综采工作面为例，未采取防尘措施前，综采工作面全尘质量浓度可达4 000 mg/m3，呼吸性粉尘质量浓度可达1 100 mg/m3[18]。目前煤矿通过煤层注水、通风、喷雾、个体防护等手段，一定程度上改善了井下作业环境，但呼吸性粉尘质量浓度仍然远高于国家有关规定。致病粉尘质量浓度超标已成为煤炭开采无法回避的现实问题。
国际上，尘肺病占所有职业病发病比例平均不足10%[19]，而我国尘肺病约占职业病发病的90%，煤工尘肺新发病例数占尘肺病高达50%以上，2018年煤工尘肺新病例数占尘肺病数更是高达83%[20]，煤矿粉尘对煤矿从业人员的不利影响已远远超过安全生产事故(图1)。由于职业健康检查覆盖率低和用工制度不完善等原因，实际煤工尘肺发病人数远高于报告病例数。究其原因，除了煤炭开采条件和技术工艺差异外，最重要的是美国等发达国家严控呼吸性粉尘的允许暴露极限[21]。得益于此，美国从20世纪70年代中期到90年代末，煤工尘肺的发病率从30%以上下降到5%左右[22]。
图1 我国近10 a来职业病新发病例与煤矿事故死亡人数统计
Fig.1 Graph of new cases of occupational diseases and death toll of coal mine accident in recent 10 years
1.2 基础研究薄弱，理工医交叉融合不足
我国围绕煤矿粉尘防控与职业安全健康开展大量研究，促进了该领域的发展，但是针对高浓度致病粉尘防控与职业安全健康还面临着诸多科学问题，现有基础研究不够，不同工况下煤矿粉尘产尘机理、受限空间流场-湿度场-温度场等多相多场耦合时空演化机理不清，煤工尘肺发病机制不明，接触限值急需修订，对煤矿粉尘及职业相关危害因素监测能力不足，基于海量现场实测、实验室微细观测试、大型物理模拟实验、大数据数值计算与融合分析“四位一体”的科学研究手段缺乏。
纵观国际职业安全健康史，国际劳工组织、美国职业安全健康局和欧洲职业安全健康署等职业安全健康相关部门建立之初，都是医学和工科结合，共同解决职业安全与健康问题。而我国由于历史原因，职业安全健康相关部门2018年之前一直隶属于非医学机构，缺少理工医融合协同创新平台，煤矿粉尘防控与职业安全健康产学研合作深度不够，理工医协同创新不足，严重制约了我国职业安全健康的发展。
1.3 职业安全健康保障水平低，关键技术装备缺乏
目前我国煤矿粉尘防控与职业安全健康发展尚处在起步阶段，现有煤矿粉尘防控技术装备难以适应煤矿井下复杂多变的工况条件[23]，使用效率低，缺乏个体呼吸性粉尘接尘量持续性监测仪器和预警技术装备，个体防护装备密合性、舒适性差，导致呼吸性粉尘防护效果不佳。传统煤工尘肺早期诊断技术装备无法实现无创、快速、准确筛查，缺少有效治疗技术方法。虽然全国报告了数十万煤矿职业病患者，却没有建立煤矿职业病大样本数据库群，缺乏基于个体差异、生活方式、作业环境等多因素职业安全健康智能预警与职业病智慧诊疗技术手段，职业安全健康保障水平低下。开展煤矿粉尘高效防控及职业病治疗新技术装备研发迫在眉睫。
1.4 监管和服务能力不足，政策标准亟待完善
