0.   引言

人民健康是民族昌盛和国家富强的重要指标。党的二十大报告将“健康中国”^[1-2]作为我国2035年发展总体目标的一个重要方面，提出“把保障人民健康放在优先发展的战略位置”。随着《“健康中国2030”规划纲要》《“十四五”国民健康规划》《职业病防治法》《国家职业病防治规划》等一系列政策、法规^[3]的出台，“大卫生、大健康”的观念也随之树立，即把“以治病为中心”转变为“以人民健康为中心”，把“大健康”嵌入创新、协调、绿色、开放、共享新发展理念的有机版图。

我国煤矿资源丰富，开采量大，也是世界上最主要的煤炭生产和消费国，2050年以前煤炭仍是我国主要能源。近年来，我国煤矿综合采掘机械化水平大幅提高，煤炭安全高效开采达到了世界领先水平。但在煤炭开采和运输过程中产生的生产性粉尘，以及高温、高湿、噪声、职业毒物等健康危害因素并存的煤矿职业安全健康问题仍然严重威胁着我国200多万煤矿工人。我国生产性粉尘所致的尘肺病仍然占职业病的主导地位，根据国家卫生健康委公开数据，截至2021年底，我国累计报告职业病102.65万例，其中，职业性尘肺病91.55万例，约占90%。我国每年煤工尘肺病例数呈波动增大趋势，且每年煤工尘肺病例基本占总职业病例的40%以上。近年来，因尘肺病导致的死亡人数超过煤矿安全生产事故死亡人数数倍，煤矿粉尘已成为危害安全生产和矿工健康的“头号杀手”。井下空气质量关乎着职工的身体健康，也关乎着煤炭行业的绿色健康发展，切实有效降低职业病发病概率，对职业病防治具有重要意义。开展煤尘、尾气治理防控技术及装备、新型个体防护、井下空气质量监控技术及装备的研发，对井下空气质量进行评价、预测，根据个体有害物质接触情况进行个体健康预警等是当前亟需解决的技术难题^[4-5]。

1.   井下空气质量革命理念

井下空气质量革命就是要打造一种全新的矿井空气治理模式，让全国煤炭行业几百万从业人员呼吸到新鲜空气，从源头治理，全面提高井下空气质量，改善煤工作业环境，保障煤矿从业人员的职业安全健康。当下井下空气质量革命建设陷入困局的根本原因在于缺乏科学的理论指导和关键技术装备的支撑，目前的主要研究方向在于突破煤矿井下空气净化的理论瓶颈，研发出空气净化关键技术装备，建立一套煤矿职业健康危害预警保障体系，实现理论和技术的“双突破”，进而推动井下空气质量和职工工作环境发生革命性转变，彻底扭转原有矿井空气治理建设的颓势，保障煤矿从业人员职业生命全周期职业安全健康，实现“让每一位煤矿工人在井下呼吸新鲜空气”的最终目标。

2.   井下空气质量革命技术现状

煤矿井下环境复杂，采掘过程产生的粉尘与井下燃油车辆排放的尾气等毒害物质的污染问题一直很尖锐，严重影响井下煤工的职业健康水平。目前，针对井下粉尘与尾气污染，国内外形成了注水减尘、通风除尘、喷雾降尘、化学除尘、泡沫除尘、水洗法尾气净化、干洗法尾气净化等井下污染物治理技术手段^[6-8]，但仍处于技术单一应用难以形成联动合力，未形成专门针对空气质量治理的完整系统，无法全面有效改善井下空气质量；在井下监测设备方面，我国各煤矿均安装了以安全生产为目的、种类较为齐全的监测监控系统，但监测参数种类、参数监测精度、软件功能均难以满足井下空气质量监测的需求。

2.1   井下控降尘技术

煤矿井下生产作业时，采掘空间全尘可达600～5 000 mg/m³，呼尘可达250～5 000 mg/m³，随着行业对尘肺病的重视程度不断提升，粉尘防控技术得到了长远发展。

2.1.1   煤层注水减尘技术

通过钻孔注水技术^[9-10]措施将水注入待采煤层中形成富水煤层（图1），截割富水煤层时，由于煤层湿润，富水煤体强度降低，塑性增强，煤层被截割时从脆性破碎转变为塑性变形，煤尘粘结成较大的煤尘颗粒，在避免粉尘产生的同时也减少了扬尘。采用“注−裂−渗−润”的注水增裂增渗的方法，煤体在动态水压作用下产生裂隙并不断扩大形成裂隙网络湿润煤体，从而形成富水煤层，有效降低截割煤层时的产尘量，为后续粉尘治理措施打下基础。

