煤炭行业科技创新对煤矿安全的影响研究

刘 峰

（1.中国煤炭学会，北京100013；2.中国煤炭工业协会，北京100013）

改革开放40 余年以来，在煤炭行业科技创新的推动下，我国煤矿安全技术和管理水平得到了较大提升，百万吨死亡率大幅下降，保障了百万矿工的生命财产安全，实现了煤炭行业的科学发展。科技创新是一个系统的评价，煤矿安全是一个系统工程，国内外学者对煤矿安全领域的技术、管理等研究较多，但很少给出量化指标来衡量科技创新对煤矿安全的推动作用，也较少梳理煤矿安全的知识结构体系。为此，通过相关性分析给出煤炭行业科技创新（论文发表数量、煤炭工业科技奖励报奖数量、煤炭行业授权专利数量）对煤矿安全（百万吨死亡率）的影响；同时，通过知识图谱可视化，分析煤矿安全领域研究机构、研究热点和研究前沿演进过程，从而得到我国煤矿安全领域发展面临的挑战与未来机遇，进一步推动我国煤矿安全领域理论与技术水平的提升，为我国学者提供参考借鉴。

1 科技创新与煤矿安全的相关关系

从科技创新的角度分析我国煤矿安全（百万吨死亡率）及研究的趋势，但科技评价指标众多，通过对国内外科技评价指标的梳理及行业内数据的可获取性，最终选取：煤矿安全领域论文发表数量、煤炭工业科技奖励报奖数量和煤炭行业专利授权数量3个指标，以此衡量煤炭行业科技创新与煤矿安全的关系，经统计1980—2019 年数据[1-5]，科技创新与煤矿安全统计直观图如图1。

图1 科技创新与煤矿安全统计直观图（1980-2019 年）Fig.1 Visual chart of science and technology innovation and coal mine safety statistics（1980-2019）

从图1 可知，科技创新与煤矿安全之间的反向关系，随着煤矿安全领域论文发表数量增多、煤炭工业科技奖励报奖数量增加和煤炭行业专利授权数量增加，百万吨死亡率随之逐步降低。

但仅从直观上分析各个指标之间的相关关系是不足以说明其关系的强度，也不能作为选取和筛除指标的依据，因此，需要以客观的统计方法对指标之间的相关关系做出说明。统计了自1980 年至2020 年7 月间的相关数据，但为了更好的显示近状，特截取2002—2020 年数据作为分析对象，并利用SPSS 统计分析软件得出各指标间相关系数[6]。

百万吨死亡率与煤矿安全论文发表数、煤炭科技奖励数量和煤炭行业授权专利数量的散点图如图2。

图2 百万吨死亡率与煤矿安全论文发表数、煤炭科技奖励数量和煤炭行业授权专利数量的散点图Fig.2 Scatter chart of million tons mortality rate and coal mine safety papers published, number of coal science and technology awards and number of authorized patents in coal industry

从图2 可以初步判断百万吨死亡率与科技创新3 个指标之间呈线性负相关，即科技创新水平的提升使得百万吨死亡率降低。图2 只是直观的分析了各指标间的关系，为选择相关性分析的计算方法提供依据。由于数据符合Pearson 相关分析法，所以在SPSS 计算过程中选择Pearson 法[7]。百万吨死亡率与科技创新的3 个指标呈高度负相关，相关系数分别为-0.732、-0.923、-0.849。这说明，自2002 年起至今，随着煤炭工业科技奖励的申报数量的增加，煤矿百万吨死亡率下降，可以说，我国科技工作者将科研成果应用到工程实践中，提升了煤矿安全生产的水平。其次是煤炭行业授权专利和论文发表数量都与百万吨死亡率呈现强负相关。因此可以说明，煤炭行业科技创新推动了技术发展，提升了煤矿管理水平，最终使得煤矿安全大幅度提升，百万吨死亡率逐年下降。

2 煤矿安全领域研究的时空分布

为把握我国煤矿安全相关研究的前沿研究热点与发展趋势，通过回顾近40 年中文文献情况，重点分析我国煤矿安全领域的论文发文量、主要研究机构分布情况，通过图谱可视化分析呈现了我国煤矿安全领域研究的发展历程、热点主题及发展方向。

2.1 数据来源及分析工具

1）数据来源及处理。数据来源选自中国学术期刊网络出版总库（CNKI）文献全文数据。在CNKI 的高级检索中选择“主题”和“关键词”检索，检索条件为“煤矿安全”，并含“水、火、瓦斯、顶板、煤尘、灾害、防治”，时间期限为1980 年至2020 年7 月的中文文献，剔除新闻宣传、会议通知等非研究型文献后，共获得7 248 篇有效文献。

2）方法分析及工具。CiteSpace[8]是陈超美博士等人开发一种知识图谱可视化软件工具，通过科学计量和聚类分析判断领域的学科热点及前沿。通过梳理近10 年煤矿安全领域相关研究及期刊、机构分布，揭示了煤矿安全领域的热点和前沿研究方向。基于CNKI 数据库对煤矿安全领域研究的文献进行了归类、整理与分析，从发文量和科研机构2 个维度阐述了煤矿安全领域研究的动态情况；基于CiteSpace 可视化软件对煤矿安全领域的知识图谱进行了可视化，定量地分析了近10 年来煤矿安全领域的发展脉络及其研究现状。

2.2 时空图谱分析

2.2.1 时间研究分布

通过对40 多年的检出文献的年代分布进行分析发现，文献的年代跨度大。根据文献数量的分布规律客观上反映了我国煤炭安全领域研究的发展历程，大致分为3 个阶段：

1）第1 阶段，1980—2002 年。该阶段与煤矿安全相关的论文数量较少，主要是该时期，我国煤炭发展较慢，更多的关注煤炭产量，而较少关注煤炭安全生产。该阶段累计发表量548 篇。

