基于可视化分析的矿山绿色充填技术研究

文易洪 ，田世祥 ,2 ，赵佳佳 ，张 轩

（1.贵州大学 矿业学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州省复杂地质矿山开采安全技术工程中心，贵州 贵阳 550025）

我国资源丰富但生态脆弱，面临资源枯竭、环境污染和生态退化等挑战[1-2]。矿山绿色充填技术研究不仅可以为矿山充填技术创新和优化提供科学依据和决策支持，也可以为矿山生态保护和恢复提供有效途径，有助于促进矿山资源高效利用、环境改善和社会稳定发展[3-5]。矿山充填技术通过填充充填材料提高矿山稳定性和资源综合利用，减少环境影响和危害[6]，是矿山绿色开采的重要手段[7]。随着信息技术发展，知识图谱和可视化技术为矿山充填技术研究提供了新工具和方法，这些技术已广泛应用于生态研究。余欣等[8]应用CiteSpace 对国内外生态风险评价研究进展进行了可视化研究；吴胜男等[9]应用CiteSpace 对湿地恢复研究进展进行了综合分析；柯丽娜等[10]应用CiteSpace 对中国海洋生态经济进行了分析。为此，采用CiteSpace 对矿山绿色充填技术进行可视化研究，主要从发文数量、机构、作者和关键词进行分析研究，旨在梳理和总结矿山绿色充填技术研究。

1 文献数据来源与研究方法

1）数据来源。中英文献检索平台使用是中国知网（CNKI）和WOS 核心合集，CNKI 和WOS 核心合集检索时间跨度均为2004-01-01 至2022-12-31。CNKI 数据库检索条件：(主题=“矿山充填”OR“矿山绿色充填”)；排除与主题不符的文献和会议论文，最终筛选出841 篇。WOS 数据库检索条件：(TS=“Mine filling” or “Mine green filling”)；人工剔除不相关的文献以及去重处理最终筛选出3 994 篇。

2）研究方法。近年来，文献计量学在各学术领域已成为重要工具，用统计和数学方法研究学科的发展，借助文献检索和统计数据揭示学科发展、进展和趋势[11-12]。科学知识图谱是通过数据挖掘、科学计量、信息分析以及图形绘制等多种手段对研究领域进行可视化分析的方法[13]。其中，CiteSpace 是一款综合性可视化分析工具，整合了聚类分析、关键词网络、研究前沿剖析等功能，具有总结性和前瞻性[14]，同时提供多样的内置算法、丰富的图谱调整选项和可靠的结果验证[15]。

2 矿山绿色充填技术宏观分析

2.1 发文数量分析

发文数量可以显示出学者对某一领域的关注程度[16]。在CNKI 数据库中，研究文献数量自2004 年的30 篇逐年增加，到2022 年达到56 篇。这表明国内对这一领域的关注度逐渐上升，并有相应的研究成果。在WOS 数据库中，2004 年至2006 年的发文数量相对较少，但从2007 年开始逐渐增加，并在2018 年至2022 年迅速增至619 篇，显示出国际学术界对该领域的关注度不断上升。

综合2 个数据库的数据，CNKI 数据库中的发文数量逐年增加，反映了国内研究者对矿山绿色充填技术领域的不断增强的兴趣。国际学术界在WOS 数据库中的发文数量也呈现出显著增长趋势，尤其是近年来，这表明国际研究者对该领域的关注度不断提高。这些数据结果表明，矿山绿色充填技术研究领域在过去几年取得了显著进展，引起了国内和国际广泛的关注。

2.2 发文机构分析

发文机构合作图谱如图1。

图1 发文机构合作图谱Fig.1 Cooperation graph of issuing agencies

CNKI 数据库中的机构合作图谱包含392 个节点，连线230 条，其网络密度为0.003。在这些机构中，北京科技大学、中南大学和长沙矿山研究院有限责任公司在该领域的研究中占据主导地位，分别发表了107、51、32 篇文章。WOS 数据库中的机构合作图谱涵盖563 个节点和727 条连线，网络密度为0.004 6。在这些机构中，中国矿业大学（Chinese University of Mining & Technology）、山东科技大学（Shangdong University of Science and Technology）和 中 国 科 学 院（Chinese Academy of Science）是该领域最重要的发文机构，分别发表了296、91、90 篇文章。大多数研究机构的中介中心性低于0.1，这表明它们之间的合作较少，因为研究方向存在较大差异。然而，中国矿业大学的中心性高达0.22，表明它与国内外科研机构有密切的合作和交流，不仅发文数量最多，还具有较大的学术影响力，其研究成果在国际上具有显著影响。

