基于CiteSpace的礦井通風文獻綜述

韓文鑫

(中國礦業大學(北京) 應急管理與安全工程學院,北京 100083)

0 引言

做好礦井通風領域的研究對保證礦下安全生產有重要意義。礦井通風能供給井下足夠的新鮮空氣,滿足人員對氧氣的需要;沖淡井下有害氣體和粉塵,保證安全生產;調節井下氣候,創造良好的工作環境[1]。因此,采用文獻計量學軟件CiteSpace,選取了來源中國知網(CNKI)數據庫410篇中文期刊文獻,以期通過知識圖譜的形式,深入挖掘分析國內礦井通風領域文獻特征、研究主題及研究熱點,為該領域的深入研究與創新提供參考。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

限定發文時間為2002—2022年,來源期刊為北大核心、CSCD、EI期刊,以關鍵詞“礦井通風”在中國知網(CNKI)數據庫中檢索出424篇相關文獻,剔除書評、征稿啟事、會議等文獻,剩余410篇有效文獻,將其導出為Refwork格式,以便用CiteSpace作進一步分析。

1.2 研究方法

文獻計量分析工具選用CiteSpace 6.1.R3可視化軟件,對檢索出410篇的文獻從發文量、核心學者機構與研究主題等方面進行分析。首先,根據軟件要求將時間跨度設定為2002—2022年,時間切片均為1年;節點類型依次選擇研究學者、研究機構及高頻關鍵詞,并調整Threshold、FrontSize、NodeSize等參數進行共現分析和可視化圖譜的繪制。

2 文獻特征分析

2.1 文獻發表年份及發文量

年際發文量能折射出近20年礦井通風研究領域的發展情況。對410篇文獻進行年度文獻數量統計分析,得到該領域20年間發文量統計折線圖(圖1)?？梢?關于該領域的研究,2002—2022年來源自CSCD、北大核心、EI的的中文文獻都穩定在10篇以上,說明近20年國內對于礦井通風的研究得到了持續的重視,且在2008年、2012年、2013年達到了研究高峰,現在處于一種不斷深化的研究狀態。

2.2 核心作者和高產機構

對本研究領域的主要學者、研究群和所在研究機構進行統計分析。設置閾值為3篇以上,得到作者合著共現圖譜,如圖2所示。以“發文作者”作為節點對發表文獻數量進行統計分析,發文數量最多的學者是劉劍,共14篇;其次是學者王海寧、吳新忠、張浪、陸秋琴、彭斌、黃光球等,發文數量均在5篇及以上,其余作者發文數量均少于5篇。

圖1 2002—2022年礦井通風發文數量Fig.1 Number of mine ventilation-related papers published in 2002—2022

發文機構共現圖譜如圖3所示。2002—2022年在CSCD、北核、EI期刊上發表10篇以上礦井通風文獻有14家研究機構,文獻署名機構主要為高等院校,其中包括中國礦業大學、遼寧工程技術大學、中南大學、西安科技大學、山東科技大學等,其次是一些礦山研究機構,如煤科總院、礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室等,可見高等院校以及礦山相關研究機構對該領域研究比較重視并做出了較大貢獻。

圖2 作者合著共現圖譜Fig.2 Co-occurrence graph of co-authors

圖3 發文機構共現圖譜Fig.3 Co-occurrence graph of affiliated institutions

根據作者與發文機構共現圖譜可以看出,國內礦井通風研究主要有5個主要作者群,各作者群主要研究領域與近年代表文獻見表1?？梢姾诵淖髡呷航陙淼闹饕芯糠较?劉劍等主要研究礦井通風阻變;王海寧等主要研究通風系統優化,吳新忠等主要研究風量調節,張浪等主要研究風速測定,黃光球等主要研究風阻解算,風門、風機對通風系統的影響等。

另外根據圖譜顏色,吳新忠、周福寶等組成的中國礦業大學作者群以及劉劍、吳奉亮等組成的遼寧工程技術大學作者群近年來在礦井通風領域發文較多。而對于機構共現圖譜,連線較多,也意味各機構聯系比較緊密,形成了中國礦業大學、遼寧工程技術大學、中南大學等高校以及煤科院等各機構與礦業企業通力合作的研究局面。

3 研究主題分析

3.1 關鍵詞共現圖譜

將關鍵詞按頻次提煉,有助于把握該領域近年研究熱點,并折射未來研究方向。對篩選的410篇論文的關鍵詞進行綜合分析,調整頻次閾值為5,展現的關鍵詞共現圖譜如圖4所示。共有537個關鍵節點,1 110條連線,網絡密度為0.007 7,可以得出礦井通風研究各關鍵詞之間具有一定的聯系。

