基于CiteSpace的礦井通風(fēng)文獻(xiàn)綜述

韓文鑫

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院,北京 100083)

0 引言

做好礦井通風(fēng)領(lǐng)域的研究對(duì)保證礦下安全生產(chǎn)有重要意義。礦井通風(fēng)能供給井下足夠的新鮮空氣,滿足人員對(duì)氧氣的需要;沖淡井下有害氣體和粉塵,保證安全生產(chǎn);調(diào)節(jié)井下氣候,創(chuàng)造良好的工作環(huán)境[1]。因此,采用文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)軟件CiteSpace,選取了來(lái)源中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)數(shù)據(jù)庫(kù)410篇中文期刊文獻(xiàn),以期通過(guò)知識(shí)圖譜的形式,深入挖掘分析國(guó)內(nèi)礦井通風(fēng)領(lǐng)域文獻(xiàn)特征、研究主題及研究熱點(diǎn),為該領(lǐng)域的深入研究與創(chuàng)新提供參考。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

限定發(fā)文時(shí)間為2002—2022年,來(lái)源期刊為北大核心、CSCD、EI期刊,以關(guān)鍵詞“礦井通風(fēng)”在中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索出424篇相關(guān)文獻(xiàn),剔除書(shū)評(píng)、征稿啟事、會(huì)議等文獻(xiàn),剩余410篇有效文獻(xiàn),將其導(dǎo)出為Refwork格式,以便用CiteSpace作進(jìn)一步分析。

1.2 研究方法

文獻(xiàn)計(jì)量分析工具選用CiteSpace 6.1.R3可視化軟件,對(duì)檢索出410篇的文獻(xiàn)從發(fā)文量、核心學(xué)者機(jī)構(gòu)與研究主題等方面進(jìn)行分析。首先,根據(jù)軟件要求將時(shí)間跨度設(shè)定為2002—2022年,時(shí)間切片均為1年;節(jié)點(diǎn)類(lèi)型依次選擇研究學(xué)者、研究機(jī)構(gòu)及高頻關(guān)鍵詞,并調(diào)整Threshold、FrontSize、NodeSize等參數(shù)進(jìn)行共現(xiàn)分析和可視化圖譜的繪制。

2 文獻(xiàn)特征分析

2.1 文獻(xiàn)發(fā)表年份及發(fā)文量

年際發(fā)文量能折射出近20年礦井通風(fēng)研究領(lǐng)域的發(fā)展情況。對(duì)410篇文獻(xiàn)進(jìn)行年度文獻(xiàn)數(shù)量統(tǒng)計(jì)分析,得到該領(lǐng)域20年間發(fā)文量統(tǒng)計(jì)折線圖(圖1)?？梢?jiàn),關(guān)于該領(lǐng)域的研究,2002—2022年來(lái)源自CSCD、北大核心、EI的的中文文獻(xiàn)都穩(wěn)定在10篇以上,說(shuō)明近20年國(guó)內(nèi)對(duì)于礦井通風(fēng)的研究得到了持續(xù)的重視,且在2008年、2012年、2013年達(dá)到了研究高峰,現(xiàn)在處于一種不斷深化的研究狀態(tài)。

2.2 核心作者和高產(chǎn)機(jī)構(gòu)

對(duì)本研究領(lǐng)域的主要學(xué)者、研究群和所在研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。設(shè)置閾值為3篇以上,得到作者合著共現(xiàn)圖譜,如圖2所示。以“發(fā)文作者”作為節(jié)點(diǎn)對(duì)發(fā)表文獻(xiàn)數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)文數(shù)量最多的學(xué)者是劉劍,共14篇;其次是學(xué)者王海寧、吳新忠、張浪、陸秋琴、彭斌、黃光球等,發(fā)文數(shù)量均在5篇及以上,其余作者發(fā)文數(shù)量均少于5篇。

圖1 2002—2022年礦井通風(fēng)發(fā)文數(shù)量Fig.1 Number of mine ventilation-related papers published in 2002—2022

發(fā)文機(jī)構(gòu)共現(xiàn)圖譜如圖3所示。2002—2022年在CSCD、北核、EI期刊上發(fā)表10篇以上礦井通風(fēng)文獻(xiàn)有14家研究機(jī)構(gòu),文獻(xiàn)署名機(jī)構(gòu)主要為高等院校,其中包括中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、遼寧工程技術(shù)大學(xué)、中南大學(xué)、西安科技大學(xué)、山東科技大學(xué)等,其次是一些礦山研究機(jī)構(gòu),如煤科總院、礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等,可見(jiàn)高等院校以及礦山相關(guān)研究機(jī)構(gòu)對(duì)該領(lǐng)域研究比較重視并做出了較大貢獻(xiàn)。

