基于CiteSpace的深井開采研究可視化分析*

盧才武，劉曉琴，江松，章賽

(1.西安建筑科技大學(xué) 資源工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2.西安市智慧工業(yè)感知、計(jì)算與決策重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710055)

0 引言

我國是礦產(chǎn)資源的生產(chǎn)和消費(fèi)大國，國內(nèi)礦產(chǎn)資源淺部易采礦石正逐漸消耗殆盡，深地開采已成為礦業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。我國《采礦手冊(cè)》將深部開采定義為大于600 m 的地下開采作業(yè)，當(dāng)開采深度大于2000 m 時(shí)為超深開采[2]。截止2019 年底，我國已有近20 座地下金屬礦山開采深度達(dá)到或超過1000 m，在未來10 年，也將有30%以上的金屬礦山井深都會(huì)超過1000 m，其中最大的開采深度甚至可達(dá)到2000～3000 m[3]。回顧“十三五”提出實(shí)現(xiàn)1000 m 以深規(guī)模化采礦和1500 m 以深建井示范，探明1500 m 以深巖體力學(xué)行為，2016 年習(xí)近平總書記在全國科技創(chuàng)新大會(huì)指出“向地球深部進(jìn)軍是我們必須解決的戰(zhàn)略科技問題”，將地質(zhì)科技創(chuàng)新提升到了關(guān)系國家科技發(fā)展大局的戰(zhàn)略高度。繼“十三五”規(guī)劃后，2020 年“十四五”規(guī)劃綱要指出瞄準(zhǔn)深地深海等前沿領(lǐng)域，制定實(shí)施戰(zhàn)略性科學(xué)計(jì)劃和科學(xué)工程，強(qiáng)化國家戰(zhàn)略科技力量。可見深地礦產(chǎn)資源的開采一直都是國家發(fā)展建設(shè)的關(guān)鍵領(lǐng)域之一。

梳理和系統(tǒng)性地分析前人已發(fā)表的科研成果，對(duì)深入了解深井開采領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)具有重要意義。目前我國學(xué)者對(duì)于深井開采的研究主要為巖石力學(xué)、熱害治理、微震監(jiān)測等方面的理論研究，以及對(duì)深井開采技術(shù)的綜述，缺乏可視化地梳理和系統(tǒng)性地分析深井開采演變過程的評(píng)述性文獻(xiàn)。基于此，本文以文獻(xiàn)綜述的形式，通過CiteSpace 軟件構(gòu)建了我國深井開采領(lǐng)域研究的知識(shí)圖譜。并且對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展過程、研究熱點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行可視化分析，總結(jié)其發(fā)展特點(diǎn)，提出相關(guān)建議，為國內(nèi)從事相關(guān)研究的人員和企業(yè)提供指導(dǎo)和借鑒。

1 數(shù)據(jù)來源和研究方法

進(jìn)入中國知網(wǎng)（CNKI）數(shù)據(jù)庫，采用專業(yè)檢索，檢索式為SU=‘深井開采’OR SU=‘深部’*‘開采’OR SU=‘礦山’*‘深井’OR SU=‘深礦井’，期刊來源選擇北大核心、CSSCI、CSCD，在檢索結(jié)果頁面中選擇“學(xué)術(shù)期刊”。由檢索結(jié)果知深井開采領(lǐng)域研究時(shí)間跨度為1992年—2020年，共檢索到516 篇相關(guān)文獻(xiàn)。以防數(shù)據(jù)混雜對(duì)分析造成干擾，經(jīng)過人工篩選，剔除掉與主題不相關(guān)及會(huì)議宣傳等文獻(xiàn)，得到有效文獻(xiàn)474 篇。

CiteSpace 軟件是美國德雷塞爾大學(xué)（Drexel University）計(jì)算與信息計(jì)量學(xué)院陳超美教授使用Java 語言，以共詞分析技術(shù)，共被引分析技術(shù)和IT-IDF（term frequency-inverse document frequency，詞頻逆文本頻率指數(shù)）統(tǒng)計(jì)方法為主要分析原理開發(fā)的信息可視化軟件，它具有強(qiáng)大的分析和可視化功能，是目前國際及國內(nèi)繪制知識(shí)圖譜最通用和認(rèn)可度最高的工具[4]。對(duì)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中已選學(xué)術(shù)論文，選擇文獻(xiàn)格式為“Refworks”文獻(xiàn)下載，轉(zhuǎn)換格式后導(dǎo)入CiteSpace 5.7.R2 軟件進(jìn)行Author（作者）、Institution（機(jī)構(gòu)）、Keyword（關(guān)鍵詞）等節(jié)點(diǎn)的可視化分析，得出目前國內(nèi)深井開采領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)等結(jié)論。

