謝 軍，卞兆慶，解恒星，王 怡，王法銓

（1.山東科技大學 安全與環(huán)境工程學院，山東 青島 266590；2.貴州金沙龍鳳煤業(yè)有限公司，貴州 畢節(jié) 551700）

煤炭自燃事故頻發(fā)，嚴重威脅著煤炭資源的開發(fā)[1-2]。事故數(shù)據(jù)顯示，煤炭自然發(fā)火極易引起礦井火災事故，消耗大量煤炭資源，對煤礦的生產(chǎn)安全和個人的生命安全也造成威脅[3-4]。因此，礦井防滅火工作的研究意義重大，煤炭自然發(fā)火的防治快速發(fā)展，最大程度地降低了煤火災害的發(fā)生。

礦用凝膠是防治煤炭自然發(fā)火的關鍵技術，其材料研發(fā)種類也越來越多，其中應用最為廣泛的是無機硅酸鹽類凝膠[5]。最早水凝膠以水玻璃為基料，與銨鹽等促凝劑反應固化，形成的膠體含有水分吸熱降溫并能充填封堵煤孔裂隙，在采空區(qū)取得極好的防滅火效果；隨后，隋濤[6]向硅類膠體復合粉煤灰研制出高水、高性能的新型粉煤灰膠體，提高了膠體阻化降溫性能。雖然礦用凝膠研究愈加深入，但針對煤自燃及防治技術的歸納卻以傳統(tǒng)的文獻綜述形式為主[7]，受限于形式局限性使相關文章內(nèi)容較為籠統(tǒng)，不能全面直觀地展現(xiàn)彼此間的邏輯。

因此，借助科學文獻計量軟件CiteSpace，對過去近20 年的礦用凝膠領域的文獻進行可視化分析；對文獻的來源期刊、作者機構及其合作關系、關鍵詞熱點及突顯時間等要素以圖譜形式展現(xiàn)出來[8]；清晰地梳理該領域的研究現(xiàn)狀，以及不同時期階段性前沿方向的演變脈絡；并探究礦用凝膠領域未來能夠有所突破、有所創(chuàng)新的發(fā)展趨勢。

1 文獻來源與研究方法

1）數(shù)據(jù)來源。為確保全面準確地分析國內(nèi)礦用凝膠領域的發(fā)展，文獻取自于CNKI 中文數(shù)據(jù)庫。以高級檢索的方式設定時間范圍為2000—2022 年，以“防滅火”、“礦用凝膠”為檢索主題，剔除會議、資訊等相關性低的文章后，得到防滅火凝膠領域相關文獻共614 篇。

2）研究方法與工具。選用經(jīng)典可視化研究工具CiteSpace，將檢索文獻以“Refworks”格式導入軟件設定參數(shù)，即可用于作者、機構的合作網(wǎng)絡分析，以明確該領域的研究基礎；通過關鍵詞的共現(xiàn)網(wǎng)絡分析，獲得不同區(qū)段的研究成果和未來的研究趨勢。以圖譜的形式將國內(nèi)礦用凝膠文獻的作者合作、關鍵詞聚類、時區(qū)分布等要素直觀地展現(xiàn)出來[9]。CiteSpace 可以利用時間切片技術建立一系列隨時間變化的網(wǎng)絡模型，并將這些單獨的網(wǎng)絡綜合起來，形成1 個綜述網(wǎng)絡，以便系統(tǒng)地回顧相關文獻[8]。

2 礦用凝膠研究宏觀分析

2.1 發(fā)文趨勢分析

文章的發(fā)文數(shù)量反映著社會與學者的關注程度[9]。對檢索出的614 篇礦用凝膠領域文獻進行可視化統(tǒng)計，礦用凝膠發(fā)文量年度變化如圖1。圖中點線反應年發(fā)文量變化，虛線表示發(fā)文量隨年份的函數(shù)式，R2=0.696 反映出2000—2021 年礦用凝膠領域發(fā)表文獻數(shù)量平穩(wěn)。在近20 年來，隨著科技進步與研發(fā)投入的加大，使得我國防滅火技術有了穩(wěn)步發(fā)展。

