煤矸石綜合利用知識圖譜可視化分析*

羅 暢，劉 萍，賈毅超，王子一，陳 鎮(zhèn)

(貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

0 引言

在煤炭開采、洗選和加工過程中產(chǎn)生的煤矸石約占煤炭產(chǎn)量的10%～30%，目前是我國排放量最大的工業(yè)固體廢棄物之一[1]。煤矸石的排放不僅占用寶貴的土地資源，其中的SiO2、Al2O3等成分還會污染土壤和水資源。開展煤矸石資源綜合利用研究，是解決煤矸石問題最主要的途徑之一?！笆濉币?guī)劃之后，政府相關(guān)部門通過加快“三廢”資源綜合利用基地建設(shè)、減免資源綜合利用的產(chǎn)品稅收或發(fā)放財政補(bǔ)貼以及設(shè)立國家綠色礦山名錄等方式，促進(jìn)煤矸石的綜合利用。2010-2020年，煤矸石綜合利用率從37.0%升至72.2%[2]。目前，煤矸石資源綜合利用的途徑主要為混合發(fā)電、生產(chǎn)建筑及化工材料、充填采空區(qū)、填筑路基和回填塌陷區(qū)等。其中，充填采空區(qū)、填筑路基以及回填塌陷區(qū)等消耗的煤矸石量占總利用量的56%，利用煤矸石在沸騰爐中燃燒供暖或混合發(fā)電的煤矸石量占比在30%左右，用于工業(yè)建筑材料的煤矸石量占比超過11%[3-4]。煤矸石綜合利用已經(jīng)引起產(chǎn)煤國的足夠重視，但現(xiàn)階段對于煤矸石綜合利用的傳統(tǒng)知識研究路徑、研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢還缺乏較為系統(tǒng)的整理。Citespace軟件可以對文獻(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析，繪制一系列可視化圖譜，以展示該研究領(lǐng)域的學(xué)科發(fā)展進(jìn)程、研究熱點、前沿問題。基于此，本文利用Citespace對煤矸石綜合利用領(lǐng)域2005-2021年的文獻(xiàn)進(jìn)行分析研究，以展現(xiàn)近16年來煤矸石綜合利用的發(fā)展現(xiàn)狀。通過分析過去16年煤矸石綜合利用研究的發(fā)文量、發(fā)文作者和關(guān)鍵詞之間的聯(lián)系，探尋研究熱點的演變，揭示近年來的前沿技術(shù)，并據(jù)此對未來的研究方向進(jìn)行預(yù)測，以期為煤矸石綜合利用的創(chuàng)新研究提供借鑒。

1 文獻(xiàn)回顧

我國學(xué)者早在20世紀(jì)中期就對煤矸石的綜合利用開展了初步研究，其中遼寧南票礦務(wù)局[5]對其礦區(qū)的煤矸石成分進(jìn)行了定量、定性分析，得出該礦區(qū)的煤矸石主要礦物成分為高嶺石黏土和鋁質(zhì)黏土，含鋁量高，含鐵量低，可作為高級耐火材料；呂玉文[6]對煤矸石進(jìn)行了詳細(xì)的元素分析，并提出煤矸石在化工、燃料、建筑材料等方面的應(yīng)用途徑以及提取工藝；王長根[7]對煤矸石進(jìn)行了命名與分類，將我國的煤矸石分為5類：洗矸、煤巖矸、巖巷矸、手選矸、剝離矸；楊冠群[8]提出將煤矸石的綜合利用與冶金工業(yè)相結(jié)合，煤矸石中的TiO2可用于含鈦鋁合金的研制和應(yīng)用；楊梅等[9]以煤矸石為主要原料，加入添加劑，經(jīng)過熔制、水淬和晶化熱處理后制備出了CaO-Al2O3-SiO2系微晶玻璃；許家林[10]對煤礦綠色開采的研究及進(jìn)展進(jìn)行了綜述，并對其技術(shù)框架進(jìn)行了系統(tǒng)闡述，其中將矸石充填采空區(qū)、矸石充填作為巷旁支護(hù)等煤矸石的利用作為綠色開采重要的發(fā)展方向之一。

