高璐,康向濤,高林

(貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院,貴州 貴陽 550025)

煤炭作為我國主要的能源資源,在國民生產(chǎn)生活中有著無可替代的作用,然而在煤炭開采過程中,安全問題成了制約煤炭企業(yè)高效發(fā)展的共性問題.許多學(xué)者借助國家自然科學(xué)基金項目對當(dāng)前煤礦安全生產(chǎn)中瓦斯治理領(lǐng)域的共性問題展開了研究,并取得了一定成就.這些基金項目中包含的信息可以從側(cè)面折射出煤礦安全生產(chǎn)現(xiàn)有的瓦斯治理模式,但目前為止,國內(nèi)還鮮有學(xué)者對煤礦安全生產(chǎn)中瓦斯領(lǐng)域進(jìn)行系統(tǒng)而全面的分析.

自Google將知識圖譜應(yīng)用到其搜索引擎[1],隨后國內(nèi)各行業(yè)先后興起運(yùn)用知識圖譜方法來分析本學(xué)科的發(fā)展動態(tài).陳悅等[2]從設(shè)計理念、使用流程和先進(jìn)技術(shù)等方面闡釋了知識圖譜的功能;陳孝慈等[3]構(gòu)建了煤礦安全領(lǐng)域知識圖譜,為該領(lǐng)域智能搜索提供了技術(shù)支持;張寧,譚章祿等[4-5]對比國內(nèi)煤礦領(lǐng)域研究的優(yōu)劣性,利用知識圖譜對國內(nèi)煤礦安全生產(chǎn)領(lǐng)域研究的整體狀況及發(fā)展動態(tài)進(jìn)行了宏觀分析.王君玲,劉峰等[6-7]借助Cite Space V分析工具,描述了國內(nèi)外煤礦的主要研究力量及研究人員的分布,進(jìn)一步總結(jié)了全球范圍內(nèi)煤礦安全研究現(xiàn)狀和研究焦點(diǎn).

基于上述分析,筆者采用文獻(xiàn)計量法和知識圖譜法,借助知識圖譜分析工具,同時結(jié)合Excel軟件,分析我國2010年—2019年國家自然科學(xué)基金項目中以“煤礦瓦斯”為主題的基金項目.通過對基金項目主持者、基金金額、關(guān)鍵詞等方面進(jìn)行分析,直觀地展現(xiàn)10 a來煤礦安全生產(chǎn)瓦斯領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀,并探討該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向,得到清晰可見的瓦斯領(lǐng)域發(fā)展趨勢圖.

1 數(shù)據(jù)來源和研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

筆者對2010年—2019年的國家自然科學(xué)基金數(shù)據(jù)庫進(jìn)行項目綜合查詢[8],得到煤礦瓦斯安全方向的基金項目主持者305位,共計主持基金349項,累計獲得資助金額為20 307.7萬元.此次數(shù)據(jù)來源為網(wǎng)絡(luò)公開的國家自然科學(xué)基金項目數(shù)據(jù)庫,無需人工檢查排除不符合條件的新聞、會議記錄、學(xué)術(shù)報告等數(shù)據(jù),從而保證了此次研究數(shù)據(jù)的代表性和權(quán)威性.

1.2 研究方法

本文采用文獻(xiàn)計量法和知識圖譜法對基金項目主持者、基金類別和研究區(qū)域等進(jìn)行對比分析.文獻(xiàn)計量法是利用數(shù)理統(tǒng)計方法處理信息之間的定量關(guān)系,從基金結(jié)題中的中文關(guān)鍵詞等外部特征出發(fā)，以定量為主的分析方法,可以合理地預(yù)測科學(xué)技術(shù)發(fā)展趨勢.知識圖譜法是可以顯示專業(yè)學(xué)術(shù)知識發(fā)展進(jìn)程的一種方法,可以把作者想表達(dá)的復(fù)雜數(shù)據(jù)信息等轉(zhuǎn)化為圖標(biāo)的方式,對研究對象進(jìn)行可視化、直觀化分析,同時可形象地展示研究對象當(dāng)前的研究熱點(diǎn)、研究趨勢和演化規(guī)律等之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián).

