基于CiteSpace对煤层气抽采领域的可视化分析

陈 坤副教授 刘旻辉 刘延保

(1.重庆科技学院 安全工程学院，重庆 401331；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 401332)

0 引言

煤层气伴煤而生，是近年来国际上崛起的新兴能源[1]。国家能源局召开新闻发布会：多措并举提升煤层气开发效率，可看出国家对煤层气开发极为重视，虽然煤层气开发起步早，但近年来开发速度趋于平缓[2-3]。景明佳等[4]利用CiteSpace对我国煤矿领域安全经济形式进行研究，煤矿安全经济领域在不断发展过程中，机电一体化是近5年的研究热点；陈磊等[5]通过对煤矿安全评价知识图谱分析，结果表明人为因素导致的矿工不安全行为引发的风险将是该领域研究热点；杨晓严等[6]对国内工程项目中的不安全行为进行分析，工程项目中的人员是重点，研究热点主题有安全生产、评价和风险预控；姜瑶等[7]对国内煤矿安全进行可视化分析，安全管理、风险预警是研究热点中热点；云小鹏[8]基于CiteSpace定量分析国内应急管理研究领域，应急决策、智慧城市是将来的研究方向；张宁等[9-10]以煤矿信息化为研究主题，该领域的研究热点集中在物联网、云计算等方面。

目前学者对煤层气抽采领域的各项研究内容的梳理和整合较少，为了更加清晰地掌握煤层气抽采的研究趋势，以及将要面临的问题、研究瓶颈和研究前沿。利用CiteSpace软件对我国煤层气抽采领域学术研究现状、研究热点等进行定量分析，在双碳大背景下，为研究人员提供科学依据，方便开展下一步研究。

1 数据来源与研究方法

中国知网(China National Knowledge Infrastructure，CNKI)由清华大学、清华同方创建于1998年，收录哲学、经济学、文学、理学、管理学、军事学、生物学、工学等各个领域各种类型的文献。选用CNKI作为数据检索库，以“煤层气抽采”为标题进行检索，时间跨度在2007-2022年，共检索出1 227条文献数据，使用期刊和论文作为研究对象，手动去除会议、标准、报纸、访谈等无效数据后，以剩余的1 000篇有效数据作为研究对象。

CiteSpace软件是美国Drexel大学陈超美教授开发的一款的Java应用程序，用来分析和可视共现网络，它能够分析信息知识单位(研究人员、研究机构、关键词等)的相关性和相似性，用曲线或图谱的形式将分析出的客观科学规律绘制成可视化的知识图谱[5，11]。通过文献计量的方法对煤层气抽采领域的文献数据进行深层次解读，在一定程度上避免分析者主观因素的影响，揭示该领域的合作网络、研究水平、研究热点和发展前沿等。借助CiteSpace软件对我国煤层气抽采领域的发文作者和关键词共现、聚类、突现进行系统分析，实现该领域内文献的可视化。

2 数据分析

2.1 发文量分析

发文量是反映此领域某个研究阶段及未来发展趋势的重要指标。在某一时间序列内的发文量反映出的是研究学者对此领域的关注度。在CNKI中以煤层气抽采为主题进行检索，时间序列设置为2007-2022年，得到在煤层气抽采领域的1 000篇文献。文献发文量年度趋势大致分为2个阶段：发展阶段为2007-2016年，这9年间发文量呈波动状态；减少阶段为2016-2022年，自2016年以来发文量呈逐年递减的趋势，期刊数量在2010年达到了一个高峰，如图1。图1可以看出，2007-2022年内核心期刊数量在所有期刊数量中占比较少，核心期刊的发文量大体上逐年增加，但近2年有递减趋势，文献整体质量还有很大提升空间。

