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

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(kāi)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(lái)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(shù)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ⅲ紫对龃骩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(lái)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(wèn)題，為該領(lǐng)域的研究前沿、科學(xué)問(wèn)題確定、研究方向選擇提供借鑒。

1 研究方法及數(shù)據(jù)來(lái)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(kāi)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(wèn)題提供參考。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

數(shù)據(jù)來(lái)源：中國(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)；檢索策略通過(guò)高級(jí)檢索：以主題詞“孔隙”和“煤”進(jìn)行檢索；納入論文來(lái)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(jiàn)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(jiàn)圖1，從1956～2016年呈上升趨勢(shì)，隨之呈震蕩趨勢(shì)，通過(guò)CNKI官方預(yù)測(cè)2020年的發(fā)文量為340篇，又呈現(xiàn)出來(lái)下降，總體來(lái)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(guò)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(lái)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(méi)有連線，說(shuō)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(guò)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(jiàn)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(guò)timezone視圖了解該領(lǐng)域的研究前沿，通過(guò)Timeline視圖看出關(guān)鍵詞聚類(lèi)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(guò)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(guò)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(lèi)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(kāi)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(shuō)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(méi)有停止過(guò)，隨著科技的發(fā)展，煤的孔隙研究?jī)?nèi)容逐漸加深，說(shuō)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(lái)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(shuō)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(guò)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(guò)CNKI官方預(yù)測(cè)2020年的發(fā)文量為340篇，又呈現(xiàn)出來(lái)下降，總體來(lái)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(lái)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(méi)有連線，說(shuō)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。