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        基于CiteSpace采空區(qū)煤的孔隙研究熱點(diǎn)與趨勢(shì)分析

        2020-11-21 05:46:04王乙橋司俊鴻王永建邵意添
        關(guān)鍵詞:可視化分析研究

        王乙橋,司俊鴻,王永建,邵意添

        (華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院,北京 東燕郊 065201)

        0 引言

        煤礦采空區(qū)是由遺煤和垮落巖石構(gòu)成的非均質(zhì)多孔介質(zhì),受工作面開采條件、礦井煤田地質(zhì)條件等因素的影響,該區(qū)域是煤礦安全事故的重災(zāi)區(qū),具有災(zāi)害隱蔽性較強(qiáng)、流場(chǎng)復(fù)雜、治理難度大等特點(diǎn)[1]。采空區(qū)中的氣體、液體分布于煤巖體之間的孔隙空間,在礦井通風(fēng)負(fù)壓的驅(qū)動(dòng)下,在采空區(qū)導(dǎo)通孔隙區(qū)域內(nèi)流動(dòng),合理確定煤巖體的孔隙結(jié)構(gòu)是研究采空區(qū)流體運(yùn)移規(guī)律的重要基礎(chǔ),對(duì)于采空區(qū)瓦斯、煤自燃等災(zāi)害的防治具有重要的意義。

        近年來對(duì)于煤的孔隙研究熱點(diǎn),主要集中在對(duì)孔隙率、滲透率的研究,尹光志等人總結(jié)了煤體滲透率主要影響因素是有效應(yīng)力、溫度和瓦斯壓力,以及隨著抽采時(shí)間的增長(zhǎng),煤層的孔隙率逐漸減小[2];曹樹剛等人得出,隨著瓦斯壓力的增加,突出煤體的滲透率呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì),具有明顯的Klinkenberg效應(yīng);滲透率隨瓦斯壓力的增加呈“V”字形變化,具有明顯的階段性[3];趙文彬等人研究在室溫25℃時(shí),浸水失水煤樣經(jīng)長(zhǎng)期浸水后,煤體吸水溶脹發(fā)生破裂,孔隙結(jié)構(gòu)由緊實(shí)變?yōu)樗缮?,孔隙增大[4];其重大成果主要包括采空區(qū)“O”型理論、采空區(qū)冒落非均質(zhì)多孔介質(zhì)數(shù)學(xué)模型、采空區(qū)非均質(zhì)多孔介質(zhì)滲透特性三維模型[5,6,7]、多孔介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)特征分形理論等[8]。為了精準(zhǔn)把控該領(lǐng)域的研究成果與研究方向,論文以中國(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)為數(shù)據(jù)來源,以1956年至2020年7月與煤的孔隙研究相關(guān)的文獻(xiàn)為研究對(duì)象,利用CiteSpace引文空間分析法對(duì)文獻(xiàn)分布、研究成果和研究熱點(diǎn)進(jìn)行分析,總結(jié)概括出我國(guó)采空區(qū)煤的孔隙研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題,為該領(lǐng)域的研究前沿、科學(xué)問題確定、研究方向選擇提供借鑒。

        1 研究方法及數(shù)據(jù)來源

        1.1 研究方法

        CiteSpace引文空間分析法是基于海量文獻(xiàn)檢索結(jié)果的可視化數(shù)據(jù)分析方法,由美國(guó)Drexel University陳超美教授開發(fā),依托文獻(xiàn)中關(guān)鍵詞條之間的聯(lián)系,利用數(shù)學(xué)算法分析文獻(xiàn)間的相互關(guān)系,可呈現(xiàn)科學(xué)知識(shí)的結(jié)構(gòu)、規(guī)律和分布情況,為跟蹤學(xué)科前沿、尋找科學(xué)問題提供參考。

        1.2 數(shù)據(jù)來源

        數(shù)據(jù)來源:中國(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù);檢索策略通過高級(jí)檢索:以主題詞“孔隙”和“煤”進(jìn)行檢索;納入論文來源:所有文獻(xiàn);檢索時(shí)間:不限;最終共檢索到4524篇文獻(xiàn),去除3篇報(bào)紙,一共4521篇文獻(xiàn),其中期刊論文2760篇,占61.05%,學(xué)位論文1619篇,占35.81%,會(huì)議論文142篇,占3.14%。