2 深井開采知識(shí)圖譜分析

2.1 深井開采研究的時(shí)間分布

學(xué)術(shù)論文數(shù)量隨時(shí)間的變化狀況，是研究某領(lǐng)域發(fā)展的重要因素之一，對(duì)其文獻(xiàn)分布作系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)，繪制相應(yīng)分布曲線圖，對(duì)評(píng)價(jià)該領(lǐng)域所處的階段、預(yù)測發(fā)展趨勢(shì)和了解研究熱點(diǎn)都具有重大意義[5]。深井開采研究的時(shí)間分布，如圖1 所示。

圖1 深井開采領(lǐng)域發(fā)文年度分布

由圖1 可知，目前為止我國深井開采領(lǐng)域的研究大致分為3 個(gè)階段，起步階段、發(fā)展階段和鼎盛發(fā)展階段。

（1）1992—2004 年，為深井開采的起步階段。2000 年以前，我國地下開采金屬礦山采深達(dá)到或接近1000 m 的礦山只有2 座，即安徽冬瓜山銅礦和遼寧紅透山銅礦[3]。1998 年發(fā)文量高達(dá)14 篇，其中4 篇是基于紅透山銅礦開采中的技術(shù)問題而進(jìn)行的研究。該時(shí)期學(xué)者認(rèn)識(shí)到了深井開采的重要性和必然性，開始研究國外深井開采技術(shù)。在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)了實(shí)際問題，開始從理論上進(jìn)行研究，主要為深井巖石力學(xué)、高溫?zé)岷Φ确矫妗?/p>

（2）2005—2008 年，為深井開采的發(fā)展階段。20 世紀(jì)末至21 世紀(jì)初，深地開采越來越引起社會(huì)的關(guān)注，深部礦產(chǎn)資源的開采受到政府的高度重視，科技部、國家自然科學(xué)基金委等相繼設(shè)立了一系列關(guān)于深部采礦研究的項(xiàng)目。該階段深井開采快速發(fā)展。

（3）2009 年至今，為深井開采研究的鼎盛發(fā)展階段。該階段年平均發(fā)文量達(dá)到30 篇。2009 年，中國科學(xué)院公布中國至2050 年礦產(chǎn)資源科技發(fā)展路線圖，提出“中國地下4000 m 透明”為影響我國可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性科技問題[6]。“十三五”期間，我國相繼設(shè)立了一系列“深地礦產(chǎn)資源勘查開采”重點(diǎn)專項(xiàng)（DREAM），深井開采領(lǐng)域研究達(dá)到空前繁盛，開采技術(shù)、巖石力學(xué)、通風(fēng)降溫、深井提升等科研成果倍出，在一定程度上彌補(bǔ)了我國埋深1500 m 以上礦產(chǎn)資源開采基礎(chǔ)理論的空白。2020年3 月，中央強(qiáng)調(diào)要加快“新基建”的建設(shè)進(jìn)度，其中5G 基站建設(shè)、大數(shù)據(jù)中心、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的發(fā)展會(huì)推動(dòng)礦山企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能升級(jí)和融合創(chuàng)新[7]。隨著大數(shù)據(jù)與區(qū)塊鏈技術(shù)及5G 通信時(shí)代的到來，初級(jí)無人采礦模式向以先進(jìn)傳感器及檢測監(jiān)控系統(tǒng)、高速數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)等高等級(jí)新一代“無人礦山”發(fā)展[8]。最近幾年，很多新型公司如通信公司、華為技術(shù)有限公司等進(jìn)入礦業(yè)智能化、信息化里面來，加速礦業(yè)的發(fā)展，并研發(fā)出了鑿巖機(jī)器人、裝藥機(jī)器人、充填機(jī)器人等智能礦山系列機(jī)器人，深井的惡劣環(huán)境將不再是制約深井開采發(fā)展的主要因素。由于深井開采的必然及必要性、深部地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性，未來幾年將是深井開采研究發(fā)展的黃金時(shí)期，勢(shì)必迎來下一個(gè)發(fā)展高峰。

