基于CiteSpace 的中国煤矿地质保障知识图谱可视化分析

陈宝辉 ，李 旭 ，王甜甜 ，黄 丹

（1.中煤科工西安研究院（集团）有限公司，陕西 西安 710054；2.黄河水利职业技术学院 水利工程学院，河南 开封 475000）

煤炭地质保障在煤炭工业安全、绿色、健康发展过程中占据基础地位，贯穿了煤炭工业的全生命周期。但随着煤炭开采不断向纵深发展，矿井地质条件越发复杂，地质构造探测手段相对单一，井下开采危险系数增大，各类地质灾害频发，已经严重威胁到煤炭安全高效生产[1-3]。随着煤矿智能化浪潮不断推进，计算机、5G、大数据、人工智能、边缘计算等新技术计入煤矿领域[4-5]，煤矿开采系统的机械化、自动化、智能化转型进一步落实，开采系统控制精度甚至提升至厘米级；作为煤炭智能开采基础的地质保障系统，地质条件的控制精度往往无法达到米级，已经严重制约了煤矿智能化的进一步发展[6-8]。因此，如何进一步提升地质条件综合探查精度，并和开采系统匹配与打通，是煤矿地质保障面临的更为严峻的转型压力。近年来，国内的众多专家学者都对煤炭地质保障开展了多方面的研究[9-11]。煤矿智能化开采地质保障的系统架构方面，王国法等[12]、彭苏萍[13]、董书宁等[14]分别在对煤矿地质保障发展历程和理论研究现状梳理的基础上，提出了相应的煤矿智能化地质保障系统架构，并指出了面向煤矿智能化开采的透明地质是未来的主要发展方向；煤矿智能化开采地质保障技术体系方面，袁亮等[15]、程建远等[16]分别综合目前煤炭地质探查新技术新装备，结合大数据、人工智能等新方法，形成了煤矿智能化开采地质保障技术体系；煤矿智能化开采地质保障的新技术新装备的研发与应用方面，石智军等[17]、王保利等[18]、范涛等[19]重视随掘随采地震、瞬变电磁等技术理论研究，另有部分学者从单个矿井的地质现实问题出发，着重研究面向地质保障的探查技术。

综上所述，目前对我国煤矿地质保障的研究仅限于探查技术体系方面以及对未来发展方向的展望，因此，采用文献计量理论，基于CiteSpace知识图谱对我国煤矿地质保障相关文献进行可视化分析，从而更加深入了解当前地质保障研究领域的发展现状，进一步剖析煤矿地质保障领域的前沿热点以及演化趋势。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究方法

从定量和定性2 方面对我国煤矿地质保障领域的发展进行分析，主要关注历年文献发表的数量、研究作者群体、研究机构和关键词聚类演进，多方面全方位探讨我国煤矿地质保障领域研究的演化动态。在文献发表数量方面，通过统计分析历年的发文量，分析掌握地质保障研究领域的研究发文趋势，并划分文章发展阶段；在知识图谱可视化分析方面，基于文章的发文作者及机构，利用CiteSpace 生成可视化知识图谱，分析煤矿地质保障领域作者、机构的发文以及合作信息，突出该领域核心发文作者以及研究机构的贡献特征，展示科研技术合作群体分布规模；并结合文章的关键词信息，绘制关键词网络共现聚类知识图谱，可视化分析煤矿地质保障领域演化的驱动力和研究热点[20-21]。

1.2 数据来源

为了研究国内煤矿地质保障领域的研究热点和发展方向，基于CNKI 数据库发表的地质保障相关学术论文，以“地质保障”和“透明地质”为检索主题，剔除结果中与煤矿地质保障研究领域主题不相关的作者和机构信息不全的文献，最终整理出1997—2022 年发表的相关论文416 篇；将文献结果导出为REFWORKS 格式，按照论文的作者、研究机构和关键词进行知识图谱可视化分析，以此厘定煤矿地质保障领域的研究热点，把握地质保障研究的发展趋势。

2 知识图谱建模分析

2.1 发文量分析

论文的发文量代表了领域内相关技术理论的最新成果的产出量和研究热度，统计了自1997 年以来地质保障领域发文量以及引用量，按照发文量的变化形势分析煤矿地质保障领域的研究热度和发展阶段。煤矿地质保障领域发文量趋势分析如图1。