將頻次出現5次以上的關鍵詞中心性進行比較,如圖5所示。剔除礦井通風、應用等無效詞,可以直觀地了解到網絡解算、通風系統、數值模擬、優化、自然風壓、等積孔、可視化、平均風速、礦山安全、故障診斷等關鍵詞是近年來收錄論文的主要研究主題。

圖4 關鍵詞共現圖譜Fig.4 Co-occurrence graph of keywords

表1 主要作者群研究領域與近年代表文獻

圖5 關鍵詞頻次與中心性比較Fig.5 Comparison of keywords frequency and centrality

3.2 關鍵詞聚類圖譜

關鍵詞聚類分析能反映礦井通風領域研究熱點。因此接下來對關鍵詞知識圖譜進行聚類分析,剔除無效詞匯,主要聚為數值模擬、優化、網絡解算等類別,如圖6所示,剔除無效詞匯后其他聚類見表2。將關鍵詞共現圖譜與聚類圖譜比較,發現#1數值模擬、#2優化、#3網絡解算、#9故障診斷、#10可視化、#11平均風速、#12安全生產是7個比較重要的聚類。

3.3 關鍵詞共現時區圖譜

關鍵詞共現時區圖譜能把同時間出現的關鍵詞在同時區內集合,以關鍵詞首次出現的時間順序排列,體現礦井通風研究領域的歷史脈絡。以#1數值模擬、#2優化、#3網絡解算、#9故障診斷、#10可視化等7個重要研究主題制作共現時區圖譜,如圖7所示?？梢钥闯龉澞苎芯?、可視化、通風網絡解算技術、漏風治理、一通三防、三維仿真于研究早期就已經出現,中期對于礦井通風系統與優化、網絡優化調節技術研究、礦井降溫、礦井風速測定研究較多,此后每年都相應增加了一部分新的研究熱點,近幾年對于礦井風阻測定及數據處理、控制技術及裝備、隨機森林、實時報警、實時模擬、粗糙度研究較多。

圖6 關鍵詞聚類圖譜Fig.6 Cluster graph of keywords

表2 關鍵詞聚類統計

圖7 關鍵詞共現時區圖譜Fig.7 Co-occurrence time-zone graph of keywords

3.4 關鍵詞突現圖譜

關鍵詞突現能反映年度最受關注的主題,反映研究趨勢及前沿。礦井通風研究領域近20余年的關鍵詞突現圖譜如圖8所示。剔除礦井無效關鍵詞,突現圖中可以看出關鍵詞網絡解算、安全工程、自然風壓、數值模擬是突現強度最高的關鍵詞,并且可以得出網絡解算為突現時間較早的關鍵詞,是早期受關注的研究主題,數值模擬是突現時間最近的關鍵詞,也是近幾年受關注的研究主題。

圖8 關鍵詞突現圖譜Fig.8 Most occurrence graph of keywords

4 研究熱點分析

結合關鍵詞共現、聚類、突現圖譜,可以得出網絡解算、安全生產、數值模擬是礦井通風領域近20年按時間序列排列的研究熱點,以下將對這3個研究熱點的內容進行概述。

4.1 網絡解算

有關網絡解算的研究,主要是解算方法、模型、軟件的研究,如2003年吳超等[17]對4個不同復雜礦井通風網絡的網絡邊數、節點數、獨立網孔數與計算精度、初始風量賦值、迭代次數、運算時間、收斂性等之間的關系進行定量研究;2003年王樹剛等[18]將礦井通風網絡中的空氣流動作為一維可壓縮流體的非定常流動,建立了礦井正常和災變時期通風網絡解算的統一數學模型;2013年何強等[19]以常用的通風網絡解算方法為基礎,對風量修正公式進行修正,提出嵌入熱阻后新的風網解算方法。2015年鐘德云等[20]分析了現有通風網絡解算算法的局限性,提出了一種改進的Scott-Hinsley法。運用BFS法改進了生成樹的結構,并用雙通路法快速圈劃回路;2015年鐘陽等[21]應用面向對象的思想,開發了基于VisualC++10.0集成開發平臺的礦井通風網絡解算軟件。2018年王天明等[22]對節點法理論進行分析和推導,給出風機的處理方法和通風網絡建模方法?；贑語言進行算法實現,用不同網絡模型對同一算例進行求解,并與回路法進行對比驗證。