图1 文献发文量年度趋势Fig.1 The annual trend of the number of literature publications

国家对煤矿行业各阶段的规划影响着学术界在此领域的研究，主要体现在文献发行量的变化。2006年国家发改委通过了《煤层气(煤矿瓦斯)开发利用“十一五”规划》，规划中提到随着人口数量以及经济发展的需求，到2010年全国煤层气产量达100亿m3。2010年，原国家煤矿安全监察局召开煤层气开发利用技术研讨会，中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要(即“十一五规划”，以下皆用此形式描述)期间要加大煤矿瓦斯抽采利用力度，促进煤炭资源开发利用，学术界响应政策做出回应[12]。如图1所示，2010年文献发文量达到高峰。“十二五规划”主要任务是完善煤矿企业安全生产保障、监察监管、应急救援等体系，为实现煤矿生产安全打下坚实基础，在国家的号召下，科研领域的专家学者实现了抽采技术智能化，同时在装备方面做出改进[12]。2016年以来，文献发行量呈下降趋势的原因与“十三五规划”有关，规划中提出淘汰落后产能，绿水青山就是金山银山，以保护环境、保障人的人身财产安全为目的，每年都有关停煤矿[13]。“十四五规划”要求煤层气抽采以安全绿色智能抽采为目标，学术研究向智能化方向实施技术攻关，实现煤炭工业转型升级和可持续发展[14]。

2.2 研究力量和发文期刊分析

在CiteSpace中选择“作者(Author)”，文献作者是学术研究的主体，分析作者有助于掌握领域内的主力研究力量。从煤层气抽采领域文献作者共现图谱能够了解到研究团队与成员间的关系，如图2。图2中不同的网络表示不同聚类；节点的大小表示频数高低，即论文数；连线代表共现频数，表明有合作，线段的粗细表示合作的紧密性。

图2 作者共现图谱Fig.2 Authors co-occurrence graph

从图2中可以看出，学者们在煤层气抽采领域的研究正朝着多元化方向发展，科研合作群体已有雏形，研究学者之间的合作关系相对密切，能较好的在煤层气抽采研究领域实现知识共享，推动整体发展。文献发文量前5位分别是李国富、王争、姜在炳、刘亮亮、史建儒，这5位在图2中表现为关联网络的中心节点，在业界具有代表性和权威性，贡献的学术成果有很大研究价值和引用价值。王争、李国富[15]在2021年通过对山西省废弃煤矿井煤层气抽采提出了几个关键性问题，针对资源评价不准确、钻进体系不完善等问题探讨出相应对策，优选“L”型钻井思路，提高物理勘探精度到米级，以及对不同浓度煤层气采用梯级利用模式，并配备多种防回火、传感器等设备，使得废弃矿井煤层气地面抽采工艺安全高效进行，对山西省煤矿企业安全生产具有指导性意义。

煤层气抽采学术论文发表期刊情况，如图3。《煤矿安全》《中国煤层气》《中国煤炭报》《煤炭科学技术》是近15年来发表煤层气抽采学术论文最多的刊物，均在30篇以上。图3中的10本期刊是煤层气抽采领域学术研究成果发表的主要阵地，专家学者为煤层气抽采研究做出了自己的贡献，这些成果能够较好地对抽采实践进行指导，有效推进研究工作往更高态势发展。

图3 发文期刊Fig.3 Publication journals

2.3 研究热点分析

2.3.1 关键词共现分析

关键词是文献的精华所在，能够反映文章主题，通过检索文献关键词来解析该领域的研究热点，以及不同热点之间的联系。在CiteSpace中选择“关键词(Keyword)”，时间切片(TimeSliced)设置为1年，最终生成468个节点和917条连线，网络密度0.008 4，这些组合连接在一起得出网络图谱，如图4。图4中节点环最外层表明该节点是高中介中心度节点，即研究领域历程中的关键点或转折点；节点的大小表示节点出现次数的多少，表示权重值(发文量)；节点之间的连线表示关键词之间的联系，粗细表示共现关系的强弱。在捕获的关键词中，频次不少于10次的关键词有27个，由此可说明该领域的研究基础比较扎实，已经形成领域内的研究热点。对共现关键词按照数量(Count)和中心度(Centrality)排序，中心度大小表示网络节点的重要程度，统计出的高中心性和高频词，见表1。

