基于CiteSpace的深井开采研究可视化分析*

卢才武，刘晓琴，江松，章赛

(1.西安建筑科技大学 资源工程学院，陕西 西安 710055；2.西安市智慧工业感知、计算与决策重点实验室，陕西 西安 710055)

0 引言

我国是矿产资源的生产和消费大国，国内矿产资源浅部易采矿石正逐渐消耗殆尽，深地开采已成为矿业发展的必然趋势[1]。我国《采矿手册》将深部开采定义为大于600 m 的地下开采作业，当开采深度大于2000 m 时为超深开采[2]。截止2019 年底，我国已有近20 座地下金属矿山开采深度达到或超过1000 m，在未来10 年，也将有30%以上的金属矿山井深都会超过1000 m，其中最大的开采深度甚至可达到2000～3000 m[3]。回顾“十三五”提出实现1000 m 以深规模化采矿和1500 m 以深建井示范，探明1500 m 以深岩体力学行为，2016 年习近平总书记在全国科技创新大会指出“向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题”，将地质科技创新提升到了关系国家科技发展大局的战略高度。继“十三五”规划后，2020 年“十四五”规划纲要指出瞄准深地深海等前沿领域，制定实施战略性科学计划和科学工程，强化国家战略科技力量。可见深地矿产资源的开采一直都是国家发展建设的关键领域之一。

梳理和系统性地分析前人已发表的科研成果，对深入了解深井开采领域的研究现状和发展趋势具有重要意义。目前我国学者对于深井开采的研究主要为岩石力学、热害治理、微震监测等方面的理论研究，以及对深井开采技术的综述，缺乏可视化地梳理和系统性地分析深井开采演变过程的评述性文献。基于此，本文以文献综述的形式，通过CiteSpace 软件构建了我国深井开采领域研究的知识图谱。并且对该领域的发展过程、研究热点及发展趋势进行可视化分析，总结其发展特点，提出相关建议，为国内从事相关研究的人员和企业提供指导和借鉴。

1 数据来源和研究方法

进入中国知网（CNKI）数据库，采用专业检索，检索式为SU=‘深井开采’OR SU=‘深部’*‘开采’OR SU=‘矿山’*‘深井’OR SU=‘深矿井’，期刊来源选择北大核心、CSSCI、CSCD，在检索结果页面中选择“学术期刊”。由检索结果知深井开采领域研究时间跨度为1992年—2020年，共检索到516 篇相关文献。以防数据混杂对分析造成干扰，经过人工筛选，剔除掉与主题不相关及会议宣传等文献，得到有效文献474 篇。

CiteSpace 软件是美国德雷塞尔大学（Drexel University）计算与信息计量学院陈超美教授使用Java 语言，以共词分析技术，共被引分析技术和IT-IDF（term frequency-inverse document frequency，词频逆文本频率指数）统计方法为主要分析原理开发的信息可视化软件，它具有强大的分析和可视化功能，是目前国际及国内绘制知识图谱最通用和认可度最高的工具[4]。对知网数据库中已选学术论文，选择文献格式为“Refworks”文献下载，转换格式后导入CiteSpace 5.7.R2 软件进行Author（作者）、Institution（机构）、Keyword（关键词）等节点的可视化分析，得出目前国内深井开采领域的研究热点及发展趋势等结论。

2 深井开采知识图谱分析

2.1 深井开采研究的时间分布

学术论文数量随时间的变化状况，是研究某领域发展的重要因素之一，对其文献分布作系统的统计，绘制相应分布曲线图，对评价该领域所处的阶段、预测发展趋势和了解研究热点都具有重大意义[5]。深井开采研究的时间分布，如图1 所示。

图1 深井开采领域发文年度分布

由图1 可知，目前为止我国深井开采领域的研究大致分为3 个阶段，起步阶段、发展阶段和鼎盛发展阶段。

（1）1992—2004 年，为深井开采的起步阶段。2000 年以前，我国地下开采金属矿山采深达到或接近1000 m 的矿山只有2 座，即安徽冬瓜山铜矿和辽宁红透山铜矿[3]。1998 年发文量高达14 篇，其中4 篇是基于红透山铜矿开采中的技术问题而进行的研究。该时期学者认识到了深井开采的重要性和必然性，开始研究国外深井开采技术。在生产实践中发现了实际问题，开始从理论上进行研究，主要为深井岩石力学、高温热害等方面。

（2）2005—2008 年，为深井开采的发展阶段。20 世纪末至21 世纪初，深地开采越来越引起社会的关注，深部矿产资源的开采受到政府的高度重视，科技部、国家自然科学基金委等相继设立了一系列关于深部采矿研究的项目。该阶段深井开采快速发展。

