基于期刊数据库的煤与瓦斯突出研究现状分析

谢 宏，戴 巍

(华北科技学院，北京 东燕郊 065201)

0 引言

煤炭是全球最大储量的化石燃料。它是大多数国家和地区的主要电力能源，也是全球能源的重要组成部分。2017年，全球煤炭消费量相当于37.5亿吨石油，而煤炭很可能在未来几十年仍将是重要的增长动力和能源。但是，煤炭开采是一个危险的过程，尤其是煤与瓦斯突出灾害能够在较短的时间内产生巨大的冲击力量, 破坏井下通风设施、生产设备及摧毁井下巷道支护等[1], 严重的甚至引起瓦斯爆炸事故，造成大量人员伤亡，是井下最严重的动力灾害之一。因此研究煤与瓦斯突出机理，预测突出危险性，做好防突工作，对保障煤矿安全生产，维护人的生命健康安全具有重要的意义。多年来，国内外学者对煤与瓦斯突出的机理、预测、防治做了大量的研究工作。周世宁和何学秋提出了煤与瓦斯突出的“流变假说”[2]；蒋成林和俞启香提出了煤与瓦斯突出的“球壳失稳假说”[3]；李萍丰提出了“二相流体假说”[4]；梁冰等提出了“固流耦合理论”，研究煤与瓦斯固流耦合下的煤岩体失稳变形问题[5]；师皓宇等研究了煤与瓦斯突出的力学机理和能量来源[6]；付华等研究利用核主成分分析法提取突出主要指标，将Memetic算法和ELM网络相结合，建立了一种改进的极限学习机突出预测模型[7]；杨力等人采用了灰色关联分析对煤与瓦斯突出指标进行了提取，并综合了模糊理论与支持向量机的学习理论建立了基于模糊支持向量机的煤与瓦斯突出预测模型[8];杨正宇等研究了冲压一体化卸压增透技术，提高了瓦斯抽采钻孔的抽采浓度和抽采纯量,缩短煤层瓦斯抽采达标时间[9]。

综上所述，煤与瓦斯突出领域研究具有方向多，覆盖面大，学科交叉程度高，涉及的知识面广的特点。因此，为把握煤与瓦斯突出领域的研究热点与研究前沿，利用CiteSpace软件构建知识图谱，对作者、发文单位、研究热点、研究趋势进行可视化表达，分析煤与瓦斯突出领域的研究现状，探究未来的发展方向，为煤与瓦斯突出领域的深入研究提供参考。

1 数据来源及研究方法

1.1 数据来源

选择CNKI文献数据库作为数据来源，以“煤与瓦斯突出”为主题，对中文核心期刊、CSSCI、SCI、EI来源期刊进行检索，获取2000-2020年的数据文献2201篇，剔除期刊会议征稿、卷首语、无明确作者、新闻报道、通知公告等记录，以及其他与煤与瓦斯突出研究不相关文献，最终得到2025篇文献进行分析。

1.2 研究方法

CiteSpace是一个基于Java的可视化文献分析软件，通过挖掘文本、分析核心信息、科学量化和绘制网络，以可视化形式呈现研究领域的知识结构，从而帮助科研人员准确把握研究主线，认清知识结构与分布特征，洞悉研究热点，合理预测未来的发展趋势[10]。

2 煤与瓦斯突出研究的可视化分析

2.1 论文产出分析

统计每年的论文产出数量，能在一定程度上的反映出该领域的发展趋势、整体的变化情况、受科研人员的重视程度。统计2000-2020年煤与瓦斯突出领域论文产出，如图1所示。从图1可以看出，该领域研究总体呈现稳步上升的态势，根据走向，可将其发展过程分为三个阶段。2000-2003年是起步阶段，该阶段年最大发文量不超过30篇，总体上数量较少。2004-2015年是迅猛发展阶段，该领域研究急速升温，年发文量迅速上升，这其中既有行业蓬勃发展的大背景也与安全监管体系不断完善密不可分。通常认为，2003-2012年是煤炭行业的“黄金十年”，产业规模急速扩大，行业利润明显上升，与之相关的学科领域研究受行业发展刺激的影响，开始进入发展高潮。另一方面，2003年以后，国家安全生产监督管理局和煤矿安全监察局也相继成立，随着国家对煤矿安全重视程度不断提高，加大了对相关行业的监督检查力度，与煤矿安全生产息息相关的煤与瓦斯突出研究在这两方面因素刺激下，研究热度直线上升，2009年《防治煤与瓦斯突出规定》公布后，研究热度达到顶峰并一直持续到2015年。2015-2020年是波动回落阶段，在经过十一年迅猛发展，研究瓶颈越来越大和煤炭行业进入“寒冬期”的双重影响下，该领域年发文量逐渐下降，关注度有所降低，但仍处于相对高位。

图1 2000-2020年煤与瓦斯突出领域发文数量

图2 煤与瓦斯突出领域发文作者共现图谱

2.2 作者共现可视化分析

CiteSpace作者共线分析图能够反映出当前领域的核心研究人员以及研究人员之间的合作关系，其中，节点大小反映作者发文数量，连线粗细和数量反映作者之间的合作关系[11]。