2.3 发文作者分析

对文献作者进行可视化分析往往能清楚了解某个科学研究领域内的引领者，通过了解这些学术带头人的研究成果能够让我们知道该领域的研究前沿和发展趋势[17]。发文作者共现图谱是以作者为节点，节点大小表示其发文量，不同颜色代表研究方向，连线表示合作关系，连线的粗细表示合作强度[18]。通过CiteSpace 分析，得到的发文作者共现图谱如图2。

图2 发文作者共现图谱Fig.2 Co-occurrence graphs of the authors of the papers

在CNKI 发文作者图谱中，共有497 个节点和384 条连线，网络密度为0.003 1。图中节点大小直接反映作者发文数量；节点间的连线表示各作者的合作关系，其连线的粗细表示合作频次的高低。国内矿山绿色充填领域的主要合作关系集中在研究团队内部，不同团队之间互相引用较少，表明存在研究方向的差异。

WOS 数据库中的发文作者图谱包含602 个节点和546 条连线，网络密度为0.003。最多发文的作者是ZHANG Jixiong（张吉雄），说明此领域的研究主要集中在国内，并在国际上产生了一定影响力。

目前，矿山绿色充填研究人员主要关注内部研究，机构之间的合作相对不密切。作者群体内部的合作较多，通常由同一机构的成员组成，缺乏不同机构之间的合作。各研究团队拥有不同的研究方向，合作机会有限，导致研究力量分散。建议未来加强不同机构和不同作者之间的合作和交流，以促进矿山绿色充填研究的发展。

3 矿山绿色充填技术的热点与前沿

3.1 关键词共现分析

关键词是文章的重要组成部分，它们能够反映出文章的主题和核心内容。关键词作为能够代表文章主要内容的关键部分之一，其出现频次与研究成果的数量呈正相关关系[18]。利用CiteSpace对CNKI 和WOS 数据库中绿色充填研究的高频关键词进行了共现分析，绘制了共现图谱如图3。图中的节点代表关键词，节点的大小表示关键词的共现频次，节点之间的连线表示关键词之间的相关性[19]。

图3 关键词共现图谱Fig.3 Keywords co-occurrence graphs

可以发现：CNKI 数据库中与矿山绿色充填研究相关的高频关键词主要包括“矿山充填”、“胶结充填”、“绿色开采”、“充填开采”、“膏体充填”和“充填材料”等。这些关键词反映了国内研究者对绿色矿山充填材料的高度关注；而在WOS数据库中，与矿山绿色充填研究相关的高频关键词 主 要 包 括“data mining”“model”“behavior”“system”“mine”和“evolution”等，这些关键词显示了国外研究者对矿山充填数据挖掘、模型建立、系统分析、行为规律、演化过程等方面的重视。

由此可见，国内外在矿山绿色充填研究方面存在一定的差异和互补性，这表明有必要进一步加强国际间的学术交流和合作，以推动该领域的综合发展。

3.2 关键词突现分析

关键词突现能够统计出某个时间段内某一关键词出现频次的增加，从而判断发展趋势和研究热点[20]。CNKI 突显词分布情况见表1，WOS 突显词分布情况见表2。

表1 CNKI 突显词分布情况Table 1 Distribution of CNKI highlighting words

表2 WOS 突显词分布情况Table 2 Distribution of WOS highlighting words

从表1 可以观察到：关键词“胶凝材料”是一个持续的研究主题，自2015 年持续到2022 年，跨越了7 年。而关键词“抗压强度”则成为一个热门研究焦点，其突现强度达到5.77，是2004 至2022 年间最高的值。通过比较不同时间段的突现关键词，可以发现早期研究更关注充填材料的实际运输、选择和应用等实际问题，而近年来的研究更强调充填材料的抗压强度、绿色矿山建设和水化机理等理论方面的探讨。这些突现关键词反映了当前该领域的研究重点和趋势。

从表2 可以看出：自2004 年至2022 年，“valley fill”是最显著的关键词，其突显强度高达15.12，这表明在此期间，矿山绿色充填技术和环境问题受到了广泛的研究和关注；“toxicity”是一个持续的关键词，从2010 年延续至2018 年，共计8 年；这表明矿山绿色充填的生态影响是一个重要的研究领域，需要持续监测和评估；此外，“ecosystem”“downstream”和“process mining”是近年来新兴的关键词，其突显强度分别为7.02、5.12 和5.06，这反映了矿山绿色充填研究的范围和深度不断扩展，涉及生态系统的恢复、下游水资源的保护以及过程挖掘的应用等领域。