2 煤礦安全生產(chǎn)瓦斯領(lǐng)域的可視化分析

2.1 基金項目產(chǎn)出分析

圖1 煤礦安全生產(chǎn)瓦斯領(lǐng)域基金項目產(chǎn)出

基金項目產(chǎn)出是衡量一個學(xué)科發(fā)展?fàn)顩r和成熟程度的重要標(biāo)志[9].圖1是煤礦安全生產(chǎn)瓦斯領(lǐng)域2010年—2019年的基金項目產(chǎn)出圖.

根據(jù)圖1中的變化趨勢,可將煤礦安全生產(chǎn)瓦斯領(lǐng)域中的研究劃分為3個階段:Ⅰ波動發(fā)展階段(2010年—2013年)、Ⅱ回落發(fā)展階段(2014年—2015年)、Ⅲ回升發(fā)展階段(2016年—2019年).Ⅰ波動發(fā)展階段,基金項目數(shù)量和基金資助金額波動起伏較大,但整體呈現(xiàn)出上升趨勢,正好符合當(dāng)時國家支持煤炭高效發(fā)展的實際情況,此階段基金項目數(shù)量共計131項,占項目總數(shù)的37.54%,累計資助金額為6 960.5萬元,占10 a內(nèi)資助總金額的34.28%.Ⅱ回落發(fā)展階段,每年的基金項目數(shù)量基本維持在34項,但資助金額有所下降,且呈現(xiàn)出迂回下降的趨勢,其原因可能是煤炭行業(yè)轉(zhuǎn)入低迷期,同時受到當(dāng)時國家政策以及行業(yè)發(fā)展趨勢的影響,此階段基金項目數(shù)量共計68項,占項目總數(shù)的19.48%,累計資助金額為4 933萬元,占10 a內(nèi)資助總金額的24.29%.Ⅲ回升發(fā)展階段,該領(lǐng)域經(jīng)過一段低速發(fā)展后,基金項目和資助金額皆有所提高,該階段持續(xù)時間長,表明煤礦安全尤其是瓦斯安全領(lǐng)域的研究在不斷增長,此階段基金項目數(shù)量共計150項,占項目總數(shù)的42.98%,累計資助金額為8 414.2萬元,占10 a內(nèi)資助總金額的41.43%.

2.2 基金項目類別分析

據(jù)統(tǒng)計,本次研究涉及煤礦瓦斯領(lǐng)域自然科學(xué)基金資助類別的有面上項目、青年科學(xué)基金項目、聯(lián)合基金項目等,共計11種資助類別,所有這些資助類別各有側(cè)重,相互補(bǔ)充,共同構(gòu)成當(dāng)前瓦斯領(lǐng)域的自然科學(xué)基金資助體系.將這些基金項目資助類別進(jìn)行統(tǒng)計，如表1所示.

表1 瓦斯安全領(lǐng)域資助類別

由表1可知：在煤礦瓦斯安全領(lǐng)域,面上項目在眾多項目中占比最大,研究項目為167項,占本次研究項目總數(shù)的47.85%,累計資助金額為10 705萬元,占資助總金額的52.71%.這是因為面上項目是自然科學(xué)基金最基本的資助項目類別,可重復(fù)申請,申請者相對較多,同時也與從事瓦斯安全研究的科學(xué)技術(shù)人員開展更多的創(chuàng)新性研究有關(guān).青年科學(xué)基金項目在本次研究當(dāng)中同樣占有很大比例,研究項目為151項,占本次研究項目總數(shù)的43.26%,累計資助金額為3 540萬元,占資助總金額的17.43%.青年學(xué)者是該領(lǐng)域研究人員的重要組成部分,給予青年學(xué)者大量基金項目的支持,有利于激勵從事瓦斯行業(yè)的青年科學(xué)技術(shù)人員的創(chuàng)新和提高其科研能力.

