基于可視化分析的礦山綠色充填技術研究

文易洪 ，田世祥 ,2 ，趙佳佳 ，張 軒

（1.貴州大學 礦業學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省復雜地質礦山開采安全技術工程中心，貴州 貴陽 550025）

我國資源豐富但生態脆弱，面臨資源枯竭、環境污染和生態退化等挑戰[1-2]。礦山綠色充填技術研究不僅可以為礦山充填技術創新和優化提供科學依據和決策支持，也可以為礦山生態保護和恢復提供有效途徑，有助于促進礦山資源高效利用、環境改善和社會穩定發展[3-5]。礦山充填技術通過填充充填材料提高礦山穩定性和資源綜合利用，減少環境影響和危害[6]，是礦山綠色開采的重要手段[7]。隨著信息技術發展，知識圖譜和可視化技術為礦山充填技術研究提供了新工具和方法，這些技術已廣泛應用于生態研究。余欣等[8]應用CiteSpace 對國內外生態風險評價研究進展進行了可視化研究；吳勝男等[9]應用CiteSpace 對濕地恢復研究進展進行了綜合分析；柯麗娜等[10]應用CiteSpace 對中國海洋生態經濟進行了分析。為此，采用CiteSpace 對礦山綠色充填技術進行可視化研究，主要從發文數量、機構、作者和關鍵詞進行分析研究，旨在梳理和總結礦山綠色充填技術研究。

1 文獻數據來源與研究方法

1）數據來源。中英文獻檢索平臺使用是中國知網（CNKI）和WOS 核心合集，CNKI 和WOS 核心合集檢索時間跨度均為2004-01-01 至2022-12-31。CNKI 數據庫檢索條件：(主題=“礦山充填”OR“礦山綠色充填”)；排除與主題不符的文獻和會議論文，最終篩選出841 篇。WOS 數據庫檢索條件：(TS=“Mine filling” or “Mine green filling”)；人工剔除不相關的文獻以及去重處理最終篩選出3 994 篇。

2）研究方法。近年來，文獻計量學在各學術領域已成為重要工具，用統計和數學方法研究學科的發展，借助文獻檢索和統計數據揭示學科發展、進展和趨勢[11-12]。科學知識圖譜是通過數據挖掘、科學計量、信息分析以及圖形繪制等多種手段對研究領域進行可視化分析的方法[13]。其中，CiteSpace 是一款綜合性可視化分析工具，整合了聚類分析、關鍵詞網絡、研究前沿剖析等功能，具有總結性和前瞻性[14]，同時提供多樣的內置算法、豐富的圖譜調整選項和可靠的結果驗證[15]。

2 礦山綠色充填技術宏觀分析

2.1 發文數量分析

發文數量可以顯示出學者對某一領域的關注程度[16]。在CNKI 數據庫中，研究文獻數量自2004 年的30 篇逐年增加，到2022 年達到56 篇。這表明國內對這一領域的關注度逐漸上升，并有相應的研究成果。在WOS 數據庫中，2004 年至2006 年的發文數量相對較少，但從2007 年開始逐漸增加，并在2018 年至2022 年迅速增至619 篇，顯示出國際學術界對該領域的關注度不斷上升。

綜合2 個數據庫的數據，CNKI 數據庫中的發文數量逐年增加，反映了國內研究者對礦山綠色充填技術領域的不斷增強的興趣。國際學術界在WOS 數據庫中的發文數量也呈現出顯著增長趨勢，尤其是近年來，這表明國際研究者對該領域的關注度不斷提高。這些數據結果表明，礦山綠色充填技術研究領域在過去幾年取得了顯著進展，引起了國內和國際廣泛的關注。