2 數(shù)據(jù)來源

Citespace是美國德雷塞爾大學(xué)的陳超美開發(fā)的文獻(xiàn)可視化分析軟件，其通過將文獻(xiàn)的Keyword、Country、Author等作為節(jié)點進(jìn)行可視化研究，并通過繪制相應(yīng)的圖譜進(jìn)行計量分析，從而得到某領(lǐng)域的學(xué)科現(xiàn)狀、學(xué)科熱點問題以及未來的發(fā)展趨勢等[11-13]。目前，Citespace已被廣泛應(yīng)用于自然科學(xué)和社會科學(xué)的眾多研究領(lǐng)域[14]。因此，本文采用Citespace軟件，以中國知網(wǎng)(CNKI)為文獻(xiàn)檢索來源，對我國2005-2021年期間的“煤矸石綜合利用”相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行檢索、收集及分析，得到930個結(jié)果；最后，通過閱讀930篇文獻(xiàn)資料的標(biāo)題、摘要進(jìn)行相關(guān)性篩選，刪除與煤矸石綜合利用關(guān)聯(lián)性較低的數(shù)據(jù)后共獲得666篇文獻(xiàn)作為研究樣本。

3 煤矸石綜合利用文獻(xiàn)的可視化分析

3.1 發(fā)文量分析

通過發(fā)文量指標(biāo)可以判斷出該研究領(lǐng)域在某個時期的主要研究方向以及相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展深度[15]。為了從整體上把握煤矸石綜合利用研究領(lǐng)域的文獻(xiàn)數(shù)量變化及時序規(guī)律，本文對666篇相關(guān)文獻(xiàn)的時序數(shù)量進(jìn)行了統(tǒng)計(見圖1)。

圖1 2005-2021年國內(nèi)煤矸石綜合利用領(lǐng)域的發(fā)文量

從圖1中可以看出，發(fā)文量變化大致經(jīng)歷了以下3個階段：

a.2005-2008年為增長期，隨著國內(nèi)煤炭產(chǎn)量的逐年增加，矸石量隨之增加，加上煤礦矸石山的歷史遺留問題，導(dǎo)致煤矸石的處理與利用問題日益突出，因此發(fā)文量開始逐漸增加。

b.2009-2018年為高潮期，這是因為國內(nèi)煤炭消費量激增，尤其是2012-2014年期間國內(nèi)煤炭消費量達(dá)到了峰值，煤矸石綜合利用領(lǐng)域的相關(guān)研究進(jìn)入一個小高潮；該階段發(fā)文量最高達(dá)到了65篇，較第一階段有了大幅增加。

c.2019-2021年為一個波動期，發(fā)文量較第二階段有所減少，從近年來的文獻(xiàn)分析得出其主要原因是煤矸石的綜合利用技術(shù)進(jìn)入了瓶頸期。

3.2 發(fā)文作者分析

一個領(lǐng)域的發(fā)展與進(jìn)步離不開大量學(xué)者對其各個方面的深入研究，同時，該領(lǐng)域的發(fā)展與進(jìn)步也會推進(jìn)學(xué)者的知識更新與再創(chuàng)造[16]。使用Citespace對發(fā)文作者之間的關(guān)系進(jìn)行分析，得到的分布圖譜如圖2所示。圖2中，連接作者的線段表示作者間有聯(lián)系，線段粗細(xì)表示作者聯(lián)系的緊密程度。Citespace運行結(jié)果顯示，其中節(jié)點(nodes)=500，連線(links)=359，密度(density)=0.004 9。此運行結(jié)果表示研究學(xué)者合作圖中共有交叉連接節(jié)點500個，連接作者的線段有359條，網(wǎng)絡(luò)密度為0.004 9，該密度非常低。綜上所述，該領(lǐng)域還未探究出穩(wěn)定的中心學(xué)者，該研究領(lǐng)域內(nèi)的學(xué)者關(guān)聯(lián)程度較差，大都獨自發(fā)文，這樣容易導(dǎo)致思維封閉，研究思路受限。因此，在未來的煤矸石綜合利用研究中，眾研究者應(yīng)加強(qiáng)聯(lián)系與合作，探索更多的煤矸石利用新途徑，共同推動該領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。