煤矿职业安全健康相关政策标准的有效执行和及时修订是煤矿从业人员身体健康的重要保障。早在20世纪70年代，美国《煤炭法》规定要定期对煤矿粉尘进行检查，并规定呼吸性粉尘的允许暴露极限[24]。我国虽然在20世纪50年代也参照前苏联的标准制定粉尘允许暴露极限，但是没有发挥应有作用。2016年美国为终结“煤工尘肺”，修订了煤矿从业人员暴露于呼吸性粉尘的标准，将原来煤矿粉尘总量标准中的允许暴露限值从2.0 mg/m3降低到1.5 mg/m3[25]。尽管如此，美国政府的统计数据表明，美国企业仍然保持着高于99%的依从性[26]。对我国而言，一方面，由于煤矿个体呼吸性粉尘持续监测与允许暴露极限亟需开展系统研究，相关政策标准缺乏。另一方面，职业卫生监管和职业病防治服务能力不足，导致现有政策执行不力，难以有效保障我国煤矿粉尘防控及职业安全健康稳定发展。
2 煤矿职业安全健康科学内涵
煤矿职业安全健康科学构想基于理工医多学科交叉融合，以大数据、云技术、人工智能和物联网等高新信息技术为支撑，创新“四位一体”科学研究方法，以煤矿无害作业、职业病精准治疗和职业安全健康智能预警等为核心，最终实现煤矿从业人员职业生命全周期职业安全健康，其科学内涵如图2所示。煤矿职业安全健康是煤炭精准开采的重要组成部分，是实现健康中国的重中之重。
煤矿职业安全健康将采用“四位一体”科学研究方法(图3)，以煤矿粉尘为重点，统筹考虑粉尘、噪音、高温、高湿、职业毒物等职业危害因素，围绕职业危害源头治理、综合控制和个体防护、职业病无创筛查、精确诊断、救治和康复、职业安全健康动态监测、智能分析和风险评估等颠覆性、革命性技术开展理工医协同创新，为实现煤矿作业环境革命和保障煤矿从业人员职业生命全周期职业安全健康提供科学指导。
图2 煤矿职业安全健康新构想科学内涵
Fig.2 Scientific connotation of coal mine occupational safety scientific conception
图3 煤矿职业安全健康理工医融合“四位一体”科学研究方法
Fig.3 “Four-in-One” scientific research method of medical,science,engineering fusion coal mine occupational safety
以煤炭精准开采为引领，以煤矿粉尘为主要对象，结合煤炭工业发展现状与煤矿职业安全健康长远要求，我国煤矿职业安全健康将分2步实施:第1步是在远程遥控式开采条件下，在煤矿粉尘等职业危害防控与职业安全健康领域取得阶段性突破，实现煤矿作业环境粉尘浓度大幅度下降，煤工尘肺发病率降低40%以上；第2步是在智能化无人精准开采条件下，在煤矿粉尘等职业危害防控与职业安全健康领域取得全面突破，从根本上杜绝煤矿粉尘等对从业人员的健康危害，做到煤矿职业病少发病或零发病。
3 煤矿粉尘防控与职业安全健康关键科学问题
煤矿粉尘防控与职业安全健康涉及理、工、医多学科交叉融合，内容纷繁复杂，实施过程中需要解决诸多科学问题。
(1)受限空间多源动态信息(如粉尘浓度、风速、风压、温度、湿度等)采集及数字化定量。
传统粉尘防控多依赖经验分析，在综合防尘过程中缺乏针对性。煤矿高浓度粉尘分源高效精准防控是现代采矿与智能化、数字化及物联网的高度结合，开发出多功能、多参数的智能传感器，解决煤矿复杂开采条件下多源、多场信息采集和数字化定量等问题。以喷雾降尘为例，需要快速而精准的实现对粉尘浓度场、空气流场、温度场、湿度场等多场数据的采集并数字化定量，根据开采空间进行数值计算分析，以达到对喷雾量、角度、粒径等需求的智能分析，为实现喷雾对粉尘的精准防治奠定基础。
(2)多源多维海量信息智能感知与融合分析。