图  1  煤层注水^[9]

Figure  1.  Coal seam water infusion^[9]

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2.1.2   喷雾降尘技术

各国学者基于大量理论分析及现场试验^[11-14]，针对矿井喷雾降尘技术做了大量研究，取得了显著进步。喷雾降尘技术分为声波雾化降尘技术、磁化水降尘技术、电荷喷雾降尘技术、泡沫降尘技术、高压喷雾降尘技术等，利用上述技术对采煤工作面、掘进工作面形成立体喷雾包围，如图2、图3所示，实现在产尘源形成局部封闭雾化控尘区域，有效降低截割煤体时的产尘量，降低粉尘运移至人员活动区域的逸散量。

图  2  采煤工作面粉尘综合防控系统^[8]

1—支架封闭控尘装置；2—机载除尘装置；3—远射程气水喷雾装置；4—负压除尘微雾净化装置。

Figure  2.  Dust integrated control system in coal working face^[8]

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图  3  掘进工作面喷雾降尘系统^[14]

Figure  3.  Spray dust removal system in heading face^[14]

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2.1.3   通风排尘技术

为防止工作面含尘风流向外逸散，国内外学者提出利用通风技术控制粉尘的扩散^[15-19]。当下长压短抽通风排尘技术的广泛利用大大降低了巷道内粉尘浓度，其主要利用局部通风机、除尘风机、附壁风筒与除尘器等设备形成一套控降尘系统（图4）。当截割产尘后，局部通风机将气流经压入式风筒压入掘进工作面，通过附壁风筒产生一道风幕将含尘风流控制于掘进机机头处，除尘风机将含尘气流吸入除尘器中进行过滤，最终将粉尘沉降并排出净化后的空气，大大降低了掘进巷道内的粉尘浓度。

图  4  长压短抽通风排尘系统

Figure  4.  Long-pressure short-suction ventilation dust removal system

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2.1.4   化学试剂抑尘技术

国内外学者针对井工开采过程中的综采、移架、综掘、连采等工艺产生的粉尘，研发了以润湿为主、粘结为辅的复合抑尘剂^[20-21]，通过接入井下喷雾系统与雾滴颗粒相融，实现对粉尘的有效润湿与捕集。与国内相比，国外更注重新材料的研发和资源的高效利用，利用炼油厂废料作为润湿剂抑制采石场粉尘的产生，该研究成功将工业废料用在粉尘防治领域，但炼油废料中含有的烃类化合物可能会对生物体产生一些影响。一方面，目前对现有抑尘剂的复配研究仍是主流方法，研究结论相似且无明显突破；另一方面，针对润湿型抑尘剂的研发现已取得了一定成果，但未考虑成本和副作用。

2.1.5   井下空气质量革命控降尘体系

随着各项防控尘技术的发展，国内学者结合“分源−分区−分级−分策”粉尘治理新理念与“主源主治，逢源必治”粉尘治理新方法，研发“控−除−阻−捕−降”粉尘净化装备与“产尘、运移、优化”粉尘产生与分布新系统，形成了一套井下全生产链粉尘高效“控−除−阻−捕−降”净化设备体系。

结合减尘（煤层预先注水从源头减尘）、排尘（压抽通风设计排除粉尘）、降尘（湿式气水两相喷雾降尘）、抑尘（化学试剂覆盖尘源抑制产尘）、除尘（干式与湿式除尘器高效除尘）、捕尘（金属捕尘网水幕捕尘）、阻尘（个体防护阻尘）等防尘技术研发井下全生产链粉尘高效净化装备，分析采掘工作面截割区域、行人区域、转载点区域与回风巷的粉尘浓度分布特征，研发新型喷雾系统、通风系统、负压卷吸系统、个体防护装备与化学试剂，将粉尘控制在采掘截割区域，阻止粉尘逸散至行人区域，并将粉尘控除，再经通风、口罩等方式避免作业人员接触逸出粉尘，最终实现井下全生产链粉尘高效“控−除−阻−捕−降”净化设备体系（图5、图6）。