圖2 作者合著共現(xiàn)圖譜Fig.2 Co-occurrence graph of co-authors

圖3 發(fā)文機(jī)構(gòu)共現(xiàn)圖譜Fig.3 Co-occurrence graph of affiliated institutions

根據(jù)作者與發(fā)文機(jī)構(gòu)共現(xiàn)圖譜可以看出,國(guó)內(nèi)礦井通風(fēng)研究主要有5個(gè)主要作者群,各作者群主要研究領(lǐng)域與近年代表文獻(xiàn)見(jiàn)表1?？梢?jiàn)核心作者群近年來(lái)的主要研究方向,劉劍等主要研究礦井通風(fēng)阻變;王海寧等主要研究通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化,吳新忠等主要研究風(fēng)量調(diào)節(jié),張浪等主要研究風(fēng)速測(cè)定,黃光球等主要研究風(fēng)阻解算,風(fēng)門(mén)、風(fēng)機(jī)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的影響等。

另外根據(jù)圖譜顏色,吳新忠、周福寶等組成的中國(guó)礦業(yè)大學(xué)作者群以及劉劍、吳奉亮等組成的遼寧工程技術(shù)大學(xué)作者群近年來(lái)在礦井通風(fēng)領(lǐng)域發(fā)文較多。而對(duì)于機(jī)構(gòu)共現(xiàn)圖譜,連線較多,也意味各機(jī)構(gòu)聯(lián)系比較緊密,形成了中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、遼寧工程技術(shù)大學(xué)、中南大學(xué)等高校以及煤科院等各機(jī)構(gòu)與礦業(yè)企業(yè)通力合作的研究局面。

3 研究主題分析

3.1 關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜

將關(guān)鍵詞按頻次提煉,有助于把握該領(lǐng)域近年研究熱點(diǎn),并折射未來(lái)研究方向。對(duì)篩選的410篇論文的關(guān)鍵詞進(jìn)行綜合分析,調(diào)整頻次閾值為5,展現(xiàn)的關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜如圖4所示。共有537個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),1 110條連線,網(wǎng)絡(luò)密度為0.007 7,可以得出礦井通風(fēng)研究各關(guān)鍵詞之間具有一定的聯(lián)系。

將頻次出現(xiàn)5次以上的關(guān)鍵詞中心性進(jìn)行比較,如圖5所示。剔除礦井通風(fēng)、應(yīng)用等無(wú)效詞,可以直觀地了解到網(wǎng)絡(luò)解算、通風(fēng)系統(tǒng)、數(shù)值模擬、優(yōu)化、自然風(fēng)壓、等積孔、可視化、平均風(fēng)速、礦山安全、故障診斷等關(guān)鍵詞是近年來(lái)收錄論文的主要研究主題。

圖4 關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜Fig.4 Co-occurrence graph of keywords

表1 主要作者群研究領(lǐng)域與近年代表文獻(xiàn)

圖5 關(guān)鍵詞頻次與中心性比較Fig.5 Comparison of keywords frequency and centrality

3.2 關(guān)鍵詞聚類(lèi)圖譜

關(guān)鍵詞聚類(lèi)分析能反映礦井通風(fēng)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。因此接下來(lái)對(duì)關(guān)鍵詞知識(shí)圖譜進(jìn)行聚類(lèi)分析,剔除無(wú)效詞匯,主要聚為數(shù)值模擬、優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)解算等類(lèi)別,如圖6所示,剔除無(wú)效詞匯后其他聚類(lèi)見(jiàn)表2。將關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜與聚類(lèi)圖譜比較,發(fā)現(xiàn)#1數(shù)值模擬、#2優(yōu)化、#3網(wǎng)絡(luò)解算、#9故障診斷、#10可視化、#11平均風(fēng)速、#12安全生產(chǎn)是7個(gè)比較重要的聚類(lèi)。

