煤矸石综合利用知识图谱可视化分析*

罗 畅，刘 萍，贾毅超，王子一，陈 镇

(贵州大学 矿业学院，贵州 贵阳 550025)

0 引言

在煤炭开采、洗选和加工过程中产生的煤矸石约占煤炭产量的10%～30%，目前是我国排放量最大的工业固体废弃物之一[1]。煤矸石的排放不仅占用宝贵的土地资源，其中的SiO2、Al2O3等成分还会污染土壤和水资源。开展煤矸石资源综合利用研究，是解决煤矸石问题最主要的途径之一。“十二五”规划之后，政府相关部门通过加快“三废”资源综合利用基地建设、减免资源综合利用的产品税收或发放财政补贴以及设立国家绿色矿山名录等方式，促进煤矸石的综合利用。2010-2020年，煤矸石综合利用率从37.0%升至72.2%[2]。目前，煤矸石资源综合利用的途径主要为混合发电、生产建筑及化工材料、充填采空区、填筑路基和回填塌陷区等。其中，充填采空区、填筑路基以及回填塌陷区等消耗的煤矸石量占总利用量的56%，利用煤矸石在沸腾炉中燃烧供暖或混合发电的煤矸石量占比在30%左右，用于工业建筑材料的煤矸石量占比超过11%[3-4]。煤矸石综合利用已经引起产煤国的足够重视，但现阶段对于煤矸石综合利用的传统知识研究路径、研究现状及发展趋势还缺乏较为系统的整理。Citespace软件可以对文献进行统计学分析，绘制一系列可视化图谱，以展示该研究领域的学科发展进程、研究热点、前沿问题。基于此，本文利用Citespace对煤矸石综合利用领域2005-2021年的文献进行分析研究，以展现近16年来煤矸石综合利用的发展现状。通过分析过去16年煤矸石综合利用研究的发文量、发文作者和关键词之间的联系，探寻研究热点的演变，揭示近年来的前沿技术，并据此对未来的研究方向进行预测，以期为煤矸石综合利用的创新研究提供借鉴。

1 文献回顾

我国学者早在20世纪中期就对煤矸石的综合利用开展了初步研究，其中辽宁南票矿务局[5]对其矿区的煤矸石成分进行了定量、定性分析，得出该矿区的煤矸石主要矿物成分为高岭石黏土和铝质黏土，含铝量高，含铁量低，可作为高级耐火材料；吕玉文[6]对煤矸石进行了详细的元素分析，并提出煤矸石在化工、燃料、建筑材料等方面的应用途径以及提取工艺；王长根[7]对煤矸石进行了命名与分类，将我国的煤矸石分为5类：洗矸、煤岩矸、岩巷矸、手选矸、剥离矸；杨冠群[8]提出将煤矸石的综合利用与冶金工业相结合，煤矸石中的TiO2可用于含钛铝合金的研制和应用；杨梅等[9]以煤矸石为主要原料，加入添加剂，经过熔制、水淬和晶化热处理后制备出了CaO-Al2O3-SiO2系微晶玻璃；许家林[10]对煤矿绿色开采的研究及进展进行了综述，并对其技术框架进行了系统阐述，其中将矸石充填采空区、矸石充填作为巷旁支护等煤矸石的利用作为绿色开采重要的发展方向之一。

2 数据来源

Citespace是美国德雷塞尔大学的陈超美开发的文献可视化分析软件，其通过将文献的Keyword、Country、Author等作为节点进行可视化研究，并通过绘制相应的图谱进行计量分析，从而得到某领域的学科现状、学科热点问题以及未来的发展趋势等[11-13]。目前，Citespace已被广泛应用于自然科学和社会科学的众多研究领域[14]。因此，本文采用Citespace软件，以中国知网(CNKI)为文献检索来源，对我国2005-2021年期间的“煤矸石综合利用”相关文献进行检索、收集及分析，得到930个结果；最后，通过阅读930篇文献资料的标题、摘要进行相关性筛选，删除与煤矸石综合利用关联性较低的数据后共获得666篇文献作为研究样本。