图4 关键词共现图谱Fig.4 Keywords co-occurrence graph

表1 关键词及中心度Tab.1 Keywords and centrality

通过对表1关键词及中心度和图4关键词共现图谱解读，得出以下结论。将关键词阈值设置为20，筛选出除煤层气(中心度1.05、词频406)之外的7个关键词，分别是瓦斯抽采、煤矿瓦斯、地面抽采、山西省、晋煤集团、抽采效果、开发利用，这些关键词是煤层气抽采领域内研究基础扎实、具有较大影响力的议题。瓦斯是煤矿安全的最大威胁，提高煤矿瓦斯的抽采利用率、变隐患为优势是工业生产中繁重且长期的任务。近年来我国以治理瓦斯危害为目的的井下瓦斯抽采和煤层气抽采技术研究方面有很大突破，在国内的24个产煤地区中18个实现瓦斯“零事故”[16]。废弃矿井中蕴含大量资源，如果能科学地开发利用这些资源，不仅创造新的碳减排来源，也消除采空区瓦斯聚集的隐患。山西省是首个推进关闭矿井剩余资源再利用的省份，目前累计施工抽采井100余口，抽采出的煤层气达1.28亿m3，抽采效果好于预期，加快了废弃矿井资源的开发利用。煤层气产业发展与国家能源安全密切相关，未来发展离不开政策支持和技术支撑。

2.3.2 关键词聚类分析

关键词聚类图谱是由生成的聚类标签组成的，通过共被引耦合分析来提取词汇。潜语义索引(Latent Semantic Indexing，LSI)算法、对数似然率(Logarithmic Likelihood Rate，LLR)算法和互信息(Mutual Information，MI)算法是可选用的3种算法。聚类结果的效度是通过聚类模块值Q和聚类平均轮廓值S来判断，当Q>0.3时，表示聚类结构显著；S>0.5表示聚类合理，S>0.7表示聚类是令人信服。对比3种算法运行结果，LLR算法得出的聚类效果更佳，更符合实际情况，LLR聚类标签关键词的值越大，越具有聚类代表性。运用LLR算法对关键词进行聚类标签提取，得出模块值Q为0.592 8，S为0.902 3，平均轮廓值(Mean Silhouette)为0.715 5，这3项数据都在合理范围内，表示研究聚类效果显著。节点数量在20以上的聚类标签(见表2)，聚类号越小的文献量越多，是重点研究的主题。

(1)煤层气#0、晋煤集团#1、山西省#2，主要围绕煤层气开发、综合能源、发电、绿色转型发展、关停矿山等方面来研究。晋煤集团已经在地面抽采工艺中形成了自己的开采体系，正在逐步完善中，这为其他煤矿区的地面抽采提供技术思路；从聚类标签关键词可看出国家对煤层气抽采、煤矿山管理高度重视，发展经济效益的同时重视绿色发展[15，17]；煤层气高产地主要分布在山西沁水盆地南部和鄂尔多斯盆地，煤层气产业发展仍处于“爬坡阶段”，理论技术还需要更新，政策支持和激励也至关重要。

表2 LLR聚类标签Tab.2 LLR cluster labels

(2)瓦斯抽采#3和地面抽采#4聚类标签围绕地面井、分段压裂、井身结构、井位布置、采空区等方面进行探讨，我国煤层气地面钻井刚刚起步，当时主要考虑的2大因素是技术和经济，计划通过已有的简单技术开发较富集地质构造的煤层气，随着开发进行，除了关注地面钻井开发外，逐渐开始研究煤矿采空区地面抽放和井下瓦斯抽放。