此次重點(diǎn)項目雖然只有7項,但累計資助金額高達(dá)2 170萬元,占總資助金額的10.69%,平均每項資助金額310萬元.這表明國家在該領(lǐng)域一貫支持從事基礎(chǔ)研究的科學(xué)技術(shù)人員,便于學(xué)科生長點(diǎn)深入開展,推動該領(lǐng)域取得突破性的發(fā)展.國家重大科研儀器研制項目僅有4項,但累計資助金額高達(dá)2 097.20萬元,占總資助金額的10.33%,平均每項資助金額524.3萬元.這表明我國在煤礦安全領(lǐng)域支持國家重大科研儀器的研制,以提升我國在該行業(yè)的原始創(chuàng)新能力.與此同時,該領(lǐng)域在國際(地區(qū))合作與交流項目、數(shù)學(xué)天元基金、海外及港澳學(xué)者合作研究基金等均有涉足,說明該領(lǐng)域開始利用國際科技資源,開展實質(zhì)性國際(地區(qū))合作研究與學(xué)術(shù)交流,提高我國煤礦瓦斯研究水平和國際交流能力.煤礦瓦斯安全領(lǐng)域在實施源頭創(chuàng)新戰(zhàn)略的同時加強(qiáng)校企合作與海內(nèi)外交流合作,可以穩(wěn)定推動該領(lǐng)域長遠(yuǎn)發(fā)展.

2.3 基金項目機(jī)構(gòu)分析

分析基金項目機(jī)構(gòu)可以使煤礦安全生產(chǎn)瓦斯領(lǐng)域內(nèi)的主要科研力量及其之間的合作化關(guān)系變得清晰可見,從而方便本行業(yè)各機(jī)構(gòu)之間的交流合作[10].將煤礦安全生產(chǎn)瓦斯領(lǐng)域申請基金項目排名前十的機(jī)構(gòu)整理,如表2所示.

分析表2可知:中國礦業(yè)大學(xué)、河南理工大學(xué)、西安科技大學(xué)是這領(lǐng)域具有代表性的機(jī)構(gòu),資助資金均超過1 500萬元,且這3所高校共獲得資助資金8 972萬元,占該領(lǐng)域所有資助資金的44.19%.其次,遼寧工程技術(shù)大學(xué)、重慶大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)(北京)這3所高校的資助資金都超過1 000萬元,共獲得資助資金3 815萬元,占總資助資金的18.80%.這表明上述6所高校是研究該領(lǐng)域的中堅力量.排名前十的機(jī)構(gòu)累計申請項目為233項,占此次研究項目總數(shù)的66.76%,累計獲得資助資金為14 208.5萬元,占總資助資金的69.97%.而山東科技大學(xué)和華北科技學(xué)院,累計資助資金均不超過300萬元,表明國內(nèi)機(jī)構(gòu)對該領(lǐng)域的研究具有不平衡性.但不可否認(rèn),這些機(jī)構(gòu)在一定程度上促進(jìn)并引領(lǐng)了該領(lǐng)域在國內(nèi)的研究和發(fā)展.

表2 申請基金項目排名前十的機(jī)構(gòu)

2.4 基金項目研究區(qū)域分析

研究項目涉及的區(qū)域可反映煤礦安全生產(chǎn)瓦斯領(lǐng)域內(nèi)主要科研力量的分布,得出瓦斯領(lǐng)域內(nèi)具有領(lǐng)先地位的區(qū)域,方便本行業(yè)各區(qū)域之間的交流合作[11].基金項目關(guān)鍵詞涉及的區(qū)域分析如表3所示.