3.3 关键词聚类分析

关键词聚类分析是使用CiteSpace 对提取的所有关键词进行分类，一般认为当聚类模块值（Q值）＞0.3 时就意味着聚类结构显著；当平均轮廓值（S值）＞0.7 时，聚类是高效率令人信服的，在0.5 以上，聚类认为是合理的。若S值为无穷大，则聚类数通常为1，这样选择的网络可能太小，只能代表一个研究主题。为此，将数据库生成的矿山绿色充填关键词聚类的主题信息导出后汇总。关键词聚类图谱如图4。

图4 关键词聚类图谱Fig.4 Keywords clustering graphs

图4 中这8 个聚类其聚类模块值为0.58，平均轮廓值为0.85，表明聚类结构显著，聚类是高效率令人信服的。

3.3.1 CNKI 关键词聚类分析

1）CNKI 聚类0#和7#。关键词“胶结充填”和“胶结材料”被归类在一起，突显了胶结材料在胶结充填技术中的重要性。胶结充填技术是一种通过添加胶结材料将矿石、废弃物或其他填充物固化在矿山或矿井中的技术[21]。在这一过程中，胶结材料发挥着胶结和固化填充物的关键作用，以提高矿山的稳定性和进行环境修复。这一聚类可能引起研究人员对胶结材料的类型、性质、添加比例及胶结充填过程中的工艺优化等方面产生兴趣。

2）CNKI 聚类1#和6#。这个聚类包含了关键词“充填开采”和“充填采矿”，表明研究聚焦于将充填技术应用于矿山的开采过程。充填开采是指在矿山开采过程中，将矿石开采后的空隙或废弃物用充填材料填充，以提高矿山的稳定性和资源的综合利用[22]。在这个聚类中，研究人员可能关注充填开采的工艺流程、充填材料的选择和添加方式、充填体的稳定性以及开采效率与充填效果之间的关系等方面。

3）CNKI 聚类2#、4#、5#。这个聚类涵盖了关键词“矿山充填”、“充填材料”和“充填技术”，突出了研究中对于矿山充填技术的关注。矿山充填技术旨在通过合理选择和应用充填材料，实现矿山的稳定和环境的修复[23]。在这个聚类中，研究人员可能探索充填技术的不同方法和策略、充填材料的性能与适用性、充填体的稳定性评估以及充填体与周围环境的相互作用等方面。

4）CNKI 聚类3#。这个聚类包含了关键词“膏体充填”，是指一种利用膏体状的充填材料进行矿山充填的技术。膏体充填材料具有较高的流动性和填充性能，可以适应不规则的空隙形状。在这个聚类中，研究人员可能关注膏体充填技术的应用领域、膏体充填材料的特性、膏体流动性的调控以及膏体充填过程中的工艺控制等方面。

3.3.2 WOS 关键词聚类分析

将WOS 数据库生成的矿山绿色充填关键词聚类的主题信息导出后汇总。这8 个聚类其平均轮廓值为0.79，聚类模块值为0.48，表明聚类结构显著，聚类是高效率令人信服的。

1）WOS 聚类0#，数据挖掘（data mining）在矿山绿色充填技术可视化研究中扮演重要角色。通过数据挖掘技术，研究人员可以从大量数据中提取有用的信息和模式，以帮助优化充填材料的选择、工艺参数的调整和充填过程的监测与控制。数据挖掘方法如聚类、分类、关联规则挖掘等可以用于发现数据集中的潜在关系和趋势，为矿山绿色充填技术的改进和优化提供支持。

2）WOS 聚 类1#。酸 性 矿 山 排 水（acid mine drainage）是矿山开采过程中的一个重要环境问题。在矿山绿色充填技术可视化研究中，关注酸性矿山排水的治理和处理方法至关重要。研究人员可能探索酸性矿山排水的成因、形成机制以及其对环境的影响，以寻求可行的控制和治理措施，例如通过调整充填材料的性质、改善充填工艺或采用生物修复等方法，实现酸性矿山排水的减少和净化。

3）WOS 聚 类3#。胶 结 膏 体 回 填（cemented paste backfill）是一种常用的矿山充填技术。在研究中，研究人员可能关注胶结膏体回填的工艺参数优化、胶结材料的选择和配比、回填体的稳定性评估以及回填过程的控制和监测等方面。通过可视化技术，可以实时展示胶结膏体回填过程中关键参数的变化和相互作用，帮助研究人员更好地理解回填过程并优化相关工艺。

4）WOS 聚类4#。金（gold）作为一种重要的金属矿产资源，在矿山绿色充填技术可视化研究中引起了关注。研究人员可能关注金矿充填技术的应用和改进，包括充填材料的选择、工艺参数的调整和充填过程的监测与控制。可视化分析可以帮助研究人员更直观地了解金矿充填过程中的关键问题，例如金矿资源的综合利用、环境保护和矿山稳定性的优化。