圖1 礦用凝膠發(fā)文量年度變化Fig.1 Annual change in the number of mine-use gel articles issued

21 世紀以來，國家加大對煤炭行業(yè)發(fā)展監(jiān)管，組建安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局，煤炭產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展[10]，相關防滅火文章在2005 年達到該時期內(nèi)的峰值。歷經(jīng)此次發(fā)文量的頂點后，迎來了煤礦產(chǎn)業(yè)10余年的穩(wěn)步發(fā)展，使得礦用凝膠的相關文章發(fā)表處于1 個穩(wěn)定上升的階段，展現(xiàn)出礦用凝膠研究穩(wěn)中求進、欣欣向榮的勢頭，也表現(xiàn)出礦井遺煤自燃問題的嚴峻性與研究礦井防滅火凝膠的必要性。

2.2 發(fā)文作者及機構合作網(wǎng)絡分析

學者及研究機構在某一領域的合作網(wǎng)絡以及發(fā)文情況可以展現(xiàn)其活躍程度，通過合作網(wǎng)絡分析可以很清楚地找到該領域學術影響力較高的作者及機構[9]。在Citespace 的節(jié)點類型上設定“Author”與“Insitution”，設定默認參數(shù)，得到的合作網(wǎng)絡圖譜如圖2。圖中節(jié)點大小直接反映作者或研究機構的發(fā)文數(shù)量；節(jié)點間的連線表示各作者的合作關系，其連線的粗細表示合作頻次的高低。

圖2 礦用凝膠領域主要研究作者及機構合作網(wǎng)絡圖Fig.2 Collaboration network of major research authors and institutions in the field of mine-used gel

圖譜分析節(jié)點（nodes）＝241，連線（links）＝237，密度（density）＝0.015 9，數(shù)據(jù)反映出來，在絕大多數(shù)的作者中存在合作關系。在合作網(wǎng)絡圖中，高中介中心度的節(jié)點通常代表該圖譜中的“關鍵樞紐”[8-9]。在礦用凝膠的研究領域，中國礦業(yè)大學以0.1 的中介中心度位列首位，西安科技大學、太原理工大學位居2、3 位，說明幾所高校在礦用凝膠的研究領域影響較大，錯綜的連線表示與眾多企業(yè)、高校有所合作。

結合圖譜中各機構的合作分析發(fā)現(xiàn)，眾多高校與煤礦企業(yè)之間的合作廣泛而密切，說明礦用凝膠領域的研究已達到一定的成熟程度，各大高校都能與煤礦建立防滅火凝膠成果的轉化應用，通過性能研究之后將凝膠應用于煤礦企業(yè)的煤自燃防治。另外一些作者、高校的出版物數(shù)量較少，但它們也存有大量的合作伙伴。

3 礦用凝膠研究的知識基礎

高被引文獻代表著該研究領域較高的學術價值，可以很好地幫助快速了解該領域的核心內(nèi)容及主流的研究趨勢[10]。對所檢索文獻進行梳理分析，得出礦用凝膠領域被引量居前位的文獻。

梁運濤等[3]、秦波濤等[7]系統(tǒng)總結了國內(nèi)外煤自燃防治技術的進展與應用現(xiàn)狀；對各類防滅火技術的應用特點進行分析比較，如注漿、阻化劑、均壓通風等防滅火技術；探討了防滅火技術發(fā)展趨勢，致力于提高煤自燃預測預警，系統(tǒng)地實現(xiàn)煤自燃過程的動態(tài)分析；針對性地研究新型防滅火材料，提高復雜環(huán)境采空區(qū)的防滅火效果；較大程度上，對國內(nèi)煤自燃防治技術的發(fā)展奠定了理論基礎和參考價值。