        1.3 軟件參數(shù)設(shè)置

        將文獻(xiàn)信息導(dǎo)入CiteSpace軟件中,時(shí)間設(shè)置為1956~2020年,以1年為數(shù)據(jù)切分年代,作者、機(jī)構(gòu)和關(guān)鍵詞的閾值選擇及剪切方式見表1。

        表1 參數(shù)設(shè)置

        2 可視化分析

        2.1 發(fā)文數(shù)量與年份分析

        文獻(xiàn)的年發(fā)文頻率能有效衡量該領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展速度和受社會(huì)重視的程度,1956~2019年國(guó)內(nèi)與煤的孔隙研究相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量的變化情況見圖1,從1956~2016年呈上升趨勢(shì),隨之呈震蕩趨勢(shì),通過CNKI官方預(yù)測(cè)2020年的發(fā)文量為340篇,又呈現(xiàn)出來下降,總體來看,呈上升發(fā)展趨勢(shì)。

        圖1 煤的孔隙研究相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)文量統(tǒng)計(jì)

        2.2 作者共現(xiàn)可視化分析

        通過CiteSpace進(jìn)行作者網(wǎng)絡(luò)共現(xiàn)分析,在圖2 中共納入31名作者,作者在該領(lǐng)域內(nèi)的活躍度由字體和節(jié)點(diǎn)大小表示,作者在該領(lǐng)域影響力越大,其字體和節(jié)點(diǎn)就越大,排名前五的依次是王來貴、湯達(dá)禎、秦勇、許浩、姚艷斌,這些較大影響力的作者之間沒有連線,說明在高影響力范圍內(nèi),作者與作者之間缺乏合作與交流。借鑒普萊斯確定核心作者的方法,確定高被引論文最低被引次數(shù):

        (1)

        式中,Mp為高被引論文最低被引次數(shù);Npmax為單篇最大被引次數(shù)。

        圖2 作者可視化分析結(jié)果圖

        將單篇最大被引次數(shù)為133代入式(1)計(jì)算得出Mp為8.64,對(duì)其取整數(shù)為9,其中發(fā)文量9篇及以上的作者共65,合計(jì)發(fā)文1902篇,占總文獻(xiàn)數(shù)的42.07%,由于占比數(shù)量小于50%,因此,未形成核心作者群。

        2.3 機(jī)構(gòu)合作可視化分析

        由圖3可以看出,影響力排名靠前的機(jī)構(gòu)依次為:遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院、太原理工大學(xué)原位改性采礦教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院、河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院等,且多所機(jī)構(gòu)間都有合作和聯(lián)系,連線數(shù)有354條。

        圖3 機(jī)構(gòu)可視化分析結(jié)果圖

        2.4 關(guān)鍵詞分析

        關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析是指未達(dá)到詞頻閾值要求的發(fā)現(xiàn)詞頻,相對(duì)增長(zhǎng)率突然增加的詞反映研究主題潛在的發(fā)展趨勢(shì),可以表明研究熱點(diǎn)和前沿。通過CiteSpace可視化分析軟件分析4521篇文獻(xiàn),生成關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜如圖4(節(jié)點(diǎn)數(shù)447,連線數(shù)1069),關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次排名前五依次為:煤層氣(902次)、孔隙結(jié)構(gòu)(610次)、滲透率(506次)、數(shù)值模擬(275次)、煤儲(chǔ)層(190次)。高頻關(guān)鍵詞代表了當(dāng)前的研究熱點(diǎn),即在關(guān)于煤的孔隙研究領(lǐng)域前沿主要是煤層氣、孔隙結(jié)構(gòu)、滲透率、數(shù)值模擬、煤儲(chǔ)層,具體見圖4。

        圖4 關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析結(jié)果圖

        根據(jù)Donohue提出的高頻詞與低頻詞分界公式:

        (2)