2.2 發文機構分析

發文機構合作圖譜如圖1。

圖1 發文機構合作圖譜Fig.1 Cooperation graph of issuing agencies

CNKI 數據庫中的機構合作圖譜包含392 個節點，連線230 條，其網絡密度為0.003。在這些機構中，北京科技大學、中南大學和長沙礦山研究院有限責任公司在該領域的研究中占據主導地位，分別發表了107、51、32 篇文章。WOS 數據庫中的機構合作圖譜涵蓋563 個節點和727 條連線，網絡密度為0.004 6。在這些機構中，中國礦業大學（Chinese University of Mining & Technology）、山東科技大學（Shangdong University of Science and Technology）和 中 國 科 學 院（Chinese Academy of Science）是該領域最重要的發文機構，分別發表了296、91、90 篇文章。大多數研究機構的中介中心性低于0.1，這表明它們之間的合作較少，因為研究方向存在較大差異。然而，中國礦業大學的中心性高達0.22，表明它與國內外科研機構有密切的合作和交流，不僅發文數量最多，還具有較大的學術影響力，其研究成果在國際上具有顯著影響。

2.3 發文作者分析

對文獻作者進行可視化分析往往能清楚了解某個科學研究領域內的引領者，通過了解這些學術帶頭人的研究成果能夠讓我們知道該領域的研究前沿和發展趨勢[17]。發文作者共現圖譜是以作者為節點，節點大小表示其發文量，不同顏色代表研究方向，連線表示合作關系，連線的粗細表示合作強度[18]。通過CiteSpace 分析，得到的發文作者共現圖譜如圖2。

圖2 發文作者共現圖譜Fig.2 Co-occurrence graphs of the authors of the papers

在CNKI 發文作者圖譜中，共有497 個節點和384 條連線，網絡密度為0.003 1。圖中節點大小直接反映作者發文數量；節點間的連線表示各作者的合作關系，其連線的粗細表示合作頻次的高低。國內礦山綠色充填領域的主要合作關系集中在研究團隊內部，不同團隊之間互相引用較少，表明存在研究方向的差異。

WOS 數據庫中的發文作者圖譜包含602 個節點和546 條連線，網絡密度為0.003。最多發文的作者是ZHANG Jixiong（張吉雄），說明此領域的研究主要集中在國內，并在國際上產生了一定影響力。

目前，礦山綠色充填研究人員主要關注內部研究，機構之間的合作相對不密切。作者群體內部的合作較多，通常由同一機構的成員組成，缺乏不同機構之間的合作。各研究團隊擁有不同的研究方向，合作機會有限，導致研究力量分散。建議未來加強不同機構和不同作者之間的合作和交流，以促進礦山綠色充填研究的發展。

3 礦山綠色充填技術的熱點與前沿

3.1 關鍵詞共現分析

關鍵詞是文章的重要組成部分，它們能夠反映出文章的主題和核心內容。關鍵詞作為能夠代表文章主要內容的關鍵部分之一，其出現頻次與研究成果的數量呈正相關關系[18]。利用CiteSpace對CNKI 和WOS 數據庫中綠色充填研究的高頻關鍵詞進行了共現分析，繪制了共現圖譜如圖3。圖中的節點代表關鍵詞，節點的大小表示關鍵詞的共現頻次，節點之間的連線表示關鍵詞之間的相關性[19]。

圖3 關鍵詞共現圖譜Fig.3 Keywords co-occurrence graphs

可以發現：CNKI 數據庫中與礦山綠色充填研究相關的高頻關鍵詞主要包括“礦山充填”、“膠結充填”、“綠色開采”、“充填開采”、“膏體充填”和“充填材料”等。這些關鍵詞反映了國內研究者對綠色礦山充填材料的高度關注；而在WOS數據庫中，與礦山綠色充填研究相關的高頻關鍵詞 主 要 包 括“data mining”“model”“behavior”“system”“mine”和“evolution”等，這些關鍵詞顯示了國外研究者對礦山充填數據挖掘、模型建立、系統分析、行為規律、演化過程等方面的重視。