表3 基金項目關(guān)鍵詞涉及的區(qū)域分析

由表3可知:煤礦瓦斯領(lǐng)域的研究主要集中在山西、貴州、河南、內(nèi)蒙古、陜西、四川、重慶等地,尤其以山西、貴州和河南為代表,對瓦斯領(lǐng)域的研究更為廣泛且研究成果更為突出.其主要原因是山西省具有豐富的煤炭資源,煤層地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,部分地區(qū)有巖漿侵入和火山噴發(fā),造成山高坡陡,溝壑縱橫,地形切割強(qiáng)烈,而地質(zhì)行為所產(chǎn)生的災(zāi)害往往不是孤立的,常在礦區(qū)的某一時段形成災(zāi)害群,且部分煤層中有中磷煤和高磷煤存在,其瓦斯含量較高,瓦斯涌出量大,導(dǎo)致時有瓦斯爆炸事故發(fā)生[12].貴州作為我國南方煤炭資源最豐富的省份,含煤面積占全省總面積的 40%以上,但由于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,褶曲、斷層發(fā)育,造成貴州煤層賦存環(huán)境復(fù)雜,大多數(shù)煤層為薄及中厚的近距離煤層群,瓦斯含量大,且煤層頂?shù)装宥鄬倌噘|(zhì)粉砂巖、泥巖等,軟性巖類,煤層透氣性低,瓦斯抽采難度大、效果差[13].因此,該區(qū)域突出礦井和高瓦斯礦井占全省礦井總數(shù)的70%左右,瓦斯災(zāi)害異常嚴(yán)重.河南省位于中國華北石炭二疊系巖溶-裂隙水水害區(qū),構(gòu)造上處于穩(wěn)定區(qū)與活動帶之間的過渡區(qū)域,且隨著礦山采空區(qū)增大,受當(dāng)時技術(shù)條件的限制,絕大部分老空區(qū)都是沿煤露頭淺層開采且多以巷柱式開采.大多數(shù)礦井沒有井巷工程的測繪資料或資料不全,瓦斯積聚情況未知,使得井下作業(yè)生產(chǎn)條件越來越復(fù)雜,采礦難度越來越大,經(jīng)常出現(xiàn)掘進(jìn)和回采過程中瓦斯超限、積聚的現(xiàn)象,為瓦斯爆炸創(chuàng)造了必要條件[14],瓦斯抽采勢在必行.因此,礦井瓦斯的研究與發(fā)展呈現(xiàn)地域不均衡性,導(dǎo)致煤礦安全生產(chǎn)瓦斯領(lǐng)域的研究地區(qū)分散.

2.5 基金項目主持者與資助金額分析

分析煤礦瓦斯領(lǐng)域的基金項目主持者,可以了解該領(lǐng)域的帶頭人,再研究這些主持者的基礎(chǔ)成果,得到具有代表性的實用數(shù)據(jù)[15].同時,他們主持基金項目的數(shù)量在一定程度上可代表主持者在該領(lǐng)域研究的深度、廣度以及影響力,因此統(tǒng)計基金主持者科研項目有助于分析本領(lǐng)域發(fā)展前景[16].現(xiàn)將國內(nèi)煤礦瓦斯領(lǐng)域主持基金項目大于等于2項的基金主持者統(tǒng)計如表4所示.

表4 國內(nèi)煤礦瓦斯領(lǐng)域主持基金項目大于等于2項的基金主持者

基金項目主持者資助金額所占比例=個人累計資助金額/基金金額總數(shù).