随着煤炭精准开采的不断发展，煤矿物联网覆盖范围越来越广，“人、机、物”三元世界在煤矿职业安全健康中交互、融合产生的数据越来越多，多源海量动态信息智能融合分析愈发重要。其涉及的关键科学问题包括粉尘浓度、环境温度、湿度、接尘量、接尘时间、基因组等多源信息感知，人体血压、心率、体温、睡眠质量等健康信息实时监测与入库，多源、海量、动态等特征传感信息评估筛选与融合分析，可视化交互式智能多源多维海量信息智能融合分析系统搭建等。
(3)煤炭无尘化开采多相多场耦合基础理论。
煤炭无尘化开采与粉尘防控涉及固-液-气三相、流场-湿度场-温度场多场耦合问题，伴随着煤炭开采，多相多场因素相互影响、相互制约、相互联系。存在的关键科学问题主要有煤体结构-渗流-润湿耦合作用机制、多源粉尘产尘机理、多相多场耦合运移规律、多源高浓粉尘分源高效防控理论、粉尘动态监测与智能控制理论等。
(4)基于大数据样本群多因素交互发病机理。
致病粉尘诱发机体组织病变过程复杂，个体差异明显，与个人基因、环境和生活习惯密切相关，需要借助大数据等现代信息科学技术进行系统研究。其涉及的关键科学问题主要有煤工尘肺细胞、蛋白和代谢等多组态样本群库构建，多组态样本群大数据融合分析模型及软件开发，组织病变特异性敏感标志物判识，组织病变的主控因素及其作用机制等。
(5)煤矿从业人员职业生命全周期全过程职业安全健康防护。
煤矿从业人员“上岗前、在岗(转岗)时、离岗后”的职业生命全周期以及煤工尘肺“早期、中期、晚期”全过程的检查、评估等对维护煤矿从业人员职业安全健康至关重要。煤矿从业人员职业生命全周期全过程职业安全健康防护涉及的关键科学问题包括煤矿粉尘精准防控技术装备，基于大样本数据的职业安全健康风险评估方法，煤工尘肺无创快速筛查、精确诊断与治疗方法和技术，煤矿从业人员健康促进、职业医学与健康护理生命全周期健康防护装备等。
(6)煤矿职业安全健康智能预警。
煤矿职业危害风险超前评估及准确预警是实现煤矿职业安全健康新构想的重要前提。其涉及的关键科学问题包括煤矿作业环境粉尘研判分级，煤工尘肺智能预警指标体系建立，基于大数据、云计算和物联网等个体接尘预警模型与系统平台等。
4 煤矿粉尘防控与职业安全健康主要研究方向
4.1 煤矿粉尘产尘机理与高浓粉尘分源高效防控理论
掌握煤矿粉尘产尘机理是实现粉尘源头治理的基础和前提。将采掘、破碎、装运、转载、打钻、喷浆、爆破等煤矿作业环境统筹考虑，采用“四位一体”科学研究方法，研究多源粉尘产尘机理、粉尘多相多场耦合时空演化机理、多源粉尘综合防控理论体系，为煤矿粉尘分源精准防控技术提供理论指导。
该方向主要包括以下研究内容:
(1)研究不同工况条件下煤矿多源粉尘产尘机理及无尘化开采多相多场耦合演化规律，探寻不同来源粉尘防控新理论。
(2)研制煤矿粉尘防控科学实验仪器，构建大尺度真三维大型物理模拟实验平台，实现粉尘产尘、运移、团聚、沉降等全过程真实模拟。
(3)开发固-液-气多相多场耦合三维数值仿真模拟软件，构建不同工况条件下不同类型粉尘的动力学演化数值仿真模型，对粉尘运移、沉降等进行真实反演。
(4)基于生产现场实测、实验室微观测试、大型物理模拟实验、三维数值仿真模拟研究，揭示不同粉尘防控方法的作用机制、影响因素等，构建不同工况煤矿粉尘高效防控理论体系。
4.2 煤工尘肺多维度多层次生命信息流的发病机理
揭示煤工尘肺发病机理是预防和治疗尘肺病的基础。开展煤工大样本流行病学研究，充分考虑个体差异、接尘环境等因素，评估接尘煤工健康损害程度并进行分级。从多层次、多阶段、多组学的角度研究煤工尘肺的发病机理。
该方向主要包括以下研究内容：
(1)建立煤工接尘大样本队列，基于暴露组学分析煤工接触粉尘的危害程度及分级，评估可能出现的健康风险，构建煤矿不同作业岗位的健康风险评价模型。