由此可見，國內外在礦山綠色充填研究方面存在一定的差異和互補性，這表明有必要進一步加強國際間的學術交流和合作，以推動該領域的綜合發展。

3.2 關鍵詞突現分析

關鍵詞突現能夠統計出某個時間段內某一關鍵詞出現頻次的增加，從而判斷發展趨勢和研究熱點[20]。CNKI 突顯詞分布情況見表1，WOS 突顯詞分布情況見表2。

表1 CNKI 突顯詞分布情況Table 1 Distribution of CNKI highlighting words

表2 WOS 突顯詞分布情況Table 2 Distribution of WOS highlighting words

從表1 可以觀察到：關鍵詞“膠凝材料”是一個持續的研究主題，自2015 年持續到2022 年，跨越了7 年。而關鍵詞“抗壓強度”則成為一個熱門研究焦點，其突現強度達到5.77，是2004 至2022 年間最高的值。通過比較不同時間段的突現關鍵詞，可以發現早期研究更關注充填材料的實際運輸、選擇和應用等實際問題，而近年來的研究更強調充填材料的抗壓強度、綠色礦山建設和水化機理等理論方面的探討。這些突現關鍵詞反映了當前該領域的研究重點和趨勢。

從表2 可以看出：自2004 年至2022 年，“valley fill”是最顯著的關鍵詞，其突顯強度高達15.12，這表明在此期間，礦山綠色充填技術和環境問題受到了廣泛的研究和關注；“toxicity”是一個持續的關鍵詞，從2010 年延續至2018 年，共計8 年；這表明礦山綠色充填的生態影響是一個重要的研究領域，需要持續監測和評估；此外，“ecosystem”“downstream”和“process mining”是近年來新興的關鍵詞，其突顯強度分別為7.02、5.12 和5.06，這反映了礦山綠色充填研究的范圍和深度不斷擴展，涉及生態系統的恢復、下游水資源的保護以及過程挖掘的應用等領域。

3.3 關鍵詞聚類分析

關鍵詞聚類分析是使用CiteSpace 對提取的所有關鍵詞進行分類，一般認為當聚類模塊值（Q值）＞0.3 時就意味著聚類結構顯著；當平均輪廓值（S值）＞0.7 時，聚類是高效率令人信服的，在0.5 以上，聚類認為是合理的。若S值為無窮大，則聚類數通常為1，這樣選擇的網絡可能太小，只能代表一個研究主題。為此，將數據庫生成的礦山綠色充填關鍵詞聚類的主題信息導出后匯總。關鍵詞聚類圖譜如圖4。

圖4 關鍵詞聚類圖譜Fig.4 Keywords clustering graphs

圖4 中這8 個聚類其聚類模塊值為0.58，平均輪廓值為0.85，表明聚類結構顯著，聚類是高效率令人信服的。

3.3.1 CNKI 關鍵詞聚類分析

1）CNKI 聚類0#和7#。關鍵詞“膠結充填”和“膠結材料”被歸類在一起，突顯了膠結材料在膠結充填技術中的重要性。膠結充填技術是一種通過添加膠結材料將礦石、廢棄物或其他填充物固化在礦山或礦井中的技術[21]。在這一過程中，膠結材料發揮著膠結和固化填充物的關鍵作用，以提高礦山的穩定性和進行環境修復。這一聚類可能引起研究人員對膠結材料的類型、性質、添加比例及膠結充填過程中的工藝優化等方面產生興趣。

2）CNKI 聚類1#和6#。這個聚類包含了關鍵詞“充填開采”和“充填采礦”，表明研究聚焦于將充填技術應用于礦山的開采過程。充填開采是指在礦山開采過程中，將礦石開采后的空隙或廢棄物用充填材料填充，以提高礦山的穩定性和資源的綜合利用[22]。在這個聚類中，研究人員可能關注充填開采的工藝流程、充填材料的選擇和添加方式、充填體的穩定性以及開采效率與充填效果之間的關系等方面。

