基于CiteSpace采空区煤的孔隙研究热点与趋势分析

王乙桥，司俊鸿，王永建，邵意添

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201)

0 引言

煤矿采空区是由遗煤和垮落岩石构成的非均质多孔介质，受工作面开采条件、矿井煤田地质条件等因素的影响，该区域是煤矿安全事故的重灾区，具有灾害隐蔽性较强、流场复杂、治理难度大等特点[1]。采空区中的气体、液体分布于煤岩体之间的孔隙空间，在矿井通风负压的驱动下，在采空区导通孔隙区域内流动，合理确定煤岩体的孔隙结构是研究采空区流体运移规律的重要基础，对于采空区瓦斯、煤自燃等灾害的防治具有重要的意义。

近年来对于煤的孔隙研究热点，主要集中在对孔隙率、渗透率的研究，尹光志等人总结了煤体渗透率主要影响因素是有效应力、温度和瓦斯压力，以及随着抽采时间的增长，煤层的孔隙率逐渐减小[2]；曹树刚等人得出，随着瓦斯压力的增加，突出煤体的渗透率呈现出先减小后增大的趋势，具有明显的Klinkenberg效应；渗透率随瓦斯压力的增加呈“V”字形变化，具有明显的阶段性[3]；赵文彬等人研究在室温25℃时，浸水失水煤样经长期浸水后，煤体吸水溶胀发生破裂，孔隙结构由紧实变为松散，孔隙增大[4]；其重大成果主要包括采空区“O”型理论、采空区冒落非均质多孔介质数学模型、采空区非均质多孔介质渗透特性三维模型[5,6,7]、多孔介质孔隙结构特征分形理论等[8]。为了精准把控该领域的研究成果与研究方向，论文以中国知网数据库为数据来源，以1956年至2020年7月与煤的孔隙研究相关的文献为研究对象，利用CiteSpace引文空间分析法对文献分布、研究成果和研究热点进行分析，总结概括出我国采空区煤的孔隙研究领域的热点问题，为该领域的研究前沿、科学问题确定、研究方向选择提供借鉴。

1 研究方法及数据来源

1.1 研究方法

CiteSpace引文空间分析法是基于海量文献检索结果的可视化数据分析方法，由美国Drexel University陈超美教授开发，依托文献中关键词条之间的联系，利用数学算法分析文献间的相互关系，可呈现科学知识的结构、规律和分布情况，为跟踪学科前沿、寻找科学问题提供参考。

1.2 数据来源

数据来源：中国知网数据库；检索策略通过高级检索：以主题词“孔隙”和“煤”进行检索；纳入论文来源：所有文献；检索时间：不限；最终共检索到4524篇文献，去除3篇报纸，一共4521篇文献，其中期刊论文2760篇，占61.05%，学位论文1619篇，占35.81%，会议论文142篇，占3.14%。

1.3 软件参数设置

将文献信息导入CiteSpace软件中，时间设置为1956～2020年，以1年为数据切分年代，作者、机构和关键词的阈值选择及剪切方式见表1。

表1 参数设置

2 可视化分析

2.1 发文数量与年份分析

文献的年发文频率能有效衡量该领域的发展现状、发展速度和受社会重视的程度，1956～2019年国内与煤的孔隙研究相关文献数量的变化情况见图1，从1956～2016年呈上升趋势，随之呈震荡趋势，通过CNKI官方预测2020年的发文量为340篇，又呈现出来下降，总体来看，呈上升发展趋势。

图1 煤的孔隙研究相关文献发文量统计

2.2 作者共现可视化分析

通过CiteSpace进行作者网络共现分析，在图2 中共纳入31名作者，作者在该领域内的活跃度由字体和节点大小表示，作者在该领域影响力越大，其字体和节点就越大，排名前五的依次是王来贵、汤达祯、秦勇、许浩、姚艳斌，这些较大影响力的作者之间没有连线，说明在高影响力范围内，作者与作者之间缺乏合作与交流。借鉴普莱斯确定核心作者的方法，确定高被引论文最低被引次数：

(1)

式中，Mp为高被引论文最低被引次数；Npmax为单篇最大被引次数。

图2 作者可视化分析结果图

将单篇最大被引次数为133代入式(1)计算得出Mp为8.64，对其取整数为9，其中发文量9篇及以上的作者共65，合计发文1902篇，占总文献数的42.07%，由于占比数量小于50%，因此，未形成核心作者群。

2.3 机构合作可视化分析

由图3可以看出，影响力排名靠前的机构依次为：辽宁工程技术大学力学与工程学院、中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院、太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室、中国矿业大学资源与地球科学学院、中国地质大学(北京)能源学院、河南理工大学安全科学与工程学院等，且多所机构间都有合作和联系，连线数有354条。

图3 机构可视化分析结果图

2.4 关键词分析

关键词共现分析是指未达到词频阈值要求的发现词频，相对增长率突然增加的词反映研究主题潜在的发展趋势，可以表明研究热点和前沿。通过CiteSpace可视化分析软件分析4521篇文献，生成关键词共现图谱如图4(节点数447，连线数1069)，关键词出现频次排名前五依次为：煤层气(902次)、孔隙结构(610次)、渗透率(506次)、数值模拟(275次)、煤储层(190次)。高频关键词代表了当前的研究热点，即在关于煤的孔隙研究领域前沿主要是煤层气、孔隙结构、渗透率、数值模拟、煤储层，具体见图4。

图4 关键词共现分析结果图

根据Donohue提出的高频词与低频词分界公式：

(2)