盧國斌等[11]將煤自燃火災機理總結為煤的低溫氧化階段、氧化階段及煤穩(wěn)定燃燒階段3 個階段；指明了煤自燃發(fā)展過程的不同時期，采取相對應的措施能夠有效阻斷煤自燃事故的發(fā)生。

王德明[12]、鄔劍明[13]、張雷林[14]則分別提出了三相泡沫、聚氨酯彈性體、凝膠泡沫以充填惰氣覆蓋、堵漏煤孔裂隙阻斷氧氣及吸熱降溫等原理研發(fā)防滅火材料，使得礦用凝膠發(fā)展也有更廣闊的思路。

這些高被引文獻來自國內(nèi)煤礦領域較為權威的期刊，代表著在礦用凝膠領域早期發(fā)展奠定的堅實理論基礎。礦用凝膠的發(fā)展以理論研究與應用實踐為導向，其理論基礎是煤自燃發(fā)展過程、防滅火機理；應用主要是發(fā)掘研究新型高效的防滅火材料等。

4 礦用凝膠研究的熱點與前沿

4.1 關鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡

文章關鍵詞體現(xiàn)內(nèi)容的核心主題，關鍵詞共現(xiàn)分析以達到主題識別和熱點演進的目的[8]。選擇關鍵詞節(jié)點類型，設定閾值為2，顯示共現(xiàn)2 次以上的關鍵詞，并通過對圖譜網(wǎng)絡的布局優(yōu)化及干擾信息的修剪，分析出防滅火凝膠領域的關鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡圖，共有節(jié)點91 個，連線178 條，Modularity Q 值為0.769 6 大于0.3，這表明該圖譜能夠展現(xiàn)良好的聚類效果，Mean Silhouette 值為0.533 2，該聚類參數(shù)大于0.5，表明聚類具有合理性，2000—2021 年國內(nèi)礦用凝膠研究形成了較強的問題意識和較為穩(wěn)固的學術框架。

應用Citespace 軟件中的Keywords analysis，對防滅火凝膠領域詞頻數(shù)排列前10 的關鍵詞進行整理歸納，并對同義詞進行合并處理減小誤差，得到礦用凝膠領域的前10 個關鍵詞，保證了高頻次關鍵詞的分析效果，2000—2021 年礦用凝膠研究主要關鍵詞表（前10 個）見表1。由表1 可知：“阻化、新型材料”是近幾年礦用凝膠領域出現(xiàn)頻次較高的主題，越來越多的學者關注高效阻化材料的研發(fā)與應用。

表1 中關鍵詞在檢索文獻中呈現(xiàn)高頻率，所以受到的關注度較高。但是仍有少許關鍵詞出現(xiàn)頻率較低，比如流動特性、成膠時間、適用性等，說明學者對相關方向展開研究。因此，為了提高總結研究領域的精確度，借助CiteSpace 軟件的關鍵詞聚類這一功能，將關鍵詞根據(jù)類別劃分做出匯總聚類。

表1 2000—2021 年礦用凝膠研究主要關鍵詞表（前10 個）Table 1 Table of main keywords for mine-used gel research from 2000 to 2021（top 10）

4.2 關鍵詞聚類分析

軟件參數(shù)設定以年為時間片段，并選擇前50 個高頻節(jié)點為閾值，去除干擾項后，針對所得到的關鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡分析采用LLR 聚類，提取的前10 個礦用凝膠領域關鍵詞聚類圖如圖3。分別為：防滅火、煤自燃、凝膠材料、阻化性能、采空區(qū)、綜放工作面、應用、注膠體、凝膠泡沫、復合膠體。

圖3 礦用凝膠領域關鍵詞聚類圖Fig.3 Keywords clustering map in the field of mine-used gel

聚類視圖是通過計算關鍵詞的相似度集合重點信息，展現(xiàn)在此時間段內(nèi)關鍵詞的空間結構特征[8-9]。通過聚類分析圖譜可以總結出該時間段內(nèi)礦用凝膠領域的3 個重要方面。