(3)聚类#5、#6、#7主要是关于煤层气产业化、如何开发利用，以及国家下发的政策和有关碳达峰、碳中和的研究，另外还关注到了废弃矿井，这主要是我国煤炭去产能政策的推行，关闭产能落后资源枯竭的废弃矿井，但这些废弃矿井仍然蕴藏着大量煤层气资源，对其合理开发利用不仅促进煤层气产业链的发展，还有效保障了煤矿安全，贯彻新发展理念，实现碳达峰和碳中和的目标[18]。

煤层气抽采领域的热门研究议题是“晋煤集团”“山西省”“瓦斯抽采”“地面抽采”“废弃矿井”“抽采效果”“煤矿区”“气体压力”“页岩气”“利得税”“核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance，NMR用于分析煤炭组成和热解产物)”，如图5。由图5可知，聚类的序号越靠前表示聚类的规模越大，包含的文献数量越多；绝大部分聚类的结果重叠在一起，说明各个领域相互交融，相互联系，但重叠区域的大小不一。本次聚类出现的页岩气也是目前学者研究热点，页岩气属于新型非常规资源，它和煤层气在来源和储存层位不同，但在成藏条件及开发技术方面有一定共性。开发产能低，但开采寿命和生产周期较长，分布范围广、厚度大，这些特点使得页岩气资源量巨大，能够长期的以稳定的速率产气，有些甚至可开采80年。国家发改委相关负责人表示，将页岩气等非常规油气作为研究重点，加大勘探开发力度[19]。

图5 关键词聚类图Fig.5 Keywords clustering graph

2.3.3 关键词突现探测分析

关键词共线聚类突现词是在特定时间段内出现频率突然增加的词语，从图谱中可以分析出哪个关键词在何时成为研究热点，突现词的另一个特点就是具有时间延续性，可以辅助分析未来时间段的研究热点和趋势。使用CiteSpace软件中的Burstness分析关键词，对煤层气抽采领域文献进行的突现分析，可以探测到煤层气抽采领域的前沿研究问题。共检测出15个突现词，突现持续时间用加粗区段表示，见表3。早期的研究学者主要关注矿井瓦斯和开发利用，其中关键词突现强度最强的是“晋煤集团”，突现强度为7.32，持续时间为2007-2013年；其次是“渗透率”，突现强度为5.93，持续时间为2007-2022年；突现最弱的是“开发模式”，强度为2.83。对关键词突现分析能对我国煤层气领域近年来的研究热点进行必要总结，并预测未来的研究方向。

表3 2007-2022年间我国煤层气抽采领域研究文献的关键词突现Tab.3 The keyword emergence of research literatures in the field of the coalbed methane extraction in China from 2007 to 2022

(1)水力压裂是逐渐被学者研究发现的，加拿大、美国等国家开发煤层气较早，且压裂技术已经成熟[20]。任何地方都可以是水力压裂点，研究人员主要通过将大量混有化学物质的水灌入页岩层，进行液压碎裂以释放天然气。先进的科学技术使得水力压裂更易实现，不可否认的是压裂为世界能源开发开辟出了一条新路。我国煤层气压裂技术目前现场使用常规活性水压裂较多，不断向无水/少水压裂技术方面进行研究；煤层气开发压裂技术正在朝着智能化方向发展[21-22]。这项技术也具有很大的争论点，对环境带来极大的污染伤害，也可能引起小幅地震。另一个更大问题是水力压裂投入的时间、金钱和研究是否会降低对发展更洁净的可再生能源的投入，支持水力压裂的短期经济利益，也许会因全球气候变化而陷入不足。专家们正在研究怎样尽量减少水力压裂带来的伤害，目前已成为一大研究热点。