根据普莱斯定律可以确定煤与瓦斯突出领域的核心作者，公式为：

(1)

式中，M为论文数量；NMAX为最高产作者发文数[12]。经统计，发文量最多的作者为程远平，发文量39篇，代入计算可得，M为4.678。向上取整可知，发文量达到5篇及以上的可视为煤与瓦斯突出领域的核心作者。按此标准统计后，达到要求的作者共计105位，他们构成了煤与瓦斯突出领域的学术基础。核心作者累计发文量1193篇，占总发文数量58.9%，根据普莱斯定律，当学科核心作者发文量超过50%，标志形成学科核心作者群。从图2煤与瓦斯突出研究领域发文作者合作网络图谱可以看出，在瓦斯突出研究领域形成以部分学者为核心的研究团队，团队与团队之间通过核心作者相互联系的核心作者群。网络图谱整体上呈现出学校内部交流合作为主，主要体现为学校内部老师与老师之间、老师与学生之间、同学与同学之间的合作，跨区域，跨学校合作较少，今后应加强研究团队之间的交流合作，强化跨区域、跨学校之间的沟通交流，促进学科平稳有序向前发展。

另一方面，统计发文量居前十名的作者信息，见表1。分析表1可知，程远平、蒋承林、刘明举、许江、张宏伟、刘泽功、魏建平、张子敏、彭守建、刘健等发文量均在20篇以上，是煤与瓦斯突出领域研究的骨干力量，在2000-2020年间相较于其他作者发表了更多高水平论文，具有更高的学术价值和社会影响力，对煤与瓦斯突出领域的发展与完善起到不可或缺推动作用，关注高水平作者研究方向在一定程度上有助于发现该领域研究未来的发展方向。

表1 煤与瓦斯突出领域发文量居前十名的作者信息

2.3 机构合作可视化分析

研究发文机构，能够发现煤与瓦斯突出领域研究的核心科研力量及机构之间的合作关系，科学评价科研机构的学术影响力，为该领域的学术交流、学者进一部深造提供参考借鉴。

从图3煤与瓦斯突出领域机构合作共现图谱来看，研究机构主要由高校和研究院组成，中国矿业大学、中国矿业大学(北京)隶属的各个学院及重点实验室，在网络中高频出现，构成了机构合作图谱的主干，表明中国矿业大学是该领域的核心研究单位，处于行业领先的研究地位。机构之间的合作以同一学校不同学院之间的合作为主，不同学校之间，研究院与学校之间，企业与学校之间的合作较少，说明不同学校，产学研之间的大范围交流没有形成，缺乏紧密沟通协作。

3 研究热点及趋势分析

3.1 研究热点分析

关键词反映文章的核心主题，是对文章内容的高度概括，是文献计量研究非常重要的指标。

将2118篇文献导入CiteSpace软件，执行关键词聚类操作，绘制安全氛围领域关键词共现图谱，如图4所示。图4中共有节点403个，503条连线，网络密度为0.0062。节点的大小表示关键词出现的频次，连线表示关键词的共现，连线的粗细表示关键词之间的连接强度。根据关键词出现频次，得到排名前30位的热点关键词见表2。

图3 煤与瓦斯突出领域机构合作共现图谱

图4 煤与瓦斯突出领域关键词共现图谱

表2 煤与瓦斯突出领域热点关键词

在CiteSpace中通常认为中心性大于0.1的关键词比较重要，称为关键节点。经统计，表2中心性大于0.1的关键词共有19个：煤与瓦斯突出、瓦斯压力、石门揭煤、数值模拟、构造煤、地质构造、瓦斯抽采、临界值、瓦斯地质、突出煤层、区域预测、电磁辐射、敏感指标、采矿工程、突出预测、渗透率、防突措施、危险性评价、掘进工作面。分析可知，这19个关键词与煤与瓦斯突出领域研究密切相关，构成了煤与瓦斯突出领域研究的基石，结合图4，可以将煤与瓦斯突出领域研究分成三个方面。

(1) 煤与瓦斯突出机理研究。这一方向的核心关键词包含“瓦斯压力、构造煤、地质构造、瓦斯地质、地应力、瓦斯含量、渗透率、孔隙结构、瓦斯放散初速度”等。煤与瓦斯突出领域研究经多年发展，普遍认为煤与瓦斯突出是在地质构造、煤层瓦斯和煤体结构等因素耦合作用下导致的矿井地质灾害，多发生在构造变形带及其附近，分布具有不均衡和分区分带的特点[13]，但煤与瓦斯突出内在机理十分复杂，是井下煤体、岩体和瓦斯系统在外力扰动变形过程中的能量积聚和非稳态能量释放的非线性动力耦合的复杂过程，目前尚不存在一个理论模型能解释清楚所有突出问题[14]。因此，深入研究煤与瓦斯突出的成因与变形过程，影响因素及这些因素在突出过程中所起的作用具有十分重要的意义。