5）WOS 聚类5#。填充堆积（valley fill）是在矿山充填过程中将填充材料堆积在山谷或低洼地形中的技术。研究人员可能关注填充堆积的工艺参数、填充材料的选择和添加方式、堆积体的稳定性评估以及堆积体与周围环境的相互作用等方面。通过可视化技术，可以实时展示填充堆积过程中的关键参数变化和堆积体的形态演变，帮助研究人员更好地理解填充堆积过程并优化相关工艺。

6）WOS 聚类7#。边缘计算（edge computing）是一种将计算和数据处理推向网络边缘的技术。在矿山绿色充填技术可视化研究中，边缘计算可能被应用于实时监测和控制矿山充填过程中的关键参数。通过边缘计算，研究人员可以将数据处理和决策推向矿山现场，实现实时的监测、响应和优化。边缘计算在矿山充填技术可视化研究中可能涉及网络通信、数据传输、边缘设备的选择和部署等方面的研究和应用。

通过以上关键词聚类的分析，可以更全面地了解矿山绿色充填技术可视化研究。这是一门跨学科的综合性研究，需要应用和融合多种技术和方法，包括数据挖掘、边缘计算、可视化技术等。矿山绿色充填技术的研究目标是通过合理选择和应用充填材料，实现矿山的稳定和环境的修复，同时提高资源的综合利用率。这个领域的研究对于矿山可持续性和环境保护至关重要，它通过综合考虑不同技术和方法，寻求最佳解决方案，以实现资源的可持续开发和保护环境的目标。

4 分析探讨

研究采用CiteSpace 对CNKI 和WOS 数据库中检索出的4 835 篇文献进行分析，对矿山绿色充填技术研究的发展趋势进行了综述。尽管矿山绿色充填技术研究具有广阔的发展前景，但现阶段的研究存在不足，主要包括以下几个方面：

1）充填材料的选择和配比。充填材料的性能直接影响充填体的稳定性和生态效益。因此，需要根据不同矿区的地质条件、采空区形态和充填目的等因素，合理选择和配比充填材料。目前，常用的充填材料包括全尾砂、粉煤灰、建筑垃圾和农业废弃物等。然而，这些材料的来源、成分和特性等都存在较大差异，因此需要进行系统的试验和评价，以确定最优的充填方案。这种个性化的选择和配比可以确保充填体在特定矿山条件下达到最佳的稳定性和生态效益，同时实现资源的综合利用和环境的保护。

2）充填工艺和设备。充填工艺和设备在实现矿山绿色充填中扮演着关键角色，涉及充填材料的输送、混合、注入和固化等多个环节。目前，国内外已经开发和应用了多种充填工艺和设备，包括大流量充填、深井充填、水力充填、干式充填和半干式充填等。然而，这些工艺和设备仍然存在一些不足之处，例如输送距离受限、混合效果不佳、注入压力不稳定和固化时间不易控制等问题。因此，需要进一步改进和优化这些工艺和设备，以满足不同矿山条件下的充填需求。这将有助于提高充填工艺的效率和可靠性，同时减少资源浪费风险。

3）充填效果的监测和评价。监测和评价是确保矿山绿色充填效果的重要手段，它能够及时发现和解决充填过程中出现的问题，从而提高充填质量和效率。目前，常用的监测和评价方法包括物理、化学和生物方法等。然而，这些方法仍然存在一些局限性，如监测范围有限、监测参数单一和监测结果不够准确等。因此，为了更全面和可靠地监测和评价充填效果，有必要结合现代信息技术，开发更高效和可靠的监测和评价系统，这将有助于确保绿色充填技术的可持续发展。

5 结 语

应用CiteSpace 对2004—2022 年发表在CNKI和WOS 中的文献通过发文数量、发文机构、发文作者和关键词等方式对矿山绿色充填技术研究现状及新兴趋势进行分析。在矿山绿色充填技术研究中，我国处于领先地位，发文数量和中心性位列第一。发文量与中心性最高的机构是中国矿业大学；中国与其他国家的合作最为紧密。关键词共现分析显示，该领域的研究热点集中在充填材料、充填技术、充填开采、胶结充填、膏体充填等方面。数据挖掘、酸性矿山排水、边缘计算等是新兴的研究方向。矿山绿色充填是一种具有广阔发展前景的技术，但在实施过程中还需要解决一些技术难题，提高充填水平和效果。为此，需要加强绿色充填领域的科学研究和技术创新，借鉴国内外先进经验和成果，建立完善充填标准和规范，促进矿山绿色充填技术的推广和应用。