圖2 煤矸石綜合利用發(fā)文作者分布圖譜

通過在中國知網(wǎng)(CNKI)檢索，共整理出11位研究成果不少于5篇的學(xué)者(見表1)。其中，夏舉佩和關(guān)虓為該領(lǐng)域的主力發(fā)文作者，發(fā)文數(shù)量分別為25篇和22篇，分別于2011年和2017年開始發(fā)表第1篇論文?？傮w來說，煤矸石綜合利用研究領(lǐng)域?qū)W者的影響力呈群體化、集中化。雖然發(fā)文量大于5篇的作者人數(shù)較多，但與作者總數(shù)127人相比還是偏少，這不利于該領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展。2011年12月15日，夏舉佩團(tuán)隊在《硅酸鹽通報》發(fā)表的論文[17]引用量以及下載量分別達(dá)到37次和507次，該數(shù)據(jù)領(lǐng)先于同領(lǐng)域內(nèi)其他研究者的論文，由此表明該文獻(xiàn)具有較高的學(xué)術(shù)參考價值，同時也可以反映出2011年是煤矸石綜合利用研究的高峰期。

表1 發(fā)文量大于5篇的作者統(tǒng)計

3.3 研究熱點分析

3.3.1 關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜分析

關(guān)鍵詞是對一篇論文核心內(nèi)容的高度概括，在一定程度上能反映該研究領(lǐng)域內(nèi)各知識的形成和發(fā)展過程。將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)置為Keyword，時間切片取為1年，然后選擇合理的閾值，得到的煤矸石綜合利用關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜如圖3所示。

圖3 煤矸石綜合利用關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜

由圖3可知，“煤矸石”“抗壓強(qiáng)度”“綜合利用”“循環(huán)經(jīng)濟(jì)”等出現(xiàn)的頻次較多。各節(jié)點之間連線的粗細(xì)表明其出現(xiàn)在同一篇文章中的概率大小，連線越粗，概率越大；同時，若節(jié)點間連線越多，則表明該關(guān)鍵詞是一個主要研究主題，均以其為核心展開研究[18]。中心度反映該節(jié)點與其他節(jié)點之間關(guān)系的親密性，即兩個關(guān)鍵詞之間信息流數(shù)量的多少決定了整個網(wǎng)絡(luò)資源的影響程度[19]。中心度數(shù)值越大，表示該關(guān)鍵詞的影響程度越高[20]。出現(xiàn)頻次較高的關(guān)鍵詞統(tǒng)計如表2所示。由表2可知，“煤矸石”“綜合利用”“循環(huán)經(jīng)濟(jì)”“抗壓強(qiáng)度”“煤矸石山”是中心度數(shù)值較大的關(guān)鍵詞，其出現(xiàn)的次數(shù)也較多，說明這些關(guān)鍵詞是學(xué)者在研究煤矸石綜合利用時重點關(guān)注的內(nèi)容。

表2 出現(xiàn)頻次較高的關(guān)鍵詞統(tǒng)計

3.3.2 關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜的聚類分析

關(guān)鍵詞聚類分析能夠更加深入地反映該研究主題的熱點。使用Citespace軟件中的自動聚類模塊，點擊Keyword得到關(guān)鍵詞聚類分析圖譜(見圖4)，并得到指標(biāo)模塊值Modularity、平均輪廓值Mean Silhouette(S值)，二者都是評價聚類效果的指標(biāo)。Modularity為聚類模塊值(Q值)，一般認(rèn)為Q>0.3，代表聚類結(jié)構(gòu)顯著[21]。當(dāng)S>0.5時，代表聚類合理。運行后得到的結(jié)果為：Q=0.563 2>0.3，S=0.558 7>0.5，說明此聚類視圖顯著合理且可信度高。通過聚類分析得到的煤矸石綜合利用熱點主題如下：

a.循環(huán)經(jīng)濟(jì)。李金峰等[22]通過對煤炭行業(yè)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的“3R”原則論述，提出循環(huán)經(jīng)濟(jì)的主要內(nèi)容之一就是煤矸石的綜合利用，如煤矸石發(fā)電、制磚、生產(chǎn)建筑材料等。

b.充填開采。梁和平[23]為解決采動造成的地表沉陷和煤矸石重復(fù)運輸?shù)膯栴}，對充填開采和井下原煤分選一體化技術(shù)進(jìn)行了研究，并介紹了其系統(tǒng)布置及工藝流程。

c.抗壓強(qiáng)度。王占峰等[24]對煤矸石抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了研究，得出了各類煤矸石的抗壓強(qiáng)度，分析其他材料的占比后發(fā)現(xiàn)，煤矸石可與多種建筑材料混合制成新型建筑材料。