（3）2009 年至今，为深井开采研究的鼎盛发展阶段。该阶段年平均发文量达到30 篇。2009 年，中国科学院公布中国至2050 年矿产资源科技发展路线图，提出“中国地下4000 m 透明”为影响我国可持续发展的战略性科技问题[6]。“十三五”期间，我国相继设立了一系列“深地矿产资源勘查开采”重点专项（DREAM），深井开采领域研究达到空前繁盛，开采技术、岩石力学、通风降温、深井提升等科研成果倍出，在一定程度上弥补了我国埋深1500 m 以上矿产资源开采基础理论的空白。2020年3 月，中央强调要加快“新基建”的建设进度，其中5G 基站建设、大数据中心、人工智能、工业互联网领域的发展会推动矿山企业的数字化转型、智能升级和融合创新[7]。随着大数据与区块链技术及5G 通信时代的到来，初级无人采矿模式向以先进传感器及检测监控系统、高速数字通信网络等高等级新一代“无人矿山”发展[8]。最近几年，很多新型公司如通信公司、华为技术有限公司等进入矿业智能化、信息化里面来，加速矿业的发展，并研发出了凿岩机器人、装药机器人、充填机器人等智能矿山系列机器人，深井的恶劣环境将不再是制约深井开采发展的主要因素。由于深井开采的必然及必要性、深部地质环境的复杂性，未来几年将是深井开采研究发展的黄金时期，势必迎来下一个发展高峰。

2.2 深井开采研究的空间分布

发文作者合作网络知识图谱如图2 所示。

图2 发文作者共现网络

发文作者（Author）共现节点数量为538，连线数为559，网络密度0.0039。在发文作者共现图谱中节点和连线数量较多，而图谱的密度较低，说明该领域的理论研究学者数量多，但是比较分散，未形成较集中的研究团队。图中出现次数最多的作者是王志方和吴爱祥，发文量均为6 篇，其次是李文秀、蔡美峰、潘一山、周宏伟、任奋华和张勇，发文量均为5 篇。从发文作者群体来看，深井开采领域主要有以吴爱祥为首的和以蔡美峰等为首的两个群体较大的学术团队，2～3 人组成的8 个学术团队，其余作者间未见合作关系。

对深井开采领域主要发文作者进一步分析，查看节点细节（Node Details）。王志方为首位发表深部开采研究领域学术论文的作者，研究内容为深部开采条件下岩体自重应力的分布规律[9]，该作者发表的6 篇文献中有5 篇是基于红透山铜矿实际生产而展开的学术研究[10−14]。该作者是首次将深井开采实际问题提升到理论研究的学者，开创了国内深部开采领域研究的先河。吴爱祥发文研究内容为深井开采岩石力学、水压支柱支护特性、微震监测、充填满管输送理论和深部隔离矿柱危险性评价[15−20]。吴爱祥发文时间跨度为2001 年—2018 年，研究范围广，时间跨度大，推动了我国深井开采研究领域理论体系的构成，为我国深井开采研究做出很大贡献。

深井开采研究机构合作知识图谱如图3 所示。发文机构（Institution）节点数为333，连线数为226，网络密度0.0041。不难看出深井开采领域发文机构较多，机构间的合作较为紧密。但网络密度小，结构较松散。发文量超过10 次的机构见表1。

表1 深井开采发文次数10 次及以上的机构

图3 深井开采研究机构合作知识图谱

从表1 可以看出发文量超过10 篇的机构几乎都是高校：中南大学、北京科技大学和中国矿业大学。另外马鞍山矿山研究院发文量为11 篇，对深井开采领域也做出很大贡献。

对发文量5 篇及以上的作者做进一步分析，研究其主要合作机构，见表2。

一般地，某一领域相应时期的科学研究成果以科学文献和发明专利公诸于世，科学合作则通常表现为以研究者及其合作机构共同署名在学术期刊上发表学术论文，学术论文的合作是了解科学合作情况的重要途径。从表2 可以看出，发文量多的作者绝大部分和高校为合作关系，而这些作者往往在相应高校任职。综合以上分析，我国从事研究深井开采的机构主要为高校，没有和企业建立一种紧密的合作关系，不利于形成符合当下我国国情的“研发代工”的“产学研”模式。在今后的研究中高校可以和矿山企业加强沟通交流，建立合作关系，形成理论指导实践，实践验证理论的良性循环，以便创立一条协同创新之路，加快科学研究成果的转化。

表2 发文量5 篇及以上作者合作机构

2.3 深井开采研究的关键词分析

关键词在很大程度上能够反映论文的主要研究内容，对某一学科领域的关键词进行统计分析，可以有效地把握某一学科领域的研究现状和热点以及发展规律和趋势[21]。深井开采关键词共现知识图谱如图4 所示。