3）CNKI 聚類2#、4#、5#。這個聚類涵蓋了關鍵詞“礦山充填”、“充填材料”和“充填技術”，突出了研究中對于礦山充填技術的關注。礦山充填技術旨在通過合理選擇和應用充填材料，實現礦山的穩定和環境的修復[23]。在這個聚類中，研究人員可能探索充填技術的不同方法和策略、充填材料的性能與適用性、充填體的穩定性評估以及充填體與周圍環境的相互作用等方面。

4）CNKI 聚類3#。這個聚類包含了關鍵詞“膏體充填”，是指一種利用膏體狀的充填材料進行礦山充填的技術。膏體充填材料具有較高的流動性和填充性能，可以適應不規則的空隙形狀。在這個聚類中，研究人員可能關注膏體充填技術的應用領域、膏體充填材料的特性、膏體流動性的調控以及膏體充填過程中的工藝控制等方面。

3.3.2 WOS 關鍵詞聚類分析

將WOS 數據庫生成的礦山綠色充填關鍵詞聚類的主題信息導出后匯總。這8 個聚類其平均輪廓值為0.79，聚類模塊值為0.48，表明聚類結構顯著，聚類是高效率令人信服的。

1）WOS 聚類0#，數據挖掘（data mining）在礦山綠色充填技術可視化研究中扮演重要角色。通過數據挖掘技術，研究人員可以從大量數據中提取有用的信息和模式，以幫助優化充填材料的選擇、工藝參數的調整和充填過程的監測與控制。數據挖掘方法如聚類、分類、關聯規則挖掘等可以用于發現數據集中的潛在關系和趨勢，為礦山綠色充填技術的改進和優化提供支持。

2）WOS 聚 類1#。酸 性 礦 山 排 水（acid mine drainage）是礦山開采過程中的一個重要環境問題。在礦山綠色充填技術可視化研究中，關注酸性礦山排水的治理和處理方法至關重要。研究人員可能探索酸性礦山排水的成因、形成機制以及其對環境的影響，以尋求可行的控制和治理措施，例如通過調整充填材料的性質、改善充填工藝或采用生物修復等方法，實現酸性礦山排水的減少和凈化。

3）WOS 聚 類3#。膠 結 膏 體 回 填（cemented paste backfill）是一種常用的礦山充填技術。在研究中，研究人員可能關注膠結膏體回填的工藝參數優化、膠結材料的選擇和配比、回填體的穩定性評估以及回填過程的控制和監測等方面。通過可視化技術，可以實時展示膠結膏體回填過程中關鍵參數的變化和相互作用，幫助研究人員更好地理解回填過程并優化相關工藝。

4）WOS 聚類4#。金（gold）作為一種重要的金屬礦產資源，在礦山綠色充填技術可視化研究中引起了關注。研究人員可能關注金礦充填技術的應用和改進，包括充填材料的選擇、工藝參數的調整和充填過程的監測與控制。可視化分析可以幫助研究人員更直觀地了解金礦充填過程中的關鍵問題，例如金礦資源的綜合利用、環境保護和礦山穩定性的優化。

5）WOS 聚類5#。填充堆積（valley fill）是在礦山充填過程中將填充材料堆積在山谷或低洼地形中的技術。研究人員可能關注填充堆積的工藝參數、填充材料的選擇和添加方式、堆積體的穩定性評估以及堆積體與周圍環境的相互作用等方面。通過可視化技術，可以實時展示填充堆積過程中的關鍵參數變化和堆積體的形態演變，幫助研究人員更好地理解填充堆積過程并優化相關工藝。

