煤礦深部開采領域研究現(xiàn)狀可視化分析

曾靜偉景國勛朱崎峰

1.河南理工大學安全科學與工程學院,河南焦作 454003;2.安陽工學院,河南安陽 455099;3.河南理工大學機械與動力工程學院,河南焦作 454003

1999年,李化敏等[1]根據(jù)我國煤礦的平均采深及國外經(jīng)驗,運用隸屬函數(shù)確定了深井的起始值下限深度參數(shù),建立了地壓型深井和深熱礦井的判別式深井概念。2004年,何滿潮[2]提出了絕對深度和相對深度的概念。2015年,謝和平等[3]提出了亞臨界深度、臨界深度、超臨界深度等概念和定義,用于判斷煤礦是否進入深部開采并給出量化指標。

隨著煤礦開采深度的日益增加,地質(zhì)條件越來越復雜,地應力越來越大[4],重大災害發(fā)生的機會呈增長的態(tài)勢。深部開采的軟巖多、地溫高,巖體破裂程度與涌水加劇,致災過程更加復雜,作業(yè)環(huán)境惡化[5-10],大量學者的研究重心轉移到圍巖穩(wěn)定性[11-12]、沖擊地壓發(fā)生機理[13]等致災機理的研究。

2001年,謝和平等[14]初步分析了深部開采誘發(fā)的工程災害的作用機理和發(fā)展特征;2006年,又系統(tǒng)總結了深部巖體力學性質(zhì)、深部開采地質(zhì)保障系統(tǒng)、深部工程災害機理與防治、深部資源開采方法等[15];何滿潮等[16]對深部高應力復合破碎頂板切頂留巷關鍵參數(shù)進行了深入研究;李春元[17]研究了深部強擾動底板裂隙巖體破裂機理及模型。

隨著淺部礦物資源逐漸的枯竭,資源開發(fā)不斷走向地球深部,千米深井的深部資源開采逐漸成為資源開發(fā)新常態(tài),我國礦產(chǎn)資源開發(fā)將全面進入1 000～2 000 m 深部[18]。深部開采的技術研發(fā)[19]及開采理論引起了國內(nèi)外學者的極大關注。Xie 等[20]提出了深部地下固體礦產(chǎn)流態(tài)化開采的理論與技術構想;Fairhurst[21]闡述了全球深部開采的現(xiàn)狀,介紹一些最新技術成果和機遇,首次提出了建立多學科的礦業(yè)研發(fā)團隊是迎接21世紀深部開采的合理途徑;謝和平等[22]以煤炭技術變革為導向、以解決2 000 m 以深煤炭資源開發(fā)的瓶頸難題為目標,系統(tǒng)闡述了煤炭深部原位開采的科學技術構想。

為了保證煤礦深部開采的安全生產(chǎn),研究的重心轉移到監(jiān)測系統(tǒng)及技術的研究[23-30]以及災害防治的研究。王曉磊[31]研究了開采深部煤層時水害檢測方法;李長洪等[32]凝練出深部開采誘發(fā)災害亟待解決的關鍵問題,分析了超深開采災害研究態(tài)勢;Chen 等[33]研究了我國千米深礦井典型動力災害現(xiàn)狀及防治對策,研究表明,在千米深的礦井中,煤與瓦斯突出礦井的比例為29.79%,巖爆礦井的比例為53.2% ;深部典型動力災害較為嚴重,尤其是受沖擊礦壓影響的礦山數(shù)量將比淺埋礦山數(shù)量大幅度增加。

深井熱害防治不僅關系礦工健康和安全,也密切關系井下安全開采。深井熱害防治的研究工作也取得了一些成果。王文、董華等[34-35]對深井熱害的產(chǎn)生原因、危害以及防治措施進行了研究,并提出一系列的防治措施。關于深井熱害降溫技術的研究,馬坡[36]研究了深井通風降溫技術、噴漿封閉圍巖降溫技術、煤體預注水降溫技術等經(jīng)濟實用的降溫技術;相飛等[37]闡述了WAT 集中制冷降溫系統(tǒng)工作原理,并在王樓煤礦七采區(qū)27302 工作面進行現(xiàn)場試驗,制冷效果明顯;鄧紅衛(wèi)等[38]設計研發(fā)了成本低廉、綠色環(huán)保的圍巖隔熱材料;Ng?等[39]開展了深部和超深部采礦冷卻背心工效學標準的驗證。