近10 a期間,部分基金主持者已經(jīng)成為我國煤礦瓦斯安全領(lǐng)域研究的核心力量.如程遠(yuǎn)平、尹光志、許江和魏建平等致力于瓦斯?jié)B流的研究,得出了含瓦斯煤蠕變滲流在應(yīng)力-應(yīng)變過程中存在階段性變化,且隨著溫度升高呈現(xiàn)總體減小的趨勢[17],同時利用含瓦斯煤巖的孔隙率和滲透率的動態(tài)模型,建立能描述含瓦斯煤巖固氣耦合情況下的骨架可變形性和氣體可壓縮性的固氣耦合模型[18];李樹剛、尹光志、吳強(qiáng)和周福寶等致力于瓦斯抽采的研究,通過聯(lián)立煤層瓦斯抽采中氣體擴(kuò)散-滲流、煤-氧反應(yīng)以及熱量傳輸方程,定量描述了抽采過程中場流演化,建立了抽采安全度的計算模型[19],并利用鉆孔封孔漏氣檢測裝置,測定判斷了相應(yīng)測點(diǎn)控制區(qū)域的漏氣情況[20],之后又建立了考慮推進(jìn)速度影響的采動裂隙橢拋帶數(shù)學(xué)表達(dá)方程[21],同時得出適用于含瓦斯煤巖的有效應(yīng)力計算公式,成功構(gòu)建了瓦斯抽采流量的負(fù)指數(shù)表達(dá)式;程遠(yuǎn)平、盧義玉、張保勇和郭德勇等致力于煤與瓦斯突出領(lǐng)域的研究,一致認(rèn)為突出機(jī)理的趨勢是由單因素向多因素發(fā)展[22],并認(rèn)為地應(yīng)力是煤體破壞的主要動力[23],進(jìn)一步成功構(gòu)建了煤與瓦斯突出預(yù)警技術(shù)體系[24].目前智能礦山建設(shè)已經(jīng)應(yīng)用到煤炭生產(chǎn)中,但涉及煤礦瓦斯方面,在統(tǒng)計的國家自然科學(xué)基金項目中還鮮有學(xué)者對此進(jìn)行立項研究,可見,國內(nèi)礦山智能化需加強(qiáng)全面建設(shè).

此外,袁亮院士于2015年—2019年主持的《用于揭示煤與瓦斯突出機(jī)理與規(guī)律的模擬試驗儀器》項目獲得的資助資金最高,為925萬元,創(chuàng)新性地采用全過程相似物理模擬試驗,實現(xiàn)了世界首例大尺度模型在加載充氣保壓條件下巷道掘進(jìn)揭煤誘發(fā)煤與瓦斯突出試驗?zāi)M,為準(zhǔn)確揭示突出機(jī)理奠定了基礎(chǔ)[25].這在一定程度上折射出煤與瓦斯突出一直困擾著國內(nèi)外煤礦安全生產(chǎn),對煤與瓦斯突出機(jī)理和防治的研究將越來越受到該領(lǐng)域?qū)W者的關(guān)注.

3 基金項目研究熱點(diǎn)

中文關(guān)鍵詞是對基金項目研究內(nèi)容最直接的體現(xiàn),是文獻(xiàn)計量研究中最重要的一環(huán)[26].對煤礦安全生產(chǎn)瓦斯領(lǐng)域中基金項目的中文關(guān)鍵詞進(jìn)行研究,可進(jìn)一步把握該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向.結(jié)合表3可知,國內(nèi)煤礦安全生產(chǎn)瓦斯領(lǐng)域中關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次超過20次的有5個,這些關(guān)鍵詞所反映的都是煤礦安全生產(chǎn)瓦斯領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn),根據(jù)這些關(guān)鍵詞將該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)分為3個方面:

1)瓦斯動力災(zāi)害及瓦斯災(zāi)害.中文關(guān)鍵詞中的“煤與瓦斯突出”“瓦斯爆炸”等都是國內(nèi)煤礦安全生產(chǎn)中易發(fā)生的瓦斯災(zāi)害.在礦山壓力作用下,破碎的煤與瓦斯由煤體內(nèi)向采掘空間大量噴出,突出煤流可充塞巷道,摧毀巷道設(shè)施,破壞通風(fēng)系統(tǒng).高濃度瓦斯甚至可造成人員窒息死亡,具有極大的破壞性.而瓦斯爆炸產(chǎn)生的高溫高壓,使爆源附近的氣體以極大的速度向外沖擊,也可以破壞巷道和器材設(shè)施,同時可造成人員傷亡.因此在煤礦安全生產(chǎn)中加強(qiáng)瓦斯動力災(zāi)害及瓦斯災(zāi)害研究勢在必行.