图  5  采煤区域粉尘高效净化设备体系

Figure  5.  High efficiency dust purification equipment system in coal working area

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图  6  掘进区域粉尘高效净化设备体系

Figure  6.  High efficiency dust purification equipment system in heading area

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2.2   燃油车辆尾气治理

燃油车辆尾气中含有一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NO_x）及颗粒物（PM）等有害物质，而煤矿井下空间狭小、环境封闭且通风不畅，污染物无法及时稀释排出，极大危害井下作业人员生命健康。

2.2.1   尾气净化技术

尾气净化措施分为机前净化、机内净化和机外净化，其中机外净化是现阶段解决燃油车辆尾气污染问题的主要手段。

机外净化分为水洗法和氧化−催化法(干洗法)。水洗法是当下应用最为广泛的尾气净化方法，即将防爆燃油车辆高温尾气通入装有冷却水的水洗箱中进行消焰降温、降低烟尘。高温尾气通入水洗箱中，在降温的同时水洗箱的防爆格栅可以拦截部分碳烟颗粒和可溶性气体，从而起到一定的净化效果，但实际应用来看水洗法存在净化能力差、排气阻力大等缺点。氧化−催化法主要原理是采用铂、金等贵金属催化剂^[22-23]，在一定温度下促使废气发生氧化作用，理论上能将80%～90%的CO和50%的HC净化。但该方法应用较少，其难以推广应用的主要原因：贵金属催化剂成本高；要充分发挥贵金属催化剂的催化作用需要较高的尾气温度，与防爆燃油车辆对尾气温度严格控制的要求相矛盾。

2.2.2   井下尾气分级防控体系

单纯依靠尾气净化技术无法从根本上解决井下燃油车辆尾气污染问题，要融合新理论、新方法、新技术与新设备才能彻底解决井下尾气污染问题，提出建设新能源车替代、尾气源头净化、矿区平衡调度的分级防控体系，将尾气净化、排气优化、尾气检测、车辆调度与车辆升级等技术方案有机结合，以直接与间接方式降低井下燃油车辆尾气的排放量，整体提高井下环境空气质量，切实解决井下尾气难以治理的实际困难，在保证车辆运力足够的同时最大限度地降低尾气对井下作业人员生命健康的危害。当下在新能源车与尾气治理等方向已形成研发经验，但基于尾气治理的矿井燃油车排放量和最优运行条件预测系统（图7）及配套的监控设备研发仍在起步阶段。

图  7  矿井燃油车排放量和最优运行条件预测系统

Figure  7.  Prediction system of mine fuel vehicle emission and optimal operating conditions

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2.3   井下空气质量监测预警系统

2.3.1   井下空气质量监测系统

地面空气环境监测系统已日臻成熟，煤矿井下巷道空间狭小、巷道交错、电力线路复杂、凿岩铲运等作业同时进行、空气环境潮湿多尘，使得地面广泛使用的空气质量监测技术在井下环境使用受到限制。国内井下监测系统^[24-25]主要存在3个特征：① 监测以安全生产为目的，不适用于井下空气质量。② 系统设备较为单一，无法对井下污染物构成参数覆盖。③ 系统缺少空气质量评价和预警等功能。

2.3.2   井下空气质量评价与预警系统

在井下空气质量评价与预警领域，目前仍处于起步阶段，结合层次分析法、模糊综合评价法^[26-27]与智能预警算法，实现井下空气质量综合评价及智能预测。依据相关法律法规，从环境空气质量参数、行业标准、评价方法等方面出发，结合煤矿实际情况，确定井下空气主要污染物，制定井下空气质量评价方法、标准与分级策略及对应防治措施。构建井下空气质量预测模型，对井下作业区域未来短期、长期的空气质量进行预报预警，对井下作业进行分级，明确劳动者每日作业强度的级别，分析是否存在危害，建立通气障碍、听力损伤、动脉阻塞医学预测回归模型，用于反映职业病危害因素对劳动者长期累积的健康危害，达到长期健康预警功能，最终建成井下空气质量在线监测与智能预警平台（图8）。

图  8  井下空气质量在线监测与智能预警平台

Figure  8.  Underground air quality online monitoring and intelligent early warning platform