3.3 關(guān)鍵詞共現(xiàn)時(shí)區(qū)圖譜

關(guān)鍵詞共現(xiàn)時(shí)區(qū)圖譜能把同時(shí)間出現(xiàn)的關(guān)鍵詞在同時(shí)區(qū)內(nèi)集合,以關(guān)鍵詞首次出現(xiàn)的時(shí)間順序排列,體現(xiàn)礦井通風(fēng)研究領(lǐng)域的歷史脈絡(luò)。以#1數(shù)值模擬、#2優(yōu)化、#3網(wǎng)絡(luò)解算、#9故障診斷、#10可視化等7個(gè)重要研究主題制作共現(xiàn)時(shí)區(qū)圖譜,如圖7所示。可以看出節(jié)能研究、可視化、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算技術(shù)、漏風(fēng)治理、一通三防、三維仿真于研究早期就已經(jīng)出現(xiàn),中期對(duì)于礦井通風(fēng)系統(tǒng)與優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)節(jié)技術(shù)研究、礦井降溫、礦井風(fēng)速測(cè)定研究較多,此后每年都相應(yīng)增加了一部分新的研究熱點(diǎn),近幾年對(duì)于礦井風(fēng)阻測(cè)定及數(shù)據(jù)處理、控制技術(shù)及裝備、隨機(jī)森林、實(shí)時(shí)報(bào)警、實(shí)時(shí)模擬、粗糙度研究較多。

圖6 關(guān)鍵詞聚類(lèi)圖譜Fig.6 Cluster graph of keywords

表2 關(guān)鍵詞聚類(lèi)統(tǒng)計(jì)

圖7 關(guān)鍵詞共現(xiàn)時(shí)區(qū)圖譜Fig.7 Co-occurrence time-zone graph of keywords

3.4 關(guān)鍵詞突現(xiàn)圖譜

關(guān)鍵詞突現(xiàn)能反映年度最受關(guān)注的主題,反映研究趨勢(shì)及前沿。礦井通風(fēng)研究領(lǐng)域近20余年的關(guān)鍵詞突現(xiàn)圖譜如圖8所示。剔除礦井無(wú)效關(guān)鍵詞,突現(xiàn)圖中可以看出關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)解算、安全工程、自然風(fēng)壓、數(shù)值模擬是突現(xiàn)強(qiáng)度最高的關(guān)鍵詞,并且可以得出網(wǎng)絡(luò)解算為突現(xiàn)時(shí)間較早的關(guān)鍵詞,是早期受關(guān)注的研究主題,數(shù)值模擬是突現(xiàn)時(shí)間最近的關(guān)鍵詞,也是近幾年受關(guān)注的研究主題。

圖8 關(guān)鍵詞突現(xiàn)圖譜Fig.8 Most occurrence graph of keywords

4 研究熱點(diǎn)分析

結(jié)合關(guān)鍵詞共現(xiàn)、聚類(lèi)、突現(xiàn)圖譜,可以得出網(wǎng)絡(luò)解算、安全生產(chǎn)、數(shù)值模擬是礦井通風(fēng)領(lǐng)域近20年按時(shí)間序列排列的研究熱點(diǎn),以下將對(duì)這3個(gè)研究熱點(diǎn)的內(nèi)容進(jìn)行概述。

4.1 網(wǎng)絡(luò)解算

有關(guān)網(wǎng)絡(luò)解算的研究,主要是解算方法、模型、軟件的研究,如2003年吳超等[17]對(duì)4個(gè)不同復(fù)雜礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)邊數(shù)、節(jié)點(diǎn)數(shù)、獨(dú)立網(wǎng)孔數(shù)與計(jì)算精度、初始風(fēng)量賦值、迭代次數(shù)、運(yùn)算時(shí)間、收斂性等之間的關(guān)系進(jìn)行定量研究;2003年王樹(shù)剛等[18]將礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中的空氣流動(dòng)作為一維可壓縮流體的非定常流動(dòng),建立了礦井正常和災(zāi)變時(shí)期通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算的統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型;2013年何強(qiáng)等[19]以常用的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算方法為基礎(chǔ),對(duì)風(fēng)量修正公式進(jìn)行修正,提出嵌入熱阻后新的風(fēng)網(wǎng)解算方法。2015年鐘德云等[20]分析了現(xiàn)有通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算算法的局限性,提出了一種改進(jìn)的Scott-Hinsley法。運(yùn)用BFS法改進(jìn)了生成樹(shù)的結(jié)構(gòu),并用雙通路法快速圈劃回路;2015年鐘陽(yáng)等[21]應(yīng)用面向?qū)ο蟮乃枷?開(kāi)發(fā)了基于VisualC++10.0集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)的礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算軟件。2018年王天明等[22]對(duì)節(jié)點(diǎn)法理論進(jìn)行分析和推導(dǎo),給出風(fēng)機(jī)的處理方法和通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)建模方法。基于C語(yǔ)言進(jìn)行算法實(shí)現(xiàn),用不同網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)同一算例進(jìn)行求解,并與回路法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