2.2 深井開采研究的空間分布

發(fā)文作者合作網(wǎng)絡(luò)知識(shí)圖譜如圖2 所示。

圖2 發(fā)文作者共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

發(fā)文作者（Author）共現(xiàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)量為538，連線數(shù)為559，網(wǎng)絡(luò)密度0.0039。在發(fā)文作者共現(xiàn)圖譜中節(jié)點(diǎn)和連線數(shù)量較多，而圖譜的密度較低，說明該領(lǐng)域的理論研究學(xué)者數(shù)量多，但是比較分散，未形成較集中的研究團(tuán)隊(duì)。圖中出現(xiàn)次數(shù)最多的作者是王志方和吳愛祥，發(fā)文量均為6 篇，其次是李文秀、蔡美峰、潘一山、周宏偉、任奮華和張勇，發(fā)文量均為5 篇。從發(fā)文作者群體來看，深井開采領(lǐng)域主要有以吳愛祥為首的和以蔡美峰等為首的兩個(gè)群體較大的學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)，2～3 人組成的8 個(gè)學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)，其余作者間未見合作關(guān)系。

對(duì)深井開采領(lǐng)域主要發(fā)文作者進(jìn)一步分析，查看節(jié)點(diǎn)細(xì)節(jié)（Node Details）。王志方為首位發(fā)表深部開采研究領(lǐng)域?qū)W術(shù)論文的作者，研究內(nèi)容為深部開采條件下巖體自重應(yīng)力的分布規(guī)律[9]，該作者發(fā)表的6 篇文獻(xiàn)中有5 篇是基于紅透山銅礦實(shí)際生產(chǎn)而展開的學(xué)術(shù)研究[10?14]。該作者是首次將深井開采實(shí)際問題提升到理論研究的學(xué)者，開創(chuàng)了國內(nèi)深部開采領(lǐng)域研究的先河。吳愛祥發(fā)文研究內(nèi)容為深井開采巖石力學(xué)、水壓支柱支護(hù)特性、微震監(jiān)測、充填滿管輸送理論和深部隔離礦柱危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[15?20]。吳愛祥發(fā)文時(shí)間跨度為2001 年—2018 年，研究范圍廣，時(shí)間跨度大，推動(dòng)了我國深井開采研究領(lǐng)域理論體系的構(gòu)成，為我國深井開采研究做出很大貢獻(xiàn)。

深井開采研究機(jī)構(gòu)合作知識(shí)圖譜如圖3 所示。發(fā)文機(jī)構(gòu)（Institution）節(jié)點(diǎn)數(shù)為333，連線數(shù)為226，網(wǎng)絡(luò)密度0.0041。不難看出深井開采領(lǐng)域發(fā)文機(jī)構(gòu)較多，機(jī)構(gòu)間的合作較為緊密。但網(wǎng)絡(luò)密度小，結(jié)構(gòu)較松散。發(fā)文量超過10 次的機(jī)構(gòu)見表1。

表1 深井開采發(fā)文次數(shù)10 次及以上的機(jī)構(gòu)

圖3 深井開采研究機(jī)構(gòu)合作知識(shí)圖譜

從表1 可以看出發(fā)文量超過10 篇的機(jī)構(gòu)幾乎都是高校：中南大學(xué)、北京科技大學(xué)和中國礦業(yè)大學(xué)。另外馬鞍山礦山研究院發(fā)文量為11 篇，對(duì)深井開采領(lǐng)域也做出很大貢獻(xiàn)。