(2)煤层渗透性主要是流体在压力差作用下，通过煤层的难易程度，渗透性是通过渗透率来界定。煤层渗透率是煤层气开发利用过程的关键参数之一，是评定煤层气可采性的重要指标，也是最复杂且难以确定的参数，我国煤层气开发的制约因素之一就是低渗透率，从表3中可看出渗透率一直是研究热点，许多学者运用多层模糊综合评判法[23]，对此进行研究并构建出有关煤层渗透率的评价指标体系，具有指导现实生产的重大意义；康永尚等[24-25]研究出煤体结构、割理/裂隙发育程度和地应力强度等因素是影响煤层气渗透率的主控因素，并提出针对性措施；增大煤层的渗透率是近几年的重要研究议题，从表3中可看出渗透率自出现以来至今仍未停止突变，表明这正是当前阶段的研究前沿，在未来更是研究热点。

(3)数值模拟是煤层气开发中较为常用的科学决策工具，一方面用于研究多孔介质的渗流规律，另一方面能为工程中开采方案决策提供科学的理论依据。通过对气井气、水产量历史数据的拟合，得到客观准确的煤层气储层参数，对参数进行分析处理，为制定煤层气开发方案以及预测煤层气井的长期生产动态提供科学依据[26]。张健等[27]在研究煤粉在煤储层中流动机理时，就通过数值模拟分析不同排水策略对产量的动态影响，为煤层气开采煤粉排采研究提供可靠依据。从表3中也可看出数值模拟的突现较晚，我国煤层气的数值模拟研究起步较晚，煤层气资源的开发和利用工艺还不完善，一些国产的数值模拟软件还存在功能有限、稳定性不好等问题，没有得到推广[28]。

(4)不同的开采技术形成的采空区也不尽相同，废弃矿井的煤层气资源比较丰富，抽采废弃矿井采空区的煤层气是众多学者竞相研究的议题，我国在废弃矿井采空区的煤层气开发仍处于初步探索阶段，主要面临4方面技术难题：一是废弃矿井采空区煤层气资源赋存规律不清，资源评价困难；二是地面抽采最佳的抽采井位和抽采层位不明；三是废弃矿井采空区工程条件复杂；四是抽采过程中存在安全隐患[15]。为评估废弃矿井采空区的煤层气资源，科研人员研发了煤层气资源评估模型及方法，通过研究采空区煤层气资源赋存状况及资源量计算方法，为采空区布井选区提供科学依据[29]。

3 结论

通过客观分析我国煤层气抽采学术领域内高发行量期刊、学术领军人物、研究热点、研究趋势和研究前沿等，得出以下结论：

(1)从时间发展来看发文量大致分为2个阶段：发展阶段(2007-2016年)和减少阶段(2016-2022年)。从发文期刊来看刊载学术论文最多的依次是《煤矿安全》《中国煤层气》《中国煤炭报》。

(2)从作者共现图谱上看，晋煤集团李国富的发文量最高，晋煤集团是我国最大的煤层气抽采利用基地，学术研究占据前沿，是我国煤层气抽采领域的主要支撑力量；其次是王争、姜在炳。业内已经产生许多不同的学术研究群体，相互之间已经形成合作联系的网络。

(3)通过对关键词分析，煤层气、瓦斯抽采、晋煤集团、开发利用、渗透率、数值模拟、废弃矿井、产业发展是目前煤层气抽采领域的研究热点，已有趋势表明未来将在增大渗透率和废弃矿井开采方向深入研究，突破技术壁垒，助力优化能源结构。

(4)在接下来的研究中，加强研究学者、研究机构以及不同领域、不同院校之间的合作交流极其重要，平衡煤层气抽采研究学术领域的地区差异，使得各机构均衡发展；学者在前沿技术或热点问题的基础上，创新开拓出新的研究领域，构建多元化研究体系，创造前沿研究主题；同时结合自身特点形成煤层气抽采领域的发展模式，完善理论研究，加快技术创新，融合物联网、大数据等信息技术实现技术创新。

本文研究还存在一些不足，仅以“煤层气抽采”这一宽泛关键词进行检索会忽略一部分内容，另外引用的数据量较小。因此在接下来的工作中会细化煤层气抽采领域，并引入英文文献，使分析更加具有客观性。