4.2 安全生產(chǎn)

有關(guān)安全生產(chǎn)的研究有以下6方面。①關(guān)于瓦斯治理的研究,如2004年程建軍等[23]通過(guò)對(duì)地方煤礦瓦斯防治實(shí)踐,揭示了“以風(fēng)定產(chǎn)”是確保安全生產(chǎn)的關(guān)鍵,提出了全面貫徹落實(shí)“先抽后采、監(jiān)測(cè)監(jiān)控、以風(fēng)定產(chǎn)”瓦斯治理十二字方針的做法和要求。②有關(guān)防塵、降濕的研究,如2006年張福群等[24]證明了在深井環(huán)境中應(yīng)用可控循環(huán)通風(fēng)技術(shù)可降塵、降濕、降低通風(fēng)費(fèi)用。③有關(guān)礦井通風(fēng)安全評(píng)價(jià)的研究,如2006年李樹(shù)剛等[25]運(yùn)用了未確知測(cè)度理論建立了一套礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。2010年史秀志等[26]應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)理論建立礦井通風(fēng)系統(tǒng)Fisher判別分析(FDA)模型。2014年韓艷杰等[27]提出了新型綜合集成法的礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)方法。④有關(guān)熱害的研究,如2007年譚海文[28]針對(duì)金屬礦山深井熱害產(chǎn)生原因并提出相應(yīng)治理措施。2010年馬恒等[29]提出多點(diǎn)風(fēng)流混合溫度計(jì)算模型,從而避免熱害。⑤有關(guān)礦井通風(fēng)在線監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)的研究,如2007年楊運(yùn)良等[30]借助VisualBasic作為開(kāi)發(fā)工具,結(jié)合地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù),對(duì)煤礦通風(fēng)信息系統(tǒng)進(jìn)行分析和處理。2012年張平等[31]基于PLC與MCGS的礦井通風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。2015年談國(guó)文[32]開(kāi)發(fā)建立了通風(fēng)在線監(jiān)測(cè)及分析預(yù)警系統(tǒng)和煤與瓦斯突出綜合預(yù)警系統(tǒng),并建立了信息采集支撐系統(tǒng),形成了礦井通風(fēng)瓦斯災(zāi)害預(yù)警平臺(tái)。2019年梁軍等[33]礦井風(fēng)網(wǎng)三維仿真技術(shù)研究與系統(tǒng)設(shè)計(jì),礦井風(fēng)網(wǎng)三維仿真系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)礦井風(fēng)流實(shí)時(shí)模擬、巷道通風(fēng)情況動(dòng)態(tài)顯示,一旦發(fā)現(xiàn)通風(fēng)異常情況能夠提供實(shí)時(shí)報(bào)警信息。⑥有關(guān)礦井通風(fēng)安全設(shè)備的研究,如2016年朱方明等[34]提出了智能防爆應(yīng)急風(fēng)門(mén)系統(tǒng)的慨念。

可見(jiàn),對(duì)于礦井通風(fēng)安全生產(chǎn)的研究主要圍繞瓦斯防治、防塵研究、礦井熱害、通風(fēng)安全設(shè)備、安全評(píng)價(jià)、在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)6個(gè)方面,最近有關(guān)于礦井安全生產(chǎn)的研究主要圍繞在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)展開(kāi)。