(2)明确煤工尘肺早期体内慢性炎症环境、代谢功能紊乱的生物特征，深入研究煤工尘肺始发阶段的关键节点。
(3)运用基因、蛋白、代谢和细胞等多组学方法，整合多层面信息，分析煤工尘肺生命信息流的传递和表象呈现过程，系统研究煤工尘肺的发病机理。
4.3 煤矿无尘化开采及粉尘精准防控技术与装备
煤矿无尘化开采及粉尘精准防控技术与装备是实现煤矿粉尘源头治理、无尘化作业的核心保障。重点围绕粉尘源头无尘化开采、采掘重点尘源精准防控，研发高效、智能、精准防控技术装备，构建煤炭无尘化开采与高浓粉尘分源精准防控技术体系，实现煤炭无尘化开采与作业环境的无尘化。
该方向主要包括以下研究内容:
(1)研制多源多场信息智能采集与智能融合处理技术装备，开发井下全网络智能通风调控技术，研发煤炭无尘化开采成套技术与装备。
(2)研发采掘区域重点尘源精准控制技术装备，构建不同工况粉尘分源精准防控技术体系，实现煤矿多源粉尘“无尘化作业、全空间控制”。
4.4 煤工尘肺智能判识与精准诊疗技术装备
煤工尘肺智能判识与精准诊疗是实现尘肺病早期预防和救治的重要保障。重点围绕筛查煤工尘肺的易感基因和生化指标，判识煤工尘肺损伤进程的不同阶段，开发煤工尘肺创新性的治疗技术及装备，实现对煤工尘肺的高效预防、无创诊断与精准治疗。
该方向主要包括以下研究内容：
(1)研发煤工尘肺易感基因快速筛查技术。
(2)研发生物医学、化学、物理、大数据等多学科交叉的检测及监测系统，开发针对呼气、尿液、唾液和血液等样本煤工尘肺的精准无创诊断技术及装备。
(3)针对煤工尘肺不同发病阶段的关键环节，研发分子与细胞免疫、干细胞与组织工程、再生医学等不同层次崭新的精准治疗技术及装备。
4.5 煤矿粉尘与职业安全健康智能预警
粉尘持续高精度监测与职业安全健康预警为煤矿粉尘防控及职业安全健康提供了技术支撑。在建立大样本群库的基础上，研发个体接尘持续高精度监测、智能传感传输技术装备等，构建煤矿职业安全健康预警大数据平台，实现煤矿职业安全健康智能预警。
该方向主要包括以下研究内容:
(1)构建煤工尘肺患者基因组、蛋白组、细胞组、生物标记物、接尘环境等大样本群库。
(2)研发高精度、宽量程和高灵敏度的便携式个体接尘智能监测技术装备。
(3)建立高可靠性、动态可扩展的煤矿职业安全健康动静态数据网络传输架构。
(4)构建煤矿职业安全健康预警信息大数据中心，建立煤工尘肺预警指标体系与预警模型，建设基于云技术的预警系统平台。
5 展 望
煤矿职业安全健康科学构想对实现煤矿无害化作业和保障煤矿从业人员生命全周期职业安全健康意义重大。依靠煤炭精准开采、精准医疗、大数据等科技进步，煤炭无尘化开采与职业病精准诊疗任重而道远。我国应加强理工医交叉融合协同创新与科研平台建设，深入开展基础研究工作，研发适合我国煤矿生产实际的成套技术与装备。重视示范工程建设和成果转化，加大政策支持力度和标准体系完善，构建煤矿粉尘防控及职业安全健康长效机制。
建议政府主管部门和煤炭行业高度重视职业安全健康科技创新，以理工医融合协同创新引领职业安全健康科技未来发展，力争2035年煤矿粉尘等职业危害防控与职业安全健康领域取得阶段性突破，2050年基本杜绝煤矿粉尘等对从业人员的健康危害，做到煤矿职业病少发病或零发病，实现煤矿从业人员职业生命全周期职业安全健康，以煤矿职业安全健康助力健康中国发展。
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