圖4 煤矸石綜合利用關(guān)鍵詞聚類圖譜

3.4 研究發(fā)展分析

根據(jù)樣本信息可知，20世紀(jì)中期，我國就開始對煤矸石進(jìn)行了部分利用，但在當(dāng)時僅當(dāng)作一種固廢進(jìn)行處理，未將其視為一種資源。直到20世紀(jì)70年代中后期，煤矸石綜合利用的研究才逐漸興起。全國各地陸續(xù)建設(shè)了如發(fā)電廠、建筑材料廠、化工廠等煤矸石綜合利用項目。煤矸石綜合利用途徑因其內(nèi)部成分占比的不同而不同，我國學(xué)者將煤矸石應(yīng)用于SiC生產(chǎn)中，并制成了陶瓷材料[25]。近年來，我國大部分煤礦的新增煤矸石基本上已由儲存轉(zhuǎn)為利用，矸石山數(shù)量大大減少，逐漸形成了一套具有國內(nèi)特色的資源利用理論和技術(shù)。高端化、高附加值煤矸石綜合利用技術(shù)和產(chǎn)業(yè)得到了迅速發(fā)展，如利用煤矸石通過煅燒-粉磨-改性-高速混合-擠出造粒工序制備出了合格的塑料用非金屬礦物填料，該技術(shù)已成功實現(xiàn)工業(yè)化，有效地推進(jìn)了煤矸石綜合利用相關(guān)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。隨著“綠色開采”理念以及“十四五”規(guī)劃中關(guān)于“礦區(qū)大宗固廢資源利用”要求的提出，煤矸石、礦井水、粉煤灰等是將來重點治理和利用的對象。合理開發(fā)、利用煤矸石資源，是建設(shè)綠色礦山的必經(jīng)之路。發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，走可持續(xù)發(fā)展道路，這不僅符合科學(xué)發(fā)展觀的要求，而且也為經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變指明了方向。

4 結(jié)語

本文基于Citespace軟件，對煤矸石綜合利用領(lǐng)域2005-2021年的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了可視化分析，對該領(lǐng)域的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀進(jìn)行了全面回顧，總結(jié)了該領(lǐng)域的研究熱點與前沿問題，得到以下主要結(jié)論與建議：

a.國內(nèi)學(xué)者的煤矸石綜合利用研究成果雖多，但彼此間的聯(lián)系與合作較少，不利于該領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。建議該研究領(lǐng)域的主要機(jī)構(gòu)和專家可以定期舉辦研討會，加強(qiáng)學(xué)者之間的交流。

b.對發(fā)文量的統(tǒng)計分析可知，近幾年的發(fā)文量有所減少，其原因可能是煤矸石的利用技術(shù)進(jìn)入了瓶頸期?！胺诸愔鸺壚谩钡乃悸泛苤档蒙钊胩接?，如：對于含碳量較高的煤矸石可洗選回收煤炭，其尾礦可作為建筑和化工等行業(yè)的材料；對于含碳量低的煤矸石可直接用于土地復(fù)墾和路基填筑。研究者應(yīng)發(fā)散思維，結(jié)合不同領(lǐng)域的最新成果，探索出更多更有效的利用途徑。

c.目前對煤矸石綜合利用的研究基本處于“低端化”狀態(tài)，因此未來應(yīng)向“高端化”發(fā)展，如制備無機(jī)纖維、空心微珠等。未來，煤矸石的綜合利用依舊要堅持走“因地制宜、積極利用”的路線，繼續(xù)加強(qiáng)對各地煤矸石組分、結(jié)構(gòu)、特性等的基礎(chǔ)性研究，并借鑒國外前沿技術(shù)，努力提升我國煤矸石綜合利用的整體水平。