綜上所述,國內(nèi)外學者的重要研究成果為煤礦深部開采的研究奠定了理論基礎。本文采用Citespace 軟件對國內(nèi)外煤礦深部開采領域相關文獻進行可視化分析,系統(tǒng)分析煤礦深部開采的研究現(xiàn)狀、研究熱點及學科發(fā)展演化規(guī)律,預測未來的熱點研究方向,為我國煤炭深部開采的研究提供重要參考。

1 數(shù)據(jù)來源及研究方法

本文的文獻樣本來源為Web of Science 核心數(shù)據(jù)庫,主題詞為“coal mine”,之后分別以“deep mining”、“deep mine”、“deep coal mining”、“depth mining”等關鍵詞對檢索到的文獻進行篩選,剔除非學術期刊、無效文獻和重復文獻,共得到2 916篇有效文獻。樣本時間區(qū)間為2003—2021年。

采用CiteSpace 知識圖譜繪制軟件對樣本進行可視化分析。該軟件由美國德克賽爾大學信息科學與技術學院的陳超美博士研發(fā),用于追蹤研究領域熱點和發(fā)展趨勢,了解研究領域的發(fā)展前沿及演化關鍵路徑、重要的文獻、作者及機構分布[40]。CiteSpace 依據(jù)網(wǎng)絡結構和聚類的清晰度,提供了模塊值(簡稱Q值)和平均輪廓值(簡稱S值)。一般而言,Q值大于0.3 時,認為所劃分的社團結構是顯著的;S值大于0.5 時,一般認為聚類是合理的,當S值大于0.7 時,認為聚類是高效率令人信服的[41]。

2 結果與分析

2.1 發(fā)文量

煤礦深部開采研究的發(fā)文量隨年份變化如圖1所示?？傮w發(fā)文量基本上呈現(xiàn)逐年增加的趨勢,其中2016—2020年增速較快,尤其是2019—2020年間增加了125 篇。

圖1 2003—2021年發(fā)文量Fig.1 Number of papers issued from 2003 to 2021

2.2 研究機構

研究機構分布是衡量機構研究能力的重要指標,研究機構的發(fā)文情況有助于明確本領域的科研力量分布和各機構間的合作現(xiàn)狀,獲得關于隱性知識“載體”的信息[42]。煤礦深部開采研究主要機構分布的共現(xiàn)圖譜如圖2所示,發(fā)文量排名前10的科研機構及發(fā)文情況見表1。

表1 排名前10 的機構發(fā)文情況Table 1 The specific papers issued of the top 10 institutions

圖2至圖7共現(xiàn)圖譜中的圓形節(jié)點代表研究的節(jié)點類型,節(jié)點之間的連線表示節(jié)點類型之間的合作關系,圖中字體的大小代表共現(xiàn)次數(shù)的多少。

圖2 機構分布共現(xiàn)圖譜Fig.2 Institutional distribution co-occurrence map

由圖2和表1可知,從發(fā)文量上看,中國礦業(yè)大學最多,其次是山東科技大學;中國礦業(yè)大學(北京)、山東科技大學、重慶大學和中國地質(zhì)大學的研究工作開展的較早。目前,大量研究機構在煤礦深部開采領域開展了相關的研究工作,主要機構多集中在中國的高校且高校之間合作密切。

2.3 作者

作者共現(xiàn)圖譜如圖3所示。發(fā)文量排名前10的作者及其發(fā)文情況見表2。

圖3 作者共現(xiàn)圖譜Fig.3 Author co-occurrence map

表2 排名前10 的作者的發(fā)文情況Table 2 The specific papers issued of the top 10 authors

由圖3和表2可知,論文作者多為中國人;發(fā)文量較大的作者之間有比較密切的合作關系,且形成了比較穩(wěn)固的研究團隊。從發(fā)文時間看,發(fā)文最早的是2012年,最晚的是2018年。分析表明,高水平論文的發(fā)表,離不開穩(wěn)定研究團隊的依托,未來應多鼓勵作者間的相互合作,建立相對穩(wěn)固的研究團隊,促進煤炭行業(yè)的發(fā)展。