4.2.1 凝膠材料的種類

煤礦行業(yè)的發(fā)展推動著凝膠防滅火技術的不斷研發(fā)，凝膠的多樣化可滿足不同生產(chǎn)條件的防滅火要求。根據(jù)材料成分將礦用凝膠分為3 大類：無機凝膠類、有機高分子凝膠類以及復合凝膠[5]。

1）無機鹽凝膠主要由硅酸鹽為基料，促凝劑一般選用氯化銨、硫酸銨等銨鹽類無機物，制備過程工藝簡單，成本相對較低，可適用于大范圍的采空區(qū)灌注；應用過程中可根據(jù)井下不同的發(fā)火情況及環(huán)境，將2 種成分按照所需濃度混合調節(jié)成膠時間，成膠后有較強的封堵性，能夠有效降低漏風率，減緩煤與氧氣的氧化過程；在煤快速升溫階段也有較強的耐溫性，膠體固定的水分受熱蒸發(fā)帶走熱量。針對銨鹽類凝膠受熱會產(chǎn)生毒害氣體，污染井下環(huán)境的問題；部分學者創(chuàng)造性地應用無銨膠體的起始黏度低、可灌性好等特點，大規(guī)模地應用于煤炭自然發(fā)火的預防與治理，大大降低了煤火災害，開創(chuàng)了我國凝膠防滅火材料的新局面；隨后，向單一無機鹽凝膠中添加粉煤灰、黃土等，使得這類膠體以其經(jīng)濟易操作、高阻化性能的特點開始大幅發(fā)展，廣泛應用于采空區(qū)防滅火；DENG 等[15]研究了各種抑制煤炭自燃的膠體材料性能，如FSA 微孔凝膠和粉煤灰復合凝膠，改性的無機類凝膠大大抑制煤的升溫速率、CO 生成和O2消耗；何理等[16]在硅類水玻璃膠體的基礎上添加石灰石，利用其與硫發(fā)生耗氧反應降低煤氧反應速率，對高硫煤礦的防滅火治理意義重大。

2）有機高分子凝膠以高分子聚合物為主要成分，添加交聯(lián)劑、改性劑等材料反應制成[17]。常用基料為聚丙烯酰胺、聚丙烯酸鈉/鉀、N，N－亞甲基雙丙烯酰胺以及天然聚合物（纖維素、木質素、海藻酸等）[18]等，這些有機材料結構中含有大量的親水性基團（-OH、-COOH 等），可以吸收更多的水分，并有多種官能團易在不同條件下反應改性，大幅提高了凝膠的阻化性能，使得凝膠的防滅火效果更佳，有效防止煤層復燃；無毒、無味、高阻化、吸熱降溫的高分子凝膠材料逐漸發(fā)展起來，有著廣闊的應用前景；其中，高分子材料改性主要有交聯(lián)、接枝共聚及復配3 種方式[19]，分別通過不同的修飾方法改變分子的結構。交聯(lián)使得線型類高分子鏈同過鍵合作用形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀結構，更好地保有水分提升對煤體的吸熱降溫作用；YAN 等[20]基于海藻酸鈉與Ca2+發(fā)生原位交聯(lián)反應及順式二醇與B（OH）4-絡合成網(wǎng)制備了SA/P/B/CA 凝膠，并通過程序升溫氧化實驗、熱重分析等一系列的分析方法檢驗了對煤自燃的抑制作用，延緩煤體放熱速率19%以上，該高分子凝膠展現(xiàn)出優(yōu)異的防滅火性能；接枝共聚技術將具有某種優(yōu)異特性的單體接枝到大分子鏈上，以此來提高高分子凝膠的特定功能[19]；林梅欽等[21]利用羥丙基淀粉接枝方法，對聚丙烯酰胺凝膠的強度和彈性進行了強化，大大提高了膠體在流動過程中的流變性能；CHENG等[22]提取玉米秸稈中的纖維素，并將單體AMPS 接枝到纖維素鏈上，提高了凝膠的穩(wěn)定性和抗剪切性，制備了一種耐高溫的響應型智能水凝膠，這種對可生物降解的玉米秸稈再利用，既能解決焚燒造成的碳污染又能降低凝膠成本，為凝膠的進一步發(fā)展提供了思路。