(2) 煤与瓦斯突出预测研究。这一方向的核心关键词包含“数值模拟、临界值、区域预测、电磁辐射、敏感指标、突出预测、危险性评价”等。核心关键词主要围绕预测指标的选取和预测技术及工艺，表明研究中关注不同矿井因煤层赋存条件和开采技术不同，因矿施策，确定符合矿井实际的敏感指标及其临界值和以电磁辐射、数值模拟技术为代表的新技术新工艺在煤与瓦斯突出预测领域的应用。

(3) 煤与瓦斯突出防治研究。这一方向核心关键词包含“石门揭煤、瓦斯抽采、突出煤层、冲击波、水力压裂、防突措施、掘进工作面、保护层开采”等。据统计，我国千吨级及以上的特大煤矿突出事故中，石门揭煤工作面发生煤与瓦斯突出约占70%～80%，其突出强度达到其到其他巷道煤与瓦斯突出强度的六倍以上[15]。因此，围绕易突出工作面，研究瓦斯抽采、水力冲孔、保护层开采等消突技术，是促进安全揭煤，正常掘进交替的重要安全保障。

3.2 研究趋势分析

CiteSpace使用突显词检测功能来预测研究前沿，通过检测短时间内突显词的词频变化来判断研究领域的前沿与趋势。如图4所示，煤与瓦斯突出领域研究共得到18个突现词。根据图4显示的结果，从2000-2020年之间，按照时间顺序，大致可将我国煤与瓦斯突出领域研究划分为三个时期。从2000-2010年，电磁辐射、人工神经网络、地质动力区划、防突措施、瓦斯抽放是这段时期煤与瓦斯突出领域研究的突现词，其中，电磁辐射具有最高的突现强度，说明进入二十一世纪以来，以电磁辐射为代表的瓦斯新突出预测技术，因其具备实时、连续、快速预警的能力，在完善瓦斯预警技术，提高预测准确性方面得到了科研工作者的广泛关注。同时，以人工神经网络为代表的支持向量机 、分型维数、模糊数学、灰色关联分析等数学物理模型逐渐运用到煤与瓦斯突出预测研究领域，帮助实现由定性分析向定量分析的转化，对提高预测模型的准确性，克服传统预测方法存在的瓦斯突出误报和漏报的缺陷，为实现实时、动态、智能化预警提供保障。2011-2018年，瓦斯抽采突显词强度最高，由瓦斯抽放到瓦斯抽采，一字之差，反映的是我国煤炭行业在环境保护、发展理念方面的变化，更加注重能源的回收利用，实现可持续发展。此外，瓦斯赋存、煤体结构、地应力为该阶段煤与瓦斯突出机理领域的主要研究内容。2019-2020年，孔隙结构、卸压增透为最新的研究前沿与研究主流。科研人员开始更多的关注煤体结构之间的差异对瓦斯放散所造成的影响。另外，对松软煤层采用水力化卸压增透来解决瓦斯抽采所面临的抽采难度大、消突时间长的难题，正成为新的研究主题。

可以预见，随着煤矿开采深度与开采强度增加，瓦斯突出风险逐渐上升，做好瓦斯突出风险的监测预警愈发重要，但突出致因机理复杂，涉及生产系统、地质构造、煤层赋存、瓦斯赋存、瓦斯监测、矿压监测、声发射、工程措施等多源、多类信息，随着时间的累积，数据量巨大，已初步呈现“数据爆炸”的大数据特征，但这些海量数据尚没有得到充分的利用，因此，如何更准确、更智能的对相关数据进行深度挖掘，有效利用，将会是科研人员值得关注的发展方向。未来瓦斯突出领域的研究将呈现出信息化，智能化，多学科交叉融合发展的趋势，大数据、云计算、互联网技术等为代表智能技术将广泛应用于煤矿安全生产工作中。

图5 煤与瓦斯突出领域研究突现关键词

4 结论

(1) 通过对2000—2020年煤与瓦斯突出领域研究的知识图谱分析发现，研究发展受到产业现状和行业监管的影响，目前研究呈现整体波动上升的趋势。研究作者、研究机构形成了以中国矿业大学、中国矿业大学(北京)为核心的矿业特色院校，有较强的研究实力。

(2) 煤与瓦斯突出领域研究热点可归纳为三个方面：瓦斯突出机理、瓦斯突出预测、瓦斯突出防治。该领域未来的发展将会以大数据为基础，智能化、信息化为支撑，实现煤与瓦斯突出的实时预警，动态监测，智能分析，在线发布与远程查询。同时，从抽放到抽采的转变说明该领域研究未来将更加关注能源的可持续发展，将瓦斯治理需求与严峻环保形势相结合，变“废”为“宝”，转“危”为“安”，实现黑色资源的“绿色革命”，让能源开发、经济增长与环境保护多方共同受益。

(3) 未来不同地域、不同院校、不同学科之间的专家学者及科研院校应加强协作、沟通交流，促进各学科、各领域、各地区均衡发展，更加科学、细致的研究问题，提升国内整体研究水平。