4.2 安全生產

有關安全生產的研究有以下6方面。①關于瓦斯治理的研究,如2004年程建軍等[23]通過對地方煤礦瓦斯防治實踐,揭示了“以風定產”是確保安全生產的關鍵,提出了全面貫徹落實“先抽后采、監測監控、以風定產”瓦斯治理十二字方針的做法和要求。②有關防塵、降濕的研究,如2006年張福群等[24]證明了在深井環境中應用可控循環通風技術可降塵、降濕、降低通風費用。③有關礦井通風安全評價的研究,如2006年李樹剛等[25]運用了未確知測度理論建立了一套礦井通風系統安全評價指標體系。2010年史秀志等[26]應用統計學理論建立礦井通風系統Fisher判別分析(FDA)模型。2014年韓艷杰等[27]提出了新型綜合集成法的礦井通風系統安全評價方法。④有關熱害的研究,如2007年譚海文[28]針對金屬礦山深井熱害產生原因并提出相應治理措施。2010年馬恒等[29]提出多點風流混合溫度計算模型,從而避免熱害。⑤有關礦井通風在線監測與預警系統的研究,如2007年楊運良等[30]借助VisualBasic作為開發工具,結合地理信息系統(GIS)技術,對煤礦通風信息系統進行分析和處理。2012年張平等[31]基于PLC與MCGS的礦井通風機監測系統設計。2015年談國文[32]開發建立了通風在線監測及分析預警系統和煤與瓦斯突出綜合預警系統,并建立了信息采集支撐系統,形成了礦井通風瓦斯災害預警平臺。2019年梁軍等[33]礦井風網三維仿真技術研究與系統設計,礦井風網三維仿真系統能夠實現礦井風流實時模擬、巷道通風情況動態顯示,一旦發現通風異常情況能夠提供實時報警信息。⑥有關礦井通風安全設備的研究,如2016年朱方明等[34]提出了智能防爆應急風門系統的慨念。

可見,對于礦井通風安全生產的研究主要圍繞瓦斯防治、防塵研究、礦井熱害、通風安全設備、安全評價、在線監測預警系統6個方面,最近有關于礦井安全生產的研究主要圍繞在線監測預警系統展開。

4.3 數值模擬

有關數值模擬的研究,主要是應用如Gambit、Fluent、ANSYS、示蹤氣體等不同方法、軟件對巷道風速、空氣流場、瓦斯分布等進行了模擬,從而探索其規律、特性等。如2007年王從陸等[35]借助Gambit和Fluent模擬了礦內運輸工具運動方向與風流方向一致情況下的巷道內空氣流場的空間矢量分布情況;2012年王宇等[36]利用FDS軟件建立了煤礦系統巷道的三維模型,得到煙氣溫度、能見度等參數隨時間的變化規律。2013年何維維等[37]用ANSYS有限元分析軟件,對多年凍土井筒圍巖的溫度特性進行了數值模擬。2014年段東等[38]采用Comsol和Multiphysics軟件對兩進風巷工作面通風以及瓦斯濃度進行了分析。2015年鄔長福等[39]為研究不同因素對井巷活塞風的影響,采用基于動網格技術的標準k-ε雙方程湍流模型對巷內氣流組織進行數值模擬。2017年曹勇等[40]將示蹤氣體技術應用于特定復雜的通風網絡,并對示蹤氣體在巷道內的移流擴散規律進行模擬計算。2020年陳宇等[41]采用FLUENT軟件模擬了直角與圓角巷道的流場、不同傾角風硐的流場,給礦井風硐的設計優化提供參考。

5 結論

(1)從文獻特征來看,發表在CSCD、EI、北大核心等期刊相關文章近20年均穩定10篇以上,主要研究學者有劉劍等,各學者之間聯系緊密,而研究機構則形成了中國礦業大學、遼寧工程技術大學等高校和礦山研究機構如煤科總院及礦業企業通力合作的局面,說明國內礦井通風領域研究交流合作多,是國內研究重點,并得出國內礦井通風研究5個核心作者群近年研究方向為通風系統優化、風量調節、風速測定、風阻解算等。

(2)從研究主題來看,對比關鍵詞共現與聚類圖譜,可以得出#1數值模擬、#2優化、#3網絡解算、#9故障診斷、#10可視化、#11平均風速、#12安全生產7個聚類是主要研究主題。從這7個聚類出發作關鍵詞共現時區圖,可以看出節能研究、可視化、通風網絡解算技術、漏風治理、一通三防、三維仿真于研究早期就已經出現,中期對于礦井通風系統與優化、網絡優化調節技術研究、礦井降溫、礦井風速測定研究較多,此后每年都相應增加了一部分新的研究熱點,近幾年對于礦井風阻測定及數據處理、控制技術及裝備、隨機森林、實時報警、實時模擬、粗糙度研究較多。

(3)從研究熱點來說,結合關鍵詞突現圖,得出網絡解算、安全生產、數值模擬是礦井通風領域研究熱點。對于網絡解算,近年主要應用C語言,網絡軟件開發等來實現通風網絡建模、求解等;對于安全生產,近年主要著重于應用仿真技術,開發在線監測預警系統進行異常情況的預報等;對于數值模擬,近年主要采用動網格技術、Fluent、Comsol等軟件技術對礦井溫度、流場進行數值模擬?？梢?對于礦井通風的研究近年主要圍繞計算機技術展開,通過把握礦井通風的規律特性,來促進安全生產工作。