3）復合凝膠是以“無機加有機”相結合的方式，提高單一水凝膠的力學性能及封堵性能[23]，主要類型有稠化膠體類、三元復合膠體、硅酸鈉/聚合物復合凝膠等；XU 等[24]針對我國西北部多土少水的環(huán)境，通過從無機礦物、有機聚合物和分散劑中獲得的懸浮砂膠體可以避免灌漿用水過度，克服了漿體流動過程中阻力過大，提高了注砂質量和阻化作用；REN 等[25]通過將陽離子聚丙烯酰胺、陰離子聚丙烯酰胺和羧甲基纖維素分別引入硅酸鈉凝膠中，開發(fā)了新型硅酸鈉/聚合物復合凝膠，提高了水凝膠的滲透能力和抗壓強度，有效解決了無機類膠體失水開裂和粉化的問題，對煤體長期有效覆蓋封堵，減緩煤氧反應過程。

4.2.2 凝膠性能研究

礦用凝膠作用機理即破壞煤自然發(fā)火的條件，抑制自燃。其中膠體的混合溶液滲透到煤的孔隙結構中包裹煤體，封堵浮煤表面的縫隙，隔絕氧氣供應；凝膠結構穩(wěn)定含有大量水分，在煤體氧化升溫時蒸發(fā)帶走熱量，減緩煤層熱量的積聚速率[15]。因此，從防滅火作用機理出發(fā)可以判定凝膠性能的優(yōu)劣。

衡量凝膠的性能需要從多個維度出發(fā)，包括凝膠特性及微觀結構變化。凝膠在配制過程中的組分比例、環(huán)境溫度、pH 值、混合程度等會對凝膠質量有所影響[14]。在凝膠性能表征上，秦波濤等[7]通過將程序升溫裝置與溫度采集裝置組合設計了煤自燃特性綜合測試系統(tǒng)，可以模擬凝膠處理煤樣在20～400 ℃的煤自燃過程，以此檢測凝膠的阻化性能；王俊峰等[17]對礦用凝膠的基礎性能包括熱穩(wěn)定性、承壓性能、保水性、膠體的黏結性及滲透性進行測試，都直接反映了凝膠在防滅火過程中的抗溫水平及封堵煤孔隙的能力；另外借助流變儀測試分析凝膠流變性的影響因素，研究膠體在管道輸送過程中的流動特性，最大程度地解決膠體灌注過程中的阻力復雜問題。高分子凝膠微觀測試的幾種方法，包括FTIR 紅外光譜法鑒別高分子材料的管能團變化，NMR 法對材料的C、H 結構及數(shù)量進行無損檢測，保證反應結果的準確性，DSC 法直接測量高分子凝膠的熱容量變化，對其熱穩(wěn)定性進行檢測；X-射線衍射對無機類凝膠中的晶體排列方式表征明顯，SEM 法對凝膠的形態(tài)結構直觀的展現(xiàn)出來，以及觀察處理煤樣前后表面的粗糙程度也可以判定凝膠對煤體阻化產(chǎn)生的反應變化[26]。并隨著科技水平的提高，檢測凝膠性能的手段更加豐富。