2.4 國家

煤礦深部開采國家分布的共現(xiàn)圖譜如圖4所示,排名前10 的國家的發(fā)文情況列于表3。

圖4 國家分布的共現(xiàn)圖譜Fig.4 Co-occurrence map of country distribution

由圖4和表3可知,中國和美國開展該領域研究的時間較早,其次是澳大利亞。中國的發(fā)文量最高,其次是美國和澳大利亞,排名前三的國家的發(fā)文量占總數(shù)據(jù)樣本的83%。中國對煤礦深部開采研究的關注度最高。

表3 排名前10 的國家的發(fā)文情況Table 3 The specific papers issued of the top 10 countries

2.5 文獻引用

煤礦深部開采研究文獻引用的共現(xiàn)圖譜如圖5所示。文獻引用頻次排名前10 的文獻列于表4。

圖5 引用情況共現(xiàn)圖譜Fig.5 Co-occurrence map of citation situation

表4 引用頻次前10 的引用數(shù)據(jù)Table 4 The specific papers issued of the top 10 citations

由圖5和表4可知,從單篇文章的引用情況來看,楊圣奇、謝和平和康紅普的論文引用頻次較高,共現(xiàn)頻次大;康紅普和謝和平的最早發(fā)文時間早于楊圣奇的最早發(fā)文時間。高倍引論文的發(fā)文時間集中在2014—2018年。

煤礦深部開采領域高倍引文獻的研究內(nèi)容主要是:Yang 等[43]以中國甘肅省新安煤礦的巖體為例,采用通用離散元程序(UDEC)建立數(shù)值模型,對深部軟巖巷道破壞機理和穩(wěn)定性控制技術進行研究,提出了一種新的“錨-索-網(wǎng)-噴+殼”聯(lián)合支護方案來支護通風巷道。謝和平等[44]從深部開采中的巖石力學問題出發(fā),對深部巖體力學的一些共性的概念性和基礎性的問題進行了探討,提出了CT 技術、3D 打印技術和分形重構方法及應力凍結技術相結合的深部巖體力學的可視化研究手段,再現(xiàn)深部巖體在開發(fā)擾動下應力變化、裂隙演化、體積破裂、塑性失穩(wěn)以及微觀滲流等的力學行為和過程。Kang 等[45]以中國平莊礦區(qū)紅廟煤礦為研究對象,采用離散元模擬和現(xiàn)場試驗的方法,對深部開采條件下的軟巖巷道支護進行研究,提出了改進的錨桿系統(tǒng),成功地抑制了尾門的開裂和膨脹。Lu 等[46]利用相關分析技術,研究了頂板強烈破裂崩落與靜態(tài)高應力集中相結合引發(fā)的災害性巖爆的變化規(guī)律,證實了巖爆預警必須采用MS、EME、聲發(fā)射、鉆孔應力監(jiān)測等綜合方法。Tan 等[47]首次提出了協(xié)調(diào)柔性堅硬頂板下沿空留巷擋墻力學模型,研究了堅硬頂板快速下沉時沿空留巷擋墻的穩(wěn)定性,該模型僅在薄煤層上進行了試驗,對于中厚煤層或厚煤層還需要進一步研究。Wang Q等[48]以梁家煤礦為工程背景,對深部軟巖巷道圍巖控制進行了研究,確定了軟巖深部巷道的破壞機理和控制機理,提出了“高強度、完整性和泄壓”的概念,開發(fā)了約束混凝土(CC)支撐系統(tǒng),并驗證了該系統(tǒng)的有效性。Shen[49]對山西省某地下煤礦巷道穩(wěn)定性進行了研究,提出了一種新的巷道支護設計,監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,試驗路段的巷道變形比先前路段減少40%～50%。Huang 等[50]研制了一種新型的加固支護結構和鋼管混凝土支護,并應用到中國華峰煤礦1 200 m 深巷道的現(xiàn)場,巷道的大規(guī)模變形(先前超過1 000 mm)減小到30 mm 以下。該研究成果已成功應用到20 多個深井中。Yuan[51]對深部開采條件下淮南煤礦煤與瓦斯突出的風險進行研究,并提出防治煤與瓦斯突出的相關策略。Zhao 等[52]以靖西煤田大鞍山煤礦10 號煤層4 號工作面發(fā)生的嚴重巖爆事故為案例,討論了巖爆機理的證據(jù)和可能的解釋,建立了詳細的巖爆機理分類體系,提供了一些控制或緩解不同類型巖爆的指南。