2)瓦斯治理.瓦斯治理離不開高效的瓦斯抽采技術(shù).對煤層中的瓦斯進(jìn)行抽采,不僅可以降低開采過程中煤層中的瓦斯涌出量,有效預(yù)防瓦斯積聚,減少煤礦瓦斯爆炸和煤與瓦斯突出事故的發(fā)生,而且抽采提純過后的瓦斯還可用作民用燃料、工業(yè)燃料、發(fā)電燃料等燃料,造福社會.

3)瓦斯特征.關(guān)鍵詞中出現(xiàn)的“瓦斯?jié)B流”“瓦斯壓力”,都是圍繞瓦斯自身特征為主題進(jìn)行的分析研究,瓦斯壓力是煤層孔隙內(nèi)氣體分子自由熱運(yùn)動撞擊所產(chǎn)生的作用力,是決定煤層瓦斯動力學(xué)特征的基本參數(shù).而瓦斯?jié)B流是瓦斯在多孔介質(zhì)內(nèi)的流動,與煤層瓦斯的突出、涌出等均有關(guān)聯(lián).系統(tǒng)研究煤層的滲透性能,是防止煤礦自然災(zāi)害的基礎(chǔ).

4 研究趨勢分析

研究趨勢反映某一研究領(lǐng)域的發(fā)展動態(tài)[27].通過對瓦斯領(lǐng)域基金項目的產(chǎn)出、機(jī)構(gòu)及關(guān)鍵詞進(jìn)行分析,可明確該領(lǐng)域的研究趨勢,隨著社會的飛速發(fā)展,對煤炭的需求量也不斷增加,而煤礦瓦斯事故是制約煤炭工業(yè)安全發(fā)展和影響各地區(qū)安全穩(wěn)定的突出問題,因此,各地區(qū)、企業(yè)與高校緊密合作是未來研究煤礦瓦斯治理的主流趨勢.煤礦在進(jìn)行瓦斯治理時,不僅要依靠現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ),還應(yīng)結(jié)合煤礦實際情況采取針對性措施,將新工藝、新模式、機(jī)械化、智能化有效應(yīng)用到煤礦瓦斯治理的實踐中,以此來加快煤礦瓦斯安全領(lǐng)域智能化建設(shè),從而提高煤礦開采的安全性,促進(jìn)中國煤礦行業(yè)快速穩(wěn)定發(fā)展.

5 結(jié)論

1)我國煤礦安全生產(chǎn)瓦斯領(lǐng)域2010年—2019年的基金項目產(chǎn)出整體呈現(xiàn)出上升趨勢,基金項目數(shù)量共計349項,累計資助金額為20 307.7萬元,其中面上項目在眾多項目中占比最大,為167項,占本次研究項目總數(shù)的47.85%.

2)國內(nèi)煤礦安全生產(chǎn)瓦斯領(lǐng)域研究廣泛,熱點(diǎn)主要集中于瓦斯動力災(zāi)害及瓦斯災(zāi)害研究、瓦斯治理研究和瓦斯特征研究,同時以源頭創(chuàng)新為戰(zhàn)略,推動該領(lǐng)域校企合作與海內(nèi)外交流.

3)國內(nèi)煤礦瓦斯安全領(lǐng)域的研究于2010年之前已開始發(fā)展,研究力量主要集中于河南理工大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)和西安科技大學(xué)等國內(nèi)高校.經(jīng)過近10 a的研究,國內(nèi)的瓦斯治理工作已取得了階段性的成果,并進(jìn)一步向智能化開采和精準(zhǔn)開采發(fā)展.