2）第2 阶段，2002—2013 年。该阶段为我国煤炭的“黄金十年”，随着社会经济的快速发展，对煤炭的需求在该阶段显著的提升，国家及社会也将更多的目光投向煤炭行业，煤炭产量的不断上升引发了对煤矿安全的重视，因此该阶段对煤矿生产及煤矿安全的讨论不断增加，10 年间累计4 183 篇涉及煤矿安全领域的论文。

3）第3 阶段，2014—2020 年。在“黄金十年”过程中，煤炭开采给国家经济发展起到了重要的支撑作用，但同时也付出了巨大的代价。随着2013 年煤炭市场价格下跌，“黄金十年”也随之结束。国家及相关部门相继出台与煤矿安全生产相关的法规与政策，这使得煤炭行业重新思考发展问题。该阶段整体论文发表数量有所下降，6 年累计发表涉及煤矿安全领域论文2 517 篇。

2.2.2 研究机构分布

截取近10 年煤矿安全领域发文机构数据（2010年—2020 年），合并同一单位不同名称后，根据机构发表频次前5 的为：中煤科工集团重庆研究院（127）、中国矿业大学（北京）（82）、河南理工大学（58）、煤科集团沈阳研究院（53）、中煤科工集团常州自动化研究院（47）。煤矿安全领域论文发表频次机构分布见表1。

表1 煤矿安全领域论文发表频次机构分布Table 1 Organization distribution of publication frequency of papers in coal mine safety field

从机构间联合研究的分布方面分析，各机构间合作研究较多，体现了煤炭行业科技工作者之间的密切联系与合作，知识与研究成果的共享充分。如：中煤科工集团重庆研究院、中国矿业大学（北京）、河南理工大学和煤科集团沈阳研究院跨机构研究多，辐射面广。

3 研究热点及前沿演进

3.1 研究热点分析

研究热点是基于对关键词的分析。关键词是反应论文主题概念的词组，聚类后能够反应该领域的主要研究热点和研究方向。运行CiteSpace 中的关键词节点，煤矿安全关键词共现网络聚类表见表2。

表2 煤矿安全关键词共现网络聚类表Table 2 Coal mine safety keywords cooccurrence network clustering table

这些聚类表明了我国近10 年来煤矿安全的热点问题现状：煤矿安全、矿工生命安全、煤矿安全监管、ZigBee 技术、数值模拟、瓦斯预测、抽采量、安全规程、风险评估、不安全行为、层次分析法、安全对策。在煤矿安全领域研究中，安全生产、监督管理、装备技术、安全管理是研究的热点问题，其中瓦斯事故发生机理研究、监测、治理和评估是重点研究方向[9-10]。

3.2 前沿演进

通过对近10 年（2010—2020 年）数据的分析，识别与追踪我国煤矿安全领域的研究方向，提供研究演化动态。数据来源于中国知网，因此仅对突出词进行分析。运行CiteSpace 得出煤矿安全引文量最大13 个关键词结点统计情况见表3。

表3 煤矿安全引文量最大13 个关键词结点统计表Table 3 Statistics of 13 key words nodes with the largest number of coal mine safety citations

结合高突文献的进一步分析，探测煤矿安全研究关注的前沿问题和发展趋势，大致可分为3 个阶段。

1）早期阶段（2010—2014 年）。该阶段的研究内容主要集中在六大系统、瓦斯抽放和煤与瓦斯突出矿井的相关研究。2010 年，国务院23 号文《国务院关于进一步加强企业安全生产工作的通知》中要求煤矿及非煤矿山安装监测监控系统、井下人员定位系统、紧急避险系统、压风自救系统、供水施救系统和通信联络系统等技术装备，并于3 年之内完成。突出词与国家相关规定完全一致，说明我国学者在此阶段的研究重要集中在六大系统及瓦斯防治方面。早期前沿阶段的研究，为煤矿安全生产的后续研究奠定了重要的基础。

2）中期前沿（2013—2016 年）。2013 年国办99号文《国务院办公厅关于进一步加强煤矿安全生产工作的意见》中指出，小煤矿退出、提高准入制、强化矿长责任、提升安全监管水平等要求。因此在中期前沿阶段，学者对我国煤矿的现状和安全管理研究较多，为小煤矿退出提供了理论、数据和政策的支撑。

3）近期前沿（2015—2020 年）。该阶段研究集中在开采装备提升、灾害防治体系、监控系统和防范措施等方面。主要反应了近年来，行业内不断关注装备技术、信息化技术、管理水平对煤矿安全的作用，其中云计算、智慧物联网、智能化开采及装备的理论研究及应用将成为我国煤炭安全领域的发展趋势。

4 结 语

1）煤炭行业科技创新与煤矿安全生产紧密相关。从计量学角度分析了论文发表数量、煤炭工业科技奖励申报数量和专利授权数量3 个方面与煤矿安全的相关性，表明了科技创新推动了煤矿安全，降低了百万吨死亡率。

2）对于煤矿安全的研究机构较多，但主要集中在中煤科工集团、中国矿业大学.北京和中国矿业大学，虽然存在彼此之间的合作，但部分机构间合作较少，仅存在几个主要机构之间。

3）研究热点集中在安全生产、监督管理、装备技术、安全管理是研究的热点问题，其中瓦斯事故发生机理研究、监测、治理和评估是重点研究方向。

4）前沿演进中分为3 个阶段，但是纵观3 个阶段呈现出的共性是：煤矿信息化、物联网、感知、云计算、智能化等关键词贯穿始终，因时间的推移而呈现出新的形态。这说明，基于煤矿信息化技术的发展，未来将以更深层次的形态引领煤炭行业的发展方向。