图4 中节点面积越大，则表明出现次数越多，和主题的相关性越高；节点间连线越粗，说明共现强度越高。关键词（Keyword）节点数为636，连线数为948，网络密度0.0047。节点数量和连线数量多，网络密度小，说明我国深井采矿领域研究方向多，各方向之间联系紧密，但该领域研究还处于早期阶段，尚未成熟，还有很大的发展空间。

图4 深井开采研究关键词知识图谱

选取共现次数6 次及以上的关键词，见表3。从高频词和关键词共现知识图谱来看，数值模拟、冲击地压、岩爆、地应力、顶板突水等说明深井开采在基础性研究方面较为重视和深入，同时也表明他们是深井开采领域关键问题。

表3 深井开采研究领域高频词

对关键词聚类分析，分析方法选择对数似然比（LLR）算法，结合时间分布，结果如图5 所示。以关键词命名，有深部开采、岩爆、数值模拟、冲击地压、水平矿柱、金属矿山、开采深度、深井、地压监控、复杂水文环境、工程特性、高地压、协同开采、力学模型等14 个典型类别。

图5 深井开采关键词聚类分析知识图谱

2.4 深井开采前沿热点及发展趋势

通过CiteSpace 软件的“Timezone View”视图，容易看出深井开采领域前沿热点。如图6 所示。近5 年出现频次（By Freq）大于2 次的关键词有热害治理、尾矿干堆、地表沉降、巷道支护、裂隙扩展、胶结充填、动力灾害、动静载、时空演化和协同开采。其中协同开采出现频次为3 次，说明协同开采是目前我国深井开采的研究热点。

图6 深井开采突现词时序

在采矿方法和工艺上，一方面，从技术经济层面上来看，随着技术经济的发展，矿山企业的生产规模越来越大，进入深地开采后，地应力越来越高、地压活动越来越剧烈，地压控制越来越难；另一方面，从法规政策上来看，我国坚持生态文明建设，大力发展绿色矿山，提倡“无废开采”。采矿方法根据地压管理方式分为为空场法、崩落法和充填法，传统矿床开采选择采矿方法的主要依据是围岩条件和矿石价值[22]。基于以上两方面，深井开采的采矿方法趋于充填采矿法，采矿工艺上会趋向于胶结充填等方向发展，未来我国深井开采采矿方法和采矿工艺可能会发生根本性变革。

在开采模式上，自2008 年“协同开采”概念提出，就不断有学者进行研究，近2 年更成为高频词出现在深井开采领域里。广西大学陈庆发教授提出的“协同开采”主要面对拟采矿床赋存有其他影响有序开采的因素（如产状、裂隙环境、空区隐患、水灾隐患等）或有其他工程目的，在实现资源开采的同时，和谐处理相应因素的影响，或达到多种工程目的新型开采模式[23]。“协同开采”的开采理念符合资源综合利用的要求，为深井开采领域研究提供了新思路。如深部矿产资源和地热资源协同开采，协同开采理念应用于深部矿产资源开采的岩爆防控等[24−25]。未来协同开采会在深井开采领域继续发展。

3 结论

选取CNKI 数据库中核心期刊的学术论文，运用CiteSpace 5.7.R2 软件构建国内深井开采研究领域知识图谱，可视化分析国内深井开采领域研究论文的时间、空间分布规律，并进行关键词及前沿热点分析，预测发展趋势，提出相关建议。

（1）从时间分布来看：随着国家和政府对深井开采的重视，我国深井开采领域发文量总体呈上升趋势，发展依次分为3 个阶段：起步阶段、快速发展阶段和鼎盛发展阶段。随着“新基建”的建设、“无人矿山”的发展，我国深井开采将会迎来下一个发展高峰。

（2）从空间分布来看：我国深井开采领域研究学者众多，作者中吴爱祥和王志方发文量最高，研究团队主要为吴爱祥学术团队和蔡美峰学术团队。发文作者合作机构主要为高校，以及个别研究院。高校和企业没有建立紧密的合作关系，今后应加强合作。

（3）从关键词分析来看：目前深井开采研究领域关键技术、问题有深部开采、数值模拟、冲击地压、岩爆和深井开采，在深井高温热害、深井提升方面的研究有所欠缺。

（4）从前沿热点及演进趋势来看：协同开采、热害治理、胶结充填为前沿热点。深井开采采矿工艺会向胶结充填的方向发展，未来协同开采将会在深井开采领域进一步发展。

本文仅构建了国内地下矿深井开采领域的知识图谱并对其进行可视化分析，今后可以进一步系统性地研究国外深井开采领域的发展脉络，为我国深井开采的研究和实践提供借鉴。