图1 煤矿地质保障领域发文量趋势分析Fig.1 Trend analysis of publication quantity in the field of coal mine geological support

由图1 可知：关于煤矿地质保障领域的研究分为3 个阶段：①1997—2013 年是地质保障领域的发展阶段：该阶段发文数量逐步增长到20 篇以上，在该阶段，面对国家工业化发展对能源的需求，全国煤矿行业纷纷响应，掀起了高产高效矿井建设的热潮，为了解除煤矿地质条件探查不清对矿井安全生产的限制，煤矿地质保障也从以往的矿产资源勘查转向了矿井地质条件超前探查技术理论和方法的研究[22-23]，在国家政策和煤矿安全生产的双重需求下，相关学者和研究机构对煤矿地质条件探查关注热度不断上升；②2014—2018 年是地质保障领域的平稳阶段：发文量均在20 篇附近，该阶段地质保障相关技术发展进入平缓期，在该阶段，以煤矿物探、钻探以及化探等多种煤矿地质条件探查理论与方法基本成形，但煤矿生产的同时，也对原有的地质条件进行了扰动，这就不仅需要了解地质现状，还面临着煤矿隐蔽致灾因素的探查与治理，因此，各类煤矿地质隐蔽致灾因素探查和预测理论与方法进入了研究热点[24-25]；③2019—2022 年是地质保障领域的爆发阶段：该阶段国内地质保障领域发文量最多，数量增加至近50 篇，随着国家加快煤矿智能化发展的相关政策颁布实施，煤炭地质保障进入了服务于煤炭智能开采新阶段，其中重点实现煤炭地质条件的精准探测、智能在线监测和煤矿地质透明化等相关技术[26-27]。

2.2 研究作者及机构分析

基于国内地质保障领域的发文作者统计数据，利用CiteSpace 软件绘制出发文作者知识图谱，时间跨度选择1997—2022 年，切片时间为1 年，选择发文量为前50 名的作者，可以筛选出该领域近25 年以来发文量最高的前50 位作者；作者名称的大小代表发文量的多少，合作发文作者之间通过线性连接联系，发文作者节点连线越多，代表该作者在煤矿地质保障领域的中心度越高，业内合作越紧密。煤矿地质保障领域发文作者分布图谱如图2。

图2 煤矿地质保障领域发文作者分布图谱Fig.2 Distribution map of authors in the field of coal mine geological support

由图2 可知：作者之间的节点连接数为641 个，总共连接线为1 398 条，网络连接密度为0.006 8，可以推断出作者之间的合作论文较多，领域内合作联系密切；按照作者的发文量来看，程建远是发文最多的作者，达到13 篇，其次是袁亮，参与11 篇。领域内学者之间相互合作，图谱中可以明显看出形成了多个作者子网结构，最为明显的是以程建远为核心的网络结构，其主要研究煤矿地质条件以及隐蔽致灾因子的综合探查理论与方法以及智能地质保障的透明化构建技术，提出了矿井地质三维地震资料综合动态解译、透-反射槽波联合解译技术、多元地质信息集成分析方法等关键技术；并依据煤矿生产过程中的相关探测信息，提出了煤矿地质保障透明工作面地质模型的梯级构建方法及其关键技术，阐述煤矿地质透明化的应用场景、实现路径以及关键技术[6,16]。袁亮主要研究煤矿安全理论及工程实践，提出了卸压开采瓦斯抽采、无煤柱煤与瓦斯共采理论与技术体系，成功地解决了复杂地质条件低透气性高瓦斯煤层群安全开采技术难题；并通过梳理煤炭地质保障技术的发展现状，分析目前的行业痛点，基于静态与动态地质模型的全流程构建、展示、交互等多个角度，提出了面向煤矿安全精准开采全过程的地质透明化思路方法[9,15]。

综上可以看出，我国煤矿地质保障领域的作者核心网络已经有了一定规模，作者之间的合作相对紧密，通过合作攻关推动了地质保障相关技术的发展和进步，提高了该领域的发文量。

通过CiteSpace 中的节点类型对机构（Institution）进行分析，时间跨度和时间切片不变，得到的煤矿地质保障领域发文机构分布图谱如图3。其中，机构名称字号大小代表该机构发文量的多少，机构之间的合作利用线性连接，节点连接越紧密，代表机构之间合作关系越密切。