        式中,T為高頻詞出現(xiàn)的最低次數(shù);I為關(guān)鍵詞的個(gè)數(shù),447個(gè)。

        計(jì)算1956~2020年近六十四年關(guān)于煤的孔隙研究領(lǐng)域相關(guān)文獻(xiàn)的高頻詞與低頻詞界分閾值T為29.4次,最終選擇關(guān)鍵詞出現(xiàn)30次以上的為高頻詞,有煤層氣、孔隙結(jié)構(gòu)、滲透率、數(shù)值模擬、煤儲(chǔ)層、孔隙、煤與瓦斯突出、構(gòu)造煤、孔隙率、分形維數(shù)等多達(dá)57個(gè)高頻關(guān)鍵詞。圖5和圖6分別是關(guān)鍵詞timezone視圖和關(guān)鍵詞timeline視圖,可以通過timezone視圖了解該領(lǐng)域的研究前沿,通過Timeline視圖看出關(guān)鍵詞聚類反應(yīng)該研究領(lǐng)域的現(xiàn)狀。關(guān)鍵詞首先出現(xiàn)的區(qū)域,提示本研究首次出現(xiàn)的時(shí)間,字體大小反應(yīng)了所有年份累次出現(xiàn)的次數(shù),通過圖5可以看出,逐年變化的研究?jī)?nèi)容,并直觀地展現(xiàn)了本領(lǐng)域研究熱點(diǎn)的遷移過程,呈現(xiàn)出關(guān)鍵詞從單一到多樣關(guān)注的演變特點(diǎn),并且關(guān)鍵詞的時(shí)間斷面與發(fā)文量變化基本吻合。由圖6可以看出,有54個(gè)關(guān)鍵詞成為了突發(fā)關(guān)鍵詞,近幾年吸附解吸、煤自燃、低階煤、孔隙特征、分形特征、壓汞法、等溫吸附、核磁共振等成為研究的焦點(diǎn)。由圖7可以看出,關(guān)鍵詞的聚類標(biāo)識(shí)有10個(gè),可以從連線分析出每個(gè)標(biāo)識(shí)的研究進(jìn)展。

        圖5 關(guān)鍵詞timezone圖

        2.5 期刊分布情況

        本文在中國(guó)知網(wǎng)中納入4521篇文獻(xiàn),其中有2761篇期刊,其中排名前3位的依次為:煤炭學(xué)報(bào)(207次)、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(202次)、煤炭科學(xué)技術(shù)(150次),分別占總期刊的7.50%、7.32%、 5.43%。

        3 研究熱點(diǎn)與趨勢(shì)分析

        3.1 研究熱點(diǎn)

        從圖6可以看出,有54個(gè)關(guān)鍵詞成為了突發(fā)關(guān)鍵詞,近幾年吸附解吸、煤自燃、低階煤、孔隙特征、分形特征、壓汞法、等溫吸附、核磁共振等成為研究的焦點(diǎn)。隨著科技的進(jìn)步,研究者可以借助更多的先進(jìn)技術(shù)去研究孔隙,例如建立合乎實(shí)際的孔隙模型,為井下氣體輸運(yùn)研究提供基礎(chǔ)。從1956年就已經(jīng)開始研究納米孔隙、滲透率、孔隙結(jié)構(gòu),而且都持續(xù)了近五十年的時(shí)間,說明在關(guān)于煤的孔隙研究領(lǐng)域起步較早,對(duì)于后學(xué)者有良好的借鑒基礎(chǔ)。綜上所述,從1956年至今,關(guān)于煤的孔隙研究都沒有停止過,隨著科技的發(fā)展,煤的孔隙研究?jī)?nèi)容逐漸加深,說明了煤的孔隙研究具有較大的研究意義。

        圖6 具有最強(qiáng)引用爆發(fā)的前25個(gè)關(guān)鍵詞

        圖7 關(guān)鍵詞timeline 視圖

        3.2 研究趨勢(shì)

        從發(fā)文較多的機(jī)構(gòu)來看,研究地域遍布全國(guó),還可以知道以遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院、太原理工大學(xué)原位改性采礦教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院、河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院等高等院校為主導(dǎo)的研究機(jī)構(gòu)促進(jìn)了關(guān)于煤的孔隙研究領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展;本文納入1956年至2020年7月15日關(guān)于煤的孔隙研究相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行分析,在2016年是研究的高峰,在此之前研究趨勢(shì)一直呈現(xiàn)上升趨勢(shì),2016年之后就出現(xiàn)了波動(dòng)下降,說明研究的熱度有所下降;對(duì)于機(jī)構(gòu)和作者之間的相互合作和交流較多,有利于促進(jìn)本領(lǐng)域的發(fā)展,但在日后仍需加大合作與交流。