綜上所述,高倍引文獻的研究重點主要集中在深部軟巖巷道破壞機理及其支護系統(tǒng)、深部開采的共性問題、巖體力學、巖爆、煤與瓦斯突出等問題,涉及巖體力學、安全、機械、材料、地質(zhì)等相關技術,且文獻之間存在相互引用的密切關系。

2.6 研究熱點發(fā)展演化規(guī)律

2003—2021 年煤礦深部開采領域關鍵詞的共現(xiàn)圖譜如圖6所示,排名前5 的關鍵詞列于表5。

圖6 關鍵詞共現(xiàn)圖譜Fig.6 Key words co-occurrence map

對2003—2021年的文獻數(shù)據(jù)進行分段分析,由圖6和表5可知:

表5 各時間段頻次排名前5 位的關鍵詞Table 5 Top 5 keywords in each time period

2003—2007年,關鍵詞主要集中在模型(model)、長臂開采(longwall mining)、煤層氣(coalbed methane)、碳(carbon)、覆蓋(cover)等,該階段的研究內(nèi)容主要圍繞長臂開采和煤層氣,數(shù)學模型是主要的研究方法。模型(model)的共現(xiàn)次數(shù)較多,主題之間聯(lián)系密切;其他熱點關鍵詞大多為概述性統(tǒng)稱,文獻中不會反復出現(xiàn),因此,共現(xiàn)次數(shù)少。

2008—2012年,關鍵詞主要集中在預測(prediction)、模型(model)、煤層氣(coalbed methane)、巖爆(rock burst)、煙煤(bituminous coal)等,該階段的研究內(nèi)容主要圍繞預測、煤層氣、巖爆和煙煤,數(shù)學模型一直是主要的研究方法;預測(prediction)、模型(model)、煙煤(bituminous coal)的共現(xiàn)次數(shù)較大,說明主題間的聯(lián)系密切;煤層氣(coalbed methane)和巖爆(rock burst)的共現(xiàn)次數(shù)少,主要是因為這兩個詞為概述性統(tǒng)稱。

2013—2017年,關鍵詞主要集中在模型(model)、巖石(rock)、甲烷(methane)、應力(stress)、數(shù)值模擬(numerical simulation)等,該階段研究主要圍繞巖石力學、甲烷、深部應力等開展研究,數(shù)學模型依然是最主要的研究方法,數(shù)值模擬成為主要的研究工具;主要關鍵詞的共現(xiàn)次數(shù)較多,相關主題間的聯(lián)系比較密切。

2018—2021年,關鍵詞主要集中在模型(model)、數(shù)值模擬(numerical simulation)、機制(mechanism)、巖石(rock)、行為(behavior)等,建立模型仍是研究的熱點,數(shù)值模擬的熱度提升,該階段主要開展深部開采的系統(tǒng)性研究,研究內(nèi)容主要圍繞機制、巖石力學和行為,研究深度進一步加深,研究成果更加豐富。模型(model)、數(shù)值模擬(numerical simulation)的共現(xiàn)次數(shù)相對較少,主要因為該階段研究成果多,研究不斷加深,對于模型和數(shù)值模擬方法的研究不斷改進和深化,研究更傾向于具體改進方法和具體內(nèi)容的闡述。其他關鍵詞的共現(xiàn)次數(shù)少,主要是因為熱點關鍵詞多為概述性的統(tǒng)稱,且該階段的成果量非常大。

綜上所述,2003—2021年,煤礦深部開采的研究熱點發(fā)生了一定的變化和轉移。隨著時間變化和研究的不斷深入,研究熱點從長臂開采、煤層氣、預測、巖爆、煙煤、甲烷、巖石力學、應力等轉移到深部開采的行為機制等的研究。模型一直是研究熱點,數(shù)值模擬從2014年進入熱點研究行列后,一直是研究的熱點,說明模型和數(shù)值模擬是煤礦深部開采研究的主要方法和工具。可以預見,成熟的模型和更符合實際情況的數(shù)值模擬,將會是未來研究的熱點和難點。