4.2.3 現(xiàn)場應用

礦用凝膠的使用場所是在環(huán)境復雜的礦井，實際的工程應用中對凝膠材料及注膠設備及方式的選擇要綜合施工工藝、膠體流動特性及擴散規(guī)律、防滅火效果等多因素考慮。高崗榮[27]對我國幾種注漿技術的發(fā)展現(xiàn)狀進行了綜述，分別分析了常用的地面預注漿、井壁注漿、井巷工作面預注漿等技術的工藝要點，在注漿過程中要充分保證注漿效果及適宜現(xiàn)場環(huán)境的鉆孔工藝；朱開成等[28]以地面預注漿技術為例，根據(jù)開采進度與注漿順序分為3 種注漿方式，并對注漿材料的流動黏結性做出要求，通過添加懸浮劑等材料提高凝膠在流動過程中的穩(wěn)定性；柳昭星等[29]在現(xiàn)場注漿過程中對于鉆孔設計與注漿過程無法準確把握，現(xiàn)場實工風險較大，因此，解決此類問題多采用理論分析凝膠的流變特性與漿液擴散模型，建立試驗臺進行相似模擬實驗及數(shù)值模擬分析來對比驗證，制定切實可行的現(xiàn)場應用方案；ZHENG 等[30]應用CFD-DEM 等軟件來模擬探究管道及注膠區(qū)域的流體擴散規(guī)律也逐漸發(fā)展成解決現(xiàn)場施工難題的關鍵方法。

4.3 關鍵詞突顯分析

關鍵詞突顯分析表示某時間段內(nèi)的研究熱點，根據(jù)演變規(guī)律可以進一步發(fā)現(xiàn)研究的趨勢，為學者在研究過程中預示發(fā)展方向。依據(jù)上文關鍵詞的聚類分析，在Control Panel 中選擇Burstness 共獲得11個有效關鍵詞，2000—2021 年礦用凝膠領域關鍵詞突顯表見表2，表2 中線條加粗表示該詞在時期內(nèi)的突顯狀況。

表2 2000—2021 年礦用凝膠領域關鍵詞突顯表Table 2 Keywords highlighting in the field of mine-used gel from 2000 to 2021

從表2 中可以概括出礦用凝膠領域研究趨勢的3 個發(fā)展階段：①在2000—2005 年“防滅火技術、應用、無機類凝膠”等相關突顯強度較大，無機材料的廣泛應用，成為當時防滅火研究領域的重點工作；②2006—2013 年針對硅酸鹽凝膠的“復合膠體、材料配比”進行的技術革新，膠體復配提高了防滅火效果；③從2013 年以來，對高分子材料的“接枝共聚、交聯(lián)”等改性技術成為時下研究熱點。

礦用凝膠的防滅火機理日趨完善，理論發(fā)展放緩，其發(fā)展方向則趨向于凝膠自身的防滅火效果。將改性高分子凝膠材料的高阻化效果與綠色發(fā)展的時代背景相結合，應用于礦井防滅火，纖維素基衍物質來源廣泛，并具有生物降解性、相容性等特點，不易對環(huán)境造成污染，在其他多個行業(yè)領域已有較快發(fā)展與應用[31]。綜合發(fā)展來看，綠色環(huán)保、成本低廉、易于修飾的天然纖維素及高聚糖分子制備生物質凝膠是新材料研發(fā)主要的發(fā)展趨勢。

5 結 語

1）目前我國高校中，中國礦業(yè)大學和西安科技大學研究礦用凝膠領域處于引導地位，對該領域發(fā)展做出重要貢獻。另外，各研究機構與煤礦企業(yè)合作密切，能夠很好地實現(xiàn)理論研究與現(xiàn)場應用結合，提高礦用凝膠的可持續(xù)發(fā)展。

2）在關鍵詞聚類分析中，對礦用凝膠研究分為凝膠種類、性能研究及現(xiàn)場應用3 個方面。分別對其進行特征分析，梳理礦用凝膠的發(fā)展脈絡。

3）由關鍵詞突顯區(qū)段分析可知：無機類凝膠開創(chuàng)了礦用凝膠材料的應用。隨著綠色生產(chǎn)及研究的深入，凝膠研究發(fā)展為水玻璃復合粉煤灰類凝膠；目前研究熱點在新型有機高分子材料的改性應用，發(fā)展趨勢集中于高性能、低成本的生物質凝膠研發(fā)，旨在提高防滅火效果、綠色可持續(xù)發(fā)展。