3 煤矸石综合利用文献的可视化分析

3.1 发文量分析

通过发文量指标可以判断出该研究领域在某个时期的主要研究方向以及相关领域的发展深度[15]。为了从整体上把握煤矸石综合利用研究领域的文献数量变化及时序规律，本文对666篇相关文献的时序数量进行了统计(见图1)。

图1 2005-2021年国内煤矸石综合利用领域的发文量

从图1中可以看出，发文量变化大致经历了以下3个阶段：

a.2005-2008年为增长期，随着国内煤炭产量的逐年增加，矸石量随之增加，加上煤矿矸石山的历史遗留问题，导致煤矸石的处理与利用问题日益突出，因此发文量开始逐渐增加。

b.2009-2018年为高潮期，这是因为国内煤炭消费量激增，尤其是2012-2014年期间国内煤炭消费量达到了峰值，煤矸石综合利用领域的相关研究进入一个小高潮；该阶段发文量最高达到了65篇，较第一阶段有了大幅增加。

c.2019-2021年为一个波动期，发文量较第二阶段有所减少，从近年来的文献分析得出其主要原因是煤矸石的综合利用技术进入了瓶颈期。

3.2 发文作者分析

一个领域的发展与进步离不开大量学者对其各个方面的深入研究，同时，该领域的发展与进步也会推进学者的知识更新与再创造[16]。使用Citespace对发文作者之间的关系进行分析，得到的分布图谱如图2所示。图2中，连接作者的线段表示作者间有联系，线段粗细表示作者联系的紧密程度。Citespace运行结果显示，其中节点(nodes)=500，连线(links)=359，密度(density)=0.004 9。此运行结果表示研究学者合作图中共有交叉连接节点500个，连接作者的线段有359条，网络密度为0.004 9，该密度非常低。综上所述，该领域还未探究出稳定的中心学者，该研究领域内的学者关联程度较差，大都独自发文，这样容易导致思维封闭，研究思路受限。因此，在未来的煤矸石综合利用研究中，众研究者应加强联系与合作，探索更多的煤矸石利用新途径，共同推动该领域的技术进步。

图2 煤矸石综合利用发文作者分布图谱

通过在中国知网(CNKI)检索，共整理出11位研究成果不少于5篇的学者(见表1)。其中，夏举佩和关虓为该领域的主力发文作者，发文数量分别为25篇和22篇，分别于2011年和2017年开始发表第1篇论文。总体来说，煤矸石综合利用研究领域学者的影响力呈群体化、集中化。虽然发文量大于5篇的作者人数较多，但与作者总数127人相比还是偏少，这不利于该领域的持续发展。2011年12月15日，夏举佩团队在《硅酸盐通报》发表的论文[17]引用量以及下载量分别达到37次和507次，该数据领先于同领域内其他研究者的论文，由此表明该文献具有较高的学术参考价值，同时也可以反映出2011年是煤矸石综合利用研究的高峰期。

表1 发文量大于5篇的作者统计

3.3 研究热点分析

3.3.1 关键词共现图谱分析

关键词是对一篇论文核心内容的高度概括，在一定程度上能反映该研究领域内各知识的形成和发展过程。将网络节点设置为Keyword，时间切片取为1年，然后选择合理的阈值，得到的煤矸石综合利用关键词共现图谱如图3所示。

图3 煤矸石综合利用关键词共现图谱

由图3可知，“煤矸石”“抗压强度”“综合利用”“循环经济”等出现的频次较多。各节点之间连线的粗细表明其出现在同一篇文章中的概率大小，连线越粗，概率越大；同时，若节点间连线越多，则表明该关键词是一个主要研究主题，均以其为核心展开研究[18]。中心度反映该节点与其他节点之间关系的亲密性，即两个关键词之间信息流数量的多少决定了整个网络资源的影响程度[19]。中心度数值越大，表示该关键词的影响程度越高[20]。出现频次较高的关键词统计如表2所示。由表2可知，“煤矸石”“综合利用”“循环经济”“抗压强度”“煤矸石山”是中心度数值较大的关键词，其出现的次数也较多，说明这些关键词是学者在研究煤矸石综合利用时重点关注的内容。