4.3 數(shù)值模擬

有關(guān)數(shù)值模擬的研究,主要是應(yīng)用如Gambit、Fluent、ANSYS、示蹤氣體等不同方法、軟件對(duì)巷道風(fēng)速、空氣流場(chǎng)、瓦斯分布等進(jìn)行了模擬,從而探索其規(guī)律、特性等。如2007年王從陸等[35]借助Gambit和Fluent模擬了礦內(nèi)運(yùn)輸工具運(yùn)動(dòng)方向與風(fēng)流方向一致情況下的巷道內(nèi)空氣流場(chǎng)的空間矢量分布情況;2012年王宇等[36]利用FDS軟件建立了煤礦系統(tǒng)巷道的三維模型,得到煙氣溫度、能見(jiàn)度等參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律。2013年何維維等[37]用ANSYS有限元分析軟件,對(duì)多年凍土井筒圍巖的溫度特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。2014年段東等[38]采用Comsol和Multiphysics軟件對(duì)兩進(jìn)風(fēng)巷工作面通風(fēng)以及瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行了分析。2015年鄔長(zhǎng)福等[39]為研究不同因素對(duì)井巷活塞風(fēng)的影響,采用基于動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程湍流模型對(duì)巷內(nèi)氣流組織進(jìn)行數(shù)值模擬。2017年曹勇等[40]將示蹤氣體技術(shù)應(yīng)用于特定復(fù)雜的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò),并對(duì)示蹤氣體在巷道內(nèi)的移流擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行模擬計(jì)算。2020年陳宇等[41]采用FLUENT軟件模擬了直角與圓角巷道的流場(chǎng)、不同傾角風(fēng)硐的流場(chǎng),給礦井風(fēng)硐的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。

5 結(jié)論

(1)從文獻(xiàn)特征來(lái)看,發(fā)表在CSCD、EI、北大核心等期刊相關(guān)文章近20年均穩(wěn)定10篇以上,主要研究學(xué)者有劉劍等,各學(xué)者之間聯(lián)系緊密,而研究機(jī)構(gòu)則形成了中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、遼寧工程技術(shù)大學(xué)等高校和礦山研究機(jī)構(gòu)如煤科總院及礦業(yè)企業(yè)通力合作的局面,說(shuō)明國(guó)內(nèi)礦井通風(fēng)領(lǐng)域研究交流合作多,是國(guó)內(nèi)研究重點(diǎn),并得出國(guó)內(nèi)礦井通風(fēng)研究5個(gè)核心作者群近年研究方向?yàn)橥L(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化、風(fēng)量調(diào)節(jié)、風(fēng)速測(cè)定、風(fēng)阻解算等。

(2)從研究主題來(lái)看,對(duì)比關(guān)鍵詞共現(xiàn)與聚類(lèi)圖譜,可以得出#1數(shù)值模擬、#2優(yōu)化、#3網(wǎng)絡(luò)解算、#9故障診斷、#10可視化、#11平均風(fēng)速、#12安全生產(chǎn)7個(gè)聚類(lèi)是主要研究主題。從這7個(gè)聚類(lèi)出發(fā)作關(guān)鍵詞共現(xiàn)時(shí)區(qū)圖,可以看出節(jié)能研究、可視化、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算技術(shù)、漏風(fēng)治理、一通三防、三維仿真于研究早期就已經(jīng)出現(xiàn),中期對(duì)于礦井通風(fēng)系統(tǒng)與優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)節(jié)技術(shù)研究、礦井降溫、礦井風(fēng)速測(cè)定研究較多,此后每年都相應(yīng)增加了一部分新的研究熱點(diǎn),近幾年對(duì)于礦井風(fēng)阻測(cè)定及數(shù)據(jù)處理、控制技術(shù)及裝備、隨機(jī)森林、實(shí)時(shí)報(bào)警、實(shí)時(shí)模擬、粗糙度研究較多。

(3)從研究熱點(diǎn)來(lái)說(shuō),結(jié)合關(guān)鍵詞突現(xiàn)圖,得出網(wǎng)絡(luò)解算、安全生產(chǎn)、數(shù)值模擬是礦井通風(fēng)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)解算,近年主要應(yīng)用C語(yǔ)言,網(wǎng)絡(luò)軟件開(kāi)發(fā)等來(lái)實(shí)現(xiàn)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)建模、求解等;對(duì)于安全生產(chǎn),近年主要著重于應(yīng)用仿真技術(shù),開(kāi)發(fā)在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行異常情況的預(yù)報(bào)等;對(duì)于數(shù)值模擬,近年主要采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)、Fluent、Comsol等軟件技術(shù)對(duì)礦井溫度、流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬?？梢?jiàn),對(duì)于礦井通風(fēng)的研究近年主要圍繞計(jì)算機(jī)技術(shù)展開(kāi),通過(guò)把握礦井通風(fēng)的規(guī)律特性,來(lái)促進(jìn)安全生產(chǎn)工作。