        通過citespace可視化軟件研究分析,結(jié)果顯示,煤的孔隙研究已經(jīng)形成一個(gè)比較完整的體系,但隨著時(shí)代的變遷,其研究?jī)?nèi)容、熱點(diǎn)有所側(cè)重。主要分為三個(gè)階段,1956年至2000年側(cè)重研究孔隙本身的基本性質(zhì),如滲透率、孔隙率等;2001年至2015年側(cè)重研究的孔隙內(nèi)部結(jié)構(gòu)及特征,如數(shù)學(xué)模型、應(yīng)力場(chǎng)等;2016年至2020年7月主要是利用先進(jìn)技術(shù),進(jìn)一步深究煤的孔隙相關(guān)內(nèi)容,如核磁共振、分形維數(shù)等研究。

        本文主要從發(fā)文量、作者、關(guān)鍵詞、機(jī)構(gòu)及期刊五個(gè)方向探討了關(guān)于煤的孔隙研究,從數(shù)據(jù)分析得知,我國(guó)對(duì)于煤的孔隙研究時(shí)間跨度范圍廣,在2016年處于研究的高峰時(shí)期,但近四年有所波動(dòng)性下降;此外,核心作者和機(jī)構(gòu)推動(dòng)了我國(guó)煤的孔隙研究發(fā)展;研究趨勢(shì)仍然是以煤的孔隙內(nèi)部結(jié)構(gòu)及特征為發(fā)展方向。

        4 結(jié)論

        (1) 本文僅選取了CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)中關(guān)于煤的孔隙研究文獻(xiàn),得出了4524篇文獻(xiàn);其中期刊論文2760篇,學(xué)位論文1619篇,會(huì)議論文142篇,報(bào)紙3篇。

        (2) 采用了文獻(xiàn)計(jì)量的方法進(jìn)行了分析,得出了從1956~2016年呈上升趨勢(shì),隨之呈震蕩趨勢(shì),通過CNKI官方預(yù)測(cè)2020年的發(fā)文量為340篇,又呈現(xiàn)出來下降,總體來看,呈上升發(fā)展趨勢(shì);作者在該領(lǐng)域影響力排名前五的依次是王來貴、湯達(dá)禎、秦勇、許浩、姚艷斌,這些較大影響力的作者之間沒有連線,說明在高影響力范圍內(nèi),作者與作者之間缺乏合作與交流,經(jīng)分析未形成核心作者群;機(jī)構(gòu)影響力排名靠前的機(jī)構(gòu)依次為:遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院、太原理工大學(xué)原位改性采礦教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)等,且多所機(jī)構(gòu)間都有合作和聯(lián)系,連線數(shù)多達(dá)354條;關(guān)于煤的孔隙研究領(lǐng)域前沿主要是煤層氣、孔隙結(jié)構(gòu)、滲透率、數(shù)值模擬、煤儲(chǔ)層等,且關(guān)鍵詞出現(xiàn)30次以上的為高頻詞,有煤層氣、孔隙結(jié)構(gòu)、滲透率、數(shù)值模擬、煤儲(chǔ)層、孔隙、煤與瓦斯突出、構(gòu)造煤、孔隙率、分形維數(shù)等多達(dá)57個(gè)高頻關(guān)鍵詞;期刊排名前3位的依次為煤炭學(xué)報(bào)(207次)、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(202次)、煤炭科學(xué)技術(shù)(150次),分別占總期刊的7.50%、7.32%、5.43%。

        (3) 經(jīng)分析得出近五年的研究熱點(diǎn)有吸附解吸、煤自燃、低階煤、孔隙特征、分形特征、壓汞法、等溫吸附、核磁共振等相關(guān)研究。

        (4) 煤的孔隙研究趨勢(shì):以煤的孔隙內(nèi)部結(jié)構(gòu)及特征為發(fā)展方向。

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