表2 出现频次较高的关键词统计

3.3.2 关键词共现图谱的聚类分析

关键词聚类分析能够更加深入地反映该研究主题的热点。使用Citespace软件中的自动聚类模块，点击Keyword得到关键词聚类分析图谱(见图4)，并得到指标模块值Modularity、平均轮廓值Mean Silhouette(S值)，二者都是评价聚类效果的指标。Modularity为聚类模块值(Q值)，一般认为Q>0.3，代表聚类结构显著[21]。当S>0.5时，代表聚类合理。运行后得到的结果为：Q=0.563 2>0.3，S=0.558 7>0.5，说明此聚类视图显著合理且可信度高。通过聚类分析得到的煤矸石综合利用热点主题如下：

a.循环经济。李金峰等[22]通过对煤炭行业发展循环经济的“3R”原则论述，提出循环经济的主要内容之一就是煤矸石的综合利用，如煤矸石发电、制砖、生产建筑材料等。

b.充填开采。梁和平[23]为解决采动造成的地表沉陷和煤矸石重复运输的问题，对充填开采和井下原煤分选一体化技术进行了研究，并介绍了其系统布置及工艺流程。

c.抗压强度。王占峰等[24]对煤矸石抗压强度进行了研究，得出了各类煤矸石的抗压强度，分析其他材料的占比后发现，煤矸石可与多种建筑材料混合制成新型建筑材料。

图4 煤矸石综合利用关键词聚类图谱

3.4 研究发展分析

根据样本信息可知，20世纪中期，我国就开始对煤矸石进行了部分利用，但在当时仅当作一种固废进行处理，未将其视为一种资源。直到20世纪70年代中后期，煤矸石综合利用的研究才逐渐兴起。全国各地陆续建设了如发电厂、建筑材料厂、化工厂等煤矸石综合利用项目。煤矸石综合利用途径因其内部成分占比的不同而不同，我国学者将煤矸石应用于SiC生产中，并制成了陶瓷材料[25]。近年来，我国大部分煤矿的新增煤矸石基本上已由储存转为利用，矸石山数量大大减少，逐渐形成了一套具有国内特色的资源利用理论和技术。高端化、高附加值煤矸石综合利用技术和产业得到了迅速发展，如利用煤矸石通过煅烧-粉磨-改性-高速混合-挤出造粒工序制备出了合格的塑料用非金属矿物填料，该技术已成功实现工业化，有效地推进了煤矸石综合利用相关产业的转型升级。随着“绿色开采”理念以及“十四五”规划中关于“矿区大宗固废资源利用”要求的提出，煤矸石、矿井水、粉煤灰等是将来重点治理和利用的对象。合理开发、利用煤矸石资源，是建设绿色矿山的必经之路。发展循环经济，走可持续发展道路，这不仅符合科学发展观的要求，而且也为经济发展方式的转变指明了方向。

4 结语

本文基于Citespace软件，对煤矸石综合利用领域2005-2021年的相关文献进行了可视化分析，对该领域的发展历程和研究现状进行了全面回顾，总结了该领域的研究热点与前沿问题，得到以下主要结论与建议：

a.国内学者的煤矸石综合利用研究成果虽多，但彼此间的联系与合作较少，不利于该领域的技术进步。建议该研究领域的主要机构和专家可以定期举办研讨会，加强学者之间的交流。

b.对发文量的统计分析可知，近几年的发文量有所减少，其原因可能是煤矸石的利用技术进入了瓶颈期。“分类逐级利用”的思路很值得深入探讨，如：对于含碳量较高的煤矸石可洗选回收煤炭，其尾矿可作为建筑和化工等行业的材料；对于含碳量低的煤矸石可直接用于土地复垦和路基填筑。研究者应发散思维，结合不同领域的最新成果，探索出更多更有效的利用途径。

c.目前对煤矸石综合利用的研究基本处于“低端化”状态，因此未来应向“高端化”发展，如制备无机纤维、空心微珠等。未来，煤矸石的综合利用依旧要坚持走“因地制宜、积极利用”的路线，继续加强对各地煤矸石组分、结构、特性等的基础性研究，并借鉴国外前沿技术，努力提升我国煤矸石综合利用的整体水平。