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3.   井下空气质量革命技术展望

目前，我国井下空气质量革命工作仍处于起步阶段，面临理工医管交叉融合不足、基础研究薄弱、关键技术装备缺乏，以及监管和服务能力不足、政策标准亟待更新等挑战。以大数据、云技术、人工智能、5G技术和物联网等高新信息技术^[28]为支撑，遵循现场实测、实验室实验、物理模拟、数值计算“四位一体”科学研究方法，将煤矿井下控尘抑尘与燃油车辆尾气治理视为重点，围绕井下职业危害因素，从理论创新、技术装备革新出发提出井下空气质量革命未来发展方向。

3.1   理论创新

掌握煤矿粉尘多源多相多场耦合动态产运机理是实现协同降尘的理论基础，充分考虑煤矿作业环境，采用“四位一体”科学研究方法，遵循“分源−分级−分区−分策”的粉尘治理理念，剖析现有降尘技术的优势利用场景，开展粉尘来源、粉尘运移特性、粉尘润湿特性、压抽混合强气流扰动下粉尘产运的时空演化特征等方向的基础研究工作，构建多源多相多场粉尘协同降尘与综合治理的理论体系，为井下无尘化开采与粉尘精准防控提供理论指导。

3.2   技术装备革新

3.2.1   采掘区域粉尘高效智能防控技术及装备

粉尘高效智能防控是井下降尘手段的高级阶段，目前井下空气质量革命仍处于起步阶段，采掘区域全生产链粉尘高效防控设备已取得了较好的应用效果，然而受井下产尘源复杂多变、粉尘运移规律难以掌握等因素制约，井下采掘区域高效降尘仍然面临瓶颈，还需要足够深入的研究来解决。为实现井下采掘区域粉尘高效智能防控，还需在以下关键技术方面取得突破：① 采掘工作面产尘区域的监测及精准防控技术；② 不同开采条件下产尘特性及精准控制技术；③ 产尘区域干雾除尘智能控制技术及装备。

3.2.2   矿井粉尘环境多参量同步智能监测技术及装备

煤工接尘情况与环境粉尘在线高精度监测为粉尘分源精准防控与煤工接尘水平超标预警提供技术支撑。研发高精度粉尘监测传感器^[29]、便携式个体接尘智能监测设备^[30]，对生产区域中的个体接尘数据与环境粉尘信息进行在线监测；建立复杂产尘环境多源融合分析技术，将“人−环”参数融合分析^[31]；研究矿井环境分布式时空监测预警技术，对生产区域的粉尘进行分布式监测，在时空层面对粉尘分布及运移规律进行描述，最终实现监测预警。

3.3   井下空气质量革命发展目标

依靠煤炭精准开采、智慧医疗、大数据和5G技术等理论与新兴技术在煤矿粉尘等职业危害防控领域取得全面突破，实现井下无害化生产，重点围绕产尘机理、煤矿无尘化开采、粉尘及职业健康智能预警领域充分融合理工医管各类学科，协同创新引领井下空气质量净化未来发展。井下空气质量革命发展目标如图9所示。力争在2035年实现井下空气质量革命第一阶段目标，即煤工作业环境粉尘浓度大幅度下降，毒害物质大幅度减少，煤工尘肺病发病率降低40%以上；到21世纪中叶，实现井下空气100%降尘率，配合智能化无人开采技术与装备，从根本上杜绝煤矿粉尘等毒害因素对煤工职业健康的危害，做到全国范围内煤矿职业病少发病或零发病。

图  9  井下空气质量革命发展目标

Figure  9.  The development goals of underground air quality revolution

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4.   结语

井下空气质量革命研究工作迫在眉睫，目前相关研究均处于起步阶段，党和国家领导人高度重视人民生命健康和职业病危害防治工作，为新时代全面推进井下空气质量革命指明了发展方向，然而当下仍面临基础研究薄弱、关键技术及装备缺乏等实际困难。目前，井下空气质量革命所取得的一系列技术与装备已取得显著效果，但井下无害化作业体系建设仍然存在许多问题亟待解决，现有理论体系并不完善，相关的技术装备不具备普适性，全面推广应用仍然存在阻力。未来应在煤矿安全与职业病危害监察一体化、理工医管交叉融合、强化科技成果转化应用实效等方面推进，完善理论体系，支持相关科技仪器设备、高端医疗设备研发，提升国产化替代水平与应用规模，通过建成一系列煤矿空气质量革命示范矿井，实现全行业职业病少发病、零发病的最终目标。