2.7 學科發(fā)展演化規(guī)律

2003—2021年學科的共現(xiàn)圖譜如圖7所示,頻次前5 的學科列于表6。

對2003—2021年的文獻數(shù)據(jù)進行分段分析,由圖7和表6可知:學科間的相互交叉融合隨時間的推移而不斷加深。2003—2007年,學科主要集中在地質(zhì)學(Geology)、工程學(Engineering)、多學科地球科學(Geosciences,Multidisciplinary)、采礦和選礦工程(Mining & Mineral Processing)、環(huán)境與生態(tài)學(Environmental Sciences & Ecology)。2008—2012年,地質(zhì)學(Geology)仍然是文獻量最多的學科,多學科地球科學(Geosciences,Multidisciplinary)熱度提升,工程學(Engineering)和采礦和選礦工程(Mining & Mineral Processing)熱度下降,能源與燃料學(Energy & Fuels)進入熱點行列,深部礦產(chǎn)資源的貯存及轉化成清潔能源的探索研究受到業(yè)界的關注。2013—2017年,工程學(Engineering)熱度上升,成為文獻量最多的學科,地質(zhì)學(Geology) 熱度下降。環(huán)境與生態(tài)學(Environmental Sciences & Ecology)再次成為研究熱點,環(huán)境保護和綠色環(huán)保受到業(yè)界的廣泛關注。2018—2021年,熱點學科與2013—2017年的熱點學科一致,學科演化基本趨于穩(wěn)定。

圖7 學科共現(xiàn)圖譜Fig.7 Co-occurrence map of disciplines

表6 各時間段頻次前5 的學科Table 6 Top 5 disciplines in each time period

綜上所述,2003—2021年學科發(fā)生了一定的變化和轉移。工程學熱度呈現(xiàn)先降低后迅速增高的趨勢;地質(zhì)學和多學科地球科學一直是熱點學科;環(huán)境與生態(tài)學的熱度呈現(xiàn)先降低后增高的趨勢;能源與燃料學從2008年進入熱點學科后,一直處于熱點學科行列,說明環(huán)保、生態(tài)、能源與燃料受到業(yè)界的廣泛關注,將是未來重點的研究方向和領域;采礦和選礦工程學科在變化中逐漸退出熱點學科行列?？梢?穩(wěn)定的熱點學科與其他學科的交叉融合充分,相互之間聯(lián)系密切,且隨著研究的不斷深入,熱點學科之間的相互聯(lián)系與交叉融合將會進一步加深。

3 結 論

本文通過CiteSpace 軟件對2003—2021年煤礦深部開采領域的研究現(xiàn)狀、研究熱點及學科發(fā)展演化規(guī)律進行計量分析和可視化分析,得到以下結論:

(1) 煤礦深部開采領域的研究取得了豐富的成果,發(fā)文總量呈現(xiàn)每年持續(xù)增長趨勢;中國在該領域的研究處于世界先進行列,遠高于第二名的美國;中國礦業(yè)大學、山東科技大學和中國礦業(yè)大學(北京)是該領域主要的科研力量,體現(xiàn)了煤炭類院校扎實的研究基礎和明顯的學科優(yōu)勢。

(2) 張農(nóng)、王凱和王恩元三位作者對該領域的關注度高,文獻發(fā)表量明顯高于其他作者;楊圣奇、謝和平和康紅普三位作者的相關文獻引用率高,高倍引文獻多為工科技術類研究,結合實際案例對技術應用進行建模,開展數(shù)值模擬和試驗驗證,多為工程類實證研究。

(3) 從關鍵詞發(fā)展演化分析看,煤礦深部開采研究領域的關鍵詞主要集中在模型、巖石、數(shù)值模擬、機制和應力等。分析表明,煤礦深部開采領域的研究是以巖石、應力和機制為研究切入點和研究內(nèi)容,模型和數(shù)值模擬是該領域研究的重要工具和方法。

(4) 從學科發(fā)展演化分析看,煤礦深部開采領域的熱點學科主要集中在工程學、地質(zhì)學、多學科地球科學、能源與燃料學、環(huán)境與生態(tài)學等。學科領域的范圍跨度較大,涉及的學科領域眾多,多學科間交叉融合。且隨著科學研究不斷進步,環(huán)境和生態(tài)、能源和燃料受到社會各界的關注,深部能源可持續(xù)發(fā)展將會成為今后及未來的熱點研究方向。