對(duì)發(fā)文量5 篇及以上的作者做進(jìn)一步分析，研究其主要合作機(jī)構(gòu)，見表2。

一般地，某一領(lǐng)域相應(yīng)時(shí)期的科學(xué)研究成果以科學(xué)文獻(xiàn)和發(fā)明專利公諸于世，科學(xué)合作則通常表現(xiàn)為以研究者及其合作機(jī)構(gòu)共同署名在學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文，學(xué)術(shù)論文的合作是了解科學(xué)合作情況的重要途徑。從表2 可以看出，發(fā)文量多的作者絕大部分和高校為合作關(guān)系，而這些作者往往在相應(yīng)高校任職。綜合以上分析，我國從事研究深井開采的機(jī)構(gòu)主要為高校，沒有和企業(yè)建立一種緊密的合作關(guān)系，不利于形成符合當(dāng)下我國國情的“研發(fā)代工”的“產(chǎn)學(xué)研”模式。在今后的研究中高校可以和礦山企業(yè)加強(qiáng)溝通交流，建立合作關(guān)系，形成理論指導(dǎo)實(shí)踐，實(shí)踐驗(yàn)證理論的良性循環(huán)，以便創(chuàng)立一條協(xié)同創(chuàng)新之路，加快科學(xué)研究成果的轉(zhuǎn)化。

表2 發(fā)文量5 篇及以上作者合作機(jī)構(gòu)

2.3 深井開采研究的關(guān)鍵詞分析

關(guān)鍵詞在很大程度上能夠反映論文的主要研究內(nèi)容，對(duì)某一學(xué)科領(lǐng)域的關(guān)鍵詞進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以有效地把握某一學(xué)科領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和熱點(diǎn)以及發(fā)展規(guī)律和趨勢(shì)[21]。深井開采關(guān)鍵詞共現(xiàn)知識(shí)圖譜如圖4 所示。

圖4 中節(jié)點(diǎn)面積越大，則表明出現(xiàn)次數(shù)越多，和主題的相關(guān)性越高；節(jié)點(diǎn)間連線越粗，說明共現(xiàn)強(qiáng)度越高。關(guān)鍵詞（Keyword）節(jié)點(diǎn)數(shù)為636，連線數(shù)為948，網(wǎng)絡(luò)密度0.0047。節(jié)點(diǎn)數(shù)量和連線數(shù)量多，網(wǎng)絡(luò)密度小，說明我國深井采礦領(lǐng)域研究方向多，各方向之間聯(lián)系緊密，但該領(lǐng)域研究還處于早期階段，尚未成熟，還有很大的發(fā)展空間。

圖4 深井開采研究關(guān)鍵詞知識(shí)圖譜

選取共現(xiàn)次數(shù)6 次及以上的關(guān)鍵詞，見表3。從高頻詞和關(guān)鍵詞共現(xiàn)知識(shí)圖譜來看，數(shù)值模擬、沖擊地壓、巖爆、地應(yīng)力、頂板突水等說明深井開采在基礎(chǔ)性研究方面較為重視和深入，同時(shí)也表明他們是深井開采領(lǐng)域關(guān)鍵問題。

表3 深井開采研究領(lǐng)域高頻詞

對(duì)關(guān)鍵詞聚類分析，分析方法選擇對(duì)數(shù)似然比（LLR）算法，結(jié)合時(shí)間分布，結(jié)果如圖5 所示。以關(guān)鍵詞命名，有深部開采、巖爆、數(shù)值模擬、沖擊地壓、水平礦柱、金屬礦山、開采深度、深井、地壓監(jiān)控、復(fù)雜水文環(huán)境、工程特性、高地壓、協(xié)同開采、力學(xué)模型等14 個(gè)典型類別。

圖5 深井開采關(guān)鍵詞聚類分析知識(shí)圖譜

2.4 深井開采前沿?zé)狳c(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)

通過CiteSpace 軟件的“Timezone View”視圖，容易看出深井開采領(lǐng)域前沿?zé)狳c(diǎn)。如圖6 所示。近5 年出現(xiàn)頻次（By Freq）大于2 次的關(guān)鍵詞有熱害治理、尾礦干堆、地表沉降、巷道支護(hù)、裂隙擴(kuò)展、膠結(jié)充填、動(dòng)力災(zāi)害、動(dòng)靜載、時(shí)空演化和協(xié)同開采。其中協(xié)同開采出現(xiàn)頻次為3 次，說明協(xié)同開采是目前我國深井開采的研究熱點(diǎn)。