6）WOS 聚類7#。邊緣計算（edge computing）是一種將計算和數據處理推向網絡邊緣的技術。在礦山綠色充填技術可視化研究中，邊緣計算可能被應用于實時監測和控制礦山充填過程中的關鍵參數。通過邊緣計算，研究人員可以將數據處理和決策推向礦山現場，實現實時的監測、響應和優化。邊緣計算在礦山充填技術可視化研究中可能涉及網絡通信、數據傳輸、邊緣設備的選擇和部署等方面的研究和應用。

通過以上關鍵詞聚類的分析，可以更全面地了解礦山綠色充填技術可視化研究。這是一門跨學科的綜合性研究，需要應用和融合多種技術和方法，包括數據挖掘、邊緣計算、可視化技術等。礦山綠色充填技術的研究目標是通過合理選擇和應用充填材料，實現礦山的穩定和環境的修復，同時提高資源的綜合利用率。這個領域的研究對于礦山可持續性和環境保護至關重要，它通過綜合考慮不同技術和方法，尋求最佳解決方案，以實現資源的可持續開發和保護環境的目標。

4 分析探討

研究采用CiteSpace 對CNKI 和WOS 數據庫中檢索出的4 835 篇文獻進行分析，對礦山綠色充填技術研究的發展趨勢進行了綜述。盡管礦山綠色充填技術研究具有廣闊的發展前景，但現階段的研究存在不足，主要包括以下幾個方面：

1）充填材料的選擇和配比。充填材料的性能直接影響充填體的穩定性和生態效益。因此，需要根據不同礦區的地質條件、采空區形態和充填目的等因素，合理選擇和配比充填材料。目前，常用的充填材料包括全尾砂、粉煤灰、建筑垃圾和農業廢棄物等。然而，這些材料的來源、成分和特性等都存在較大差異，因此需要進行系統的試驗和評價，以確定最優的充填方案。這種個性化的選擇和配比可以確保充填體在特定礦山條件下達到最佳的穩定性和生態效益，同時實現資源的綜合利用和環境的保護。

2）充填工藝和設備。充填工藝和設備在實現礦山綠色充填中扮演著關鍵角色，涉及充填材料的輸送、混合、注入和固化等多個環節。目前，國內外已經開發和應用了多種充填工藝和設備，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，這些工藝和設備仍然存在一些不足之處，例如輸送距離受限、混合效果不佳、注入壓力不穩定和固化時間不易控制等問題。因此，需要進一步改進和優化這些工藝和設備，以滿足不同礦山條件下的充填需求。這將有助于提高充填工藝的效率和可靠性，同時減少資源浪費風險。

3）充填效果的監測和評價。監測和評價是確保礦山綠色充填效果的重要手段，它能夠及時發現和解決充填過程中出現的問題，從而提高充填質量和效率。目前，常用的監測和評價方法包括物理、化學和生物方法等。然而，這些方法仍然存在一些局限性，如監測范圍有限、監測參數單一和監測結果不夠準確等。因此，為了更全面和可靠地監測和評價充填效果，有必要結合現代信息技術，開發更高效和可靠的監測和評價系統，這將有助于確保綠色充填技術的可持續發展。

5 結 語

應用CiteSpace 對2004—2022 年發表在CNKI和WOS 中的文獻通過發文數量、發文機構、發文作者和關鍵詞等方式對礦山綠色充填技術研究現狀及新興趨勢進行分析。在礦山綠色充填技術研究中，我國處于領先地位，發文數量和中心性位列第一。發文量與中心性最高的機構是中國礦業大學；中國與其他國家的合作最為緊密。關鍵詞共現分析顯示，該領域的研究熱點集中在充填材料、充填技術、充填開采、膠結充填、膏體充填等方面。數據挖掘、酸性礦山排水、邊緣計算等是新興的研究方向。礦山綠色充填是一種具有廣闊發展前景的技術，但在實施過程中還需要解決一些技術難題，提高充填水平和效果。為此，需要加強綠色充填領域的科學研究和技術創新，借鑒國內外先進經驗和成果，建立完善充填標準和規范，促進礦山綠色充填技術的推廣和應用。