式中，T为高频词出现的最低次数；I为关键词的个数，447个。

计算1956～2020年近六十四年关于煤的孔隙研究领域相关文献的高频词与低频词界分阈值T为29.4次，最终选择关键词出现30次以上的为高频词，有煤层气、孔隙结构、渗透率、数值模拟、煤储层、孔隙、煤与瓦斯突出、构造煤、孔隙率、分形维数等多达57个高频关键词。图5和图6分别是关键词timezone视图和关键词timeline视图，可以通过timezone视图了解该领域的研究前沿，通过Timeline视图看出关键词聚类反应该研究领域的现状。关键词首先出现的区域，提示本研究首次出现的时间，字体大小反应了所有年份累次出现的次数，通过图5可以看出，逐年变化的研究内容，并直观地展现了本领域研究热点的迁移过程，呈现出关键词从单一到多样关注的演变特点，并且关键词的时间断面与发文量变化基本吻合。由图6可以看出，有54个关键词成为了突发关键词，近几年吸附解吸、煤自燃、低阶煤、孔隙特征、分形特征、压汞法、等温吸附、核磁共振等成为研究的焦点。由图7可以看出，关键词的聚类标识有10个，可以从连线分析出每个标识的研究进展。

图5 关键词timezone图

2.5 期刊分布情况

本文在中国知网中纳入4521篇文献，其中有2761篇期刊，其中排名前3位的依次为：煤炭学报(207次)、中国矿业大学(202次)、煤炭科学技术(150次)，分别占总期刊的7.50%、7.32%、 5.43%。

3 研究热点与趋势分析

3.1 研究热点

从图6可以看出，有54个关键词成为了突发关键词，近几年吸附解吸、煤自燃、低阶煤、孔隙特征、分形特征、压汞法、等温吸附、核磁共振等成为研究的焦点。随着科技的进步，研究者可以借助更多的先进技术去研究孔隙，例如建立合乎实际的孔隙模型，为井下气体输运研究提供基础。从1956年就已经开始研究纳米孔隙、渗透率、孔隙结构，而且都持续了近五十年的时间，说明在关于煤的孔隙研究领域起步较早，对于后学者有良好的借鉴基础。综上所述，从1956年至今，关于煤的孔隙研究都没有停止过，随着科技的发展，煤的孔隙研究内容逐渐加深，说明了煤的孔隙研究具有较大的研究意义。

图6 具有最强引用爆发的前25个关键词

图7 关键词timeline 视图

3.2 研究趋势

从发文较多的机构来看，研究地域遍布全国，还可以知道以辽宁工程技术大学力学与工程学院、中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院、太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室、中国矿业大学资源与地球科学学院、中国地质大学(北京)能源学院、河南理工大学安全科学与工程学院等高等院校为主导的研究机构促进了关于煤的孔隙研究领域的蓬勃发展；本文纳入1956年至2020年7月15日关于煤的孔隙研究相关文献进行分析，在2016年是研究的高峰，在此之前研究趋势一直呈现上升趋势，2016年之后就出现了波动下降，说明研究的热度有所下降；对于机构和作者之间的相互合作和交流较多，有利于促进本领域的发展，但在日后仍需加大合作与交流。

通过citespace可视化软件研究分析，结果显示，煤的孔隙研究已经形成一个比较完整的体系，但随着时代的变迁，其研究内容、热点有所侧重。主要分为三个阶段，1956年至2000年侧重研究孔隙本身的基本性质，如渗透率、孔隙率等；2001年至2015年侧重研究的孔隙内部结构及特征，如数学模型、应力场等；2016年至2020年7月主要是利用先进技术，进一步深究煤的孔隙相关内容，如核磁共振、分形维数等研究。

本文主要从发文量、作者、关键词、机构及期刊五个方向探讨了关于煤的孔隙研究，从数据分析得知，我国对于煤的孔隙研究时间跨度范围广，在2016年处于研究的高峰时期，但近四年有所波动性下降；此外，核心作者和机构推动了我国煤的孔隙研究发展；研究趋势仍然是以煤的孔隙内部结构及特征为发展方向。

4 结论

(1) 本文仅选取了CNKI数据库中关于煤的孔隙研究文献，得出了4524篇文献；其中期刊论文2760篇，学位论文1619篇，会议论文142篇，报纸3篇。

(2) 采用了文献计量的方法进行了分析，得出了从1956～2016年呈上升趋势，随之呈震荡趋势，通过CNKI官方预测2020年的发文量为340篇，又呈现出来下降，总体来看，呈上升发展趋势；作者在该领域影响力排名前五的依次是王来贵、汤达祯、秦勇、许浩、姚艳斌，这些较大影响力的作者之间没有连线，说明在高影响力范围内，作者与作者之间缺乏合作与交流，经分析未形成核心作者群；机构影响力排名靠前的机构依次为：辽宁工程技术大学力学与工程学院、中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院、太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室、中国矿业大学资源与地球科学学院、中国地质大学(北京)能源学等，且多所机构间都有合作和联系，连线数多达354条；关于煤的孔隙研究领域前沿主要是煤层气、孔隙结构、渗透率、数值模拟、煤储层等，且关键词出现30次以上的为高频词，有煤层气、孔隙结构、渗透率、数值模拟、煤储层、孔隙、煤与瓦斯突出、构造煤、孔隙率、分形维数等多达57个高频关键词；期刊排名前3位的依次为煤炭学报(207次)、中国矿业大学(202次)、煤炭科学技术(150次)，分别占总期刊的7.50%、7.32%、5.43%。

(3) 经分析得出近五年的研究热点有吸附解吸、煤自燃、低阶煤、孔隙特征、分形特征、压汞法、等温吸附、核磁共振等相关研究。

(4) 煤的孔隙研究趋势：以煤的孔隙内部结构及特征为发展方向。