圖6 深井開采突現(xiàn)詞時(shí)序

在采礦方法和工藝上，一方面，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)層面上來看，隨著技術(shù)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，礦山企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模越來越大，進(jìn)入深地開采后，地應(yīng)力越來越高、地壓活動(dòng)越來越劇烈，地壓控制越來越難；另一方面，從法規(guī)政策上來看，我國堅(jiān)持生態(tài)文明建設(shè)，大力發(fā)展綠色礦山，提倡“無廢開采”。采礦方法根據(jù)地壓管理方式分為為空?qǐng)龇ā⒈缆浞ê统涮罘ǎ瑐鹘y(tǒng)礦床開采選擇采礦方法的主要依據(jù)是圍巖條件和礦石價(jià)值[22]。基于以上兩方面，深井開采的采礦方法趨于充填采礦法，采礦工藝上會(huì)趨向于膠結(jié)充填等方向發(fā)展，未來我國深井開采采礦方法和采礦工藝可能會(huì)發(fā)生根本性變革。

在開采模式上，自2008 年“協(xié)同開采”概念提出，就不斷有學(xué)者進(jìn)行研究，近2 年更成為高頻詞出現(xiàn)在深井開采領(lǐng)域里。廣西大學(xué)陳慶發(fā)教授提出的“協(xié)同開采”主要面對(duì)擬采礦床賦存有其他影響有序開采的因素（如產(chǎn)狀、裂隙環(huán)境、空區(qū)隱患、水災(zāi)隱患等）或有其他工程目的，在實(shí)現(xiàn)資源開采的同時(shí)，和諧處理相應(yīng)因素的影響，或達(dá)到多種工程目的新型開采模式[23]。“協(xié)同開采”的開采理念符合資源綜合利用的要求，為深井開采領(lǐng)域研究提供了新思路。如深部礦產(chǎn)資源和地?zé)豳Y源協(xié)同開采，協(xié)同開采理念應(yīng)用于深部礦產(chǎn)資源開采的巖爆防控等[24?25]。未來協(xié)同開采會(huì)在深井開采領(lǐng)域繼續(xù)發(fā)展。

3 結(jié)論

選取CNKI 數(shù)據(jù)庫中核心期刊的學(xué)術(shù)論文，運(yùn)用CiteSpace 5.7.R2 軟件構(gòu)建國內(nèi)深井開采研究領(lǐng)域知識(shí)圖譜，可視化分析國內(nèi)深井開采領(lǐng)域研究論文的時(shí)間、空間分布規(guī)律，并進(jìn)行關(guān)鍵詞及前沿?zé)狳c(diǎn)分析，預(yù)測發(fā)展趨勢(shì)，提出相關(guān)建議。

（1）從時(shí)間分布來看：隨著國家和政府對(duì)深井開采的重視，我國深井開采領(lǐng)域發(fā)文量總體呈上升趨勢(shì)，發(fā)展依次分為3 個(gè)階段：起步階段、快速發(fā)展階段和鼎盛發(fā)展階段。隨著“新基建”的建設(shè)、“無人礦山”的發(fā)展，我國深井開采將會(huì)迎來下一個(gè)發(fā)展高峰。

（2）從空間分布來看：我國深井開采領(lǐng)域研究學(xué)者眾多，作者中吳愛祥和王志方發(fā)文量最高，研究團(tuán)隊(duì)主要為吳愛祥學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)和蔡美峰學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)。發(fā)文作者合作機(jī)構(gòu)主要為高校，以及個(gè)別研究院。高校和企業(yè)沒有建立緊密的合作關(guān)系，今后應(yīng)加強(qiáng)合作。

（3）從關(guān)鍵詞分析來看：目前深井開采研究領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)、問題有深部開采、數(shù)值模擬、沖擊地壓、巖爆和深井開采，在深井高溫?zé)岷Α⑸罹嵘矫娴难芯坑兴啡薄?/p>

（4）從前沿?zé)狳c(diǎn)及演進(jìn)趨勢(shì)來看：協(xié)同開采、熱害治理、膠結(jié)充填為前沿?zé)狳c(diǎn)。深井開采采礦工藝會(huì)向膠結(jié)充填的方向發(fā)展，未來協(xié)同開采將會(huì)在深井開采領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展。

本文僅構(gòu)建了國內(nèi)地下礦深井開采領(lǐng)域的知識(shí)圖譜并對(duì)其進(jìn)行可視化分析，今后可以進(jìn)一步系統(tǒng)性地研究國外深井開采領(lǐng)域的發(fā)展脈絡(luò)，為我國深井開采的研究和實(shí)踐提供借鑒。