图3 煤矿地质保障领域发文机构分布图谱Fig.3 Distribution map of institutions in the field of coal mine geological support

由图3 可知：①中煤科工集团西安研究院有限公司、西安科技大学地质与环境学院、中国煤炭地质总局、煤炭科学研究总院是发文量排在前4 位的研究机构，说明这4 所机构在我国煤矿地质保障研究上学术科研能力较强，中煤科工西安研究院有限公司作为煤炭地质保障领域的科研院所之一，在煤田地质与勘探、矿井防治水技术与装备、钻探设备与工艺技术以及物探设备与工艺技术等多方面进行了长达半个世纪的持续研究，为我国煤矿地质保障领域发展做出了巨大贡献[28-31]；②西安科技大学地质与环境学院在矿山地质灾害防治方面、中国煤炭地质总局在地质资源勘查方面都有着深入的研究；③机构之间的节点连接数为334 个，总共连接线为238 条，网络连接密度为0.004 9，由此可知：各研究机构之间的合作论文较少，领域内合作联系不够密切，不利于煤矿地质保障领域研究更好发展。

3 研究热点与趋势分析

3.1 研究热点分析

为了进一步挖掘煤矿地质保障领域的研究热点，反映出该领域的研究重点及方向，需要深入理解和分析该领域的研究内容。为此基于论文内容的关键词，采用聚类分析法对煤矿安全风险的研究热点进行分析，以此探索我国煤矿地质保障研究热点的主题。通过CiteSpace 中的节点类型对关键词（Keyword）进行分析，时间跨度和时间切片不变，得到的关键词聚类知识图谱如图4。

图4 关键词聚类知识图谱Fig.4 Clustering knowledge graph of keywords

由图4 可知：模块值Q=0.868 9，说明聚类效果显著；平均轮廓值S=0.947 6，说明聚类结果具有合理性。将Show Clusters by IDs 设为“0～8”，选取地质保障领域中前9个关键词主题，从而揭示出我国煤矿地质保障领域的研究热点主题分别为：地质保障、地质勘探、地质灾害、地质勘察、煤炭地质、绿色勘查和矿井物探，说明这9 个研究方向是地质保障领域研究以来的重点内容。地质保障作为煤矿地质生产的出发点，也是领域内关键词最为关注的研究热点，说明地质保障一直以来是煤矿地质领域的核心研究方向；此外地质勘探、地质勘察、矿井物探等热点关键词是实现煤炭地质保障的相关关键勘探技术方法和手段研究，发展和完善了地质保障相关技术理论和体系。

3.2 演进趋势分析

为了进一步了解煤矿地质保障领域的发展趋势，利用CiteSpace 生成地质保障领域关键词演进趋势知识图谱，通过关键词时间线聚类知识图谱对关键词首次出现的时间、关键词热点突现以及热点主题的演进进行可视化，以此反映出煤矿地质保障领域研究热点的发展演化趋势。

通过CiteSpace 中的节点类型对关键词（Keyword）进行分析，时间跨度和时间切片不变，对1997—2022 年内煤矿地质保障领域相关文献进行关键词演进分析，关键词突显分布情况见表1。

表1 关键词突显分布情况Table 1 Prominent distribution of keywords

将地质保障领域中的关键词分为7 大主题，并对近25 年来国内煤矿地质保障领域每个主题中的关键词突现出的热点主题进行演进趋势分析可得：截至2022 年底节点大的主题关键词有地质工作、地质调查、地质保障、安全保障、地质构造、智能开采和透明地质，并且是我国最近几年在该领域的演进趋势。

在煤炭生产过程中，矿井地质工作、地质调查、地质构造以及安全保障等一直是地质保障的研究焦点，在煤矿重（特）大事故中，与地质条件有关的占事故总数的90%[32]。自新中国成立以来，我国煤炭地质保障技术取得了长足的进步，尤其是《煤矿地质工作规定》颁布实施以来，各地各煤矿企业认真开展地质隐蔽致灾因素勘探治理工作，煤矿安全地质安全形势趋向好转，全国百万吨死亡率明显下降，地质保障工作取得了积极成效[2]。

但随着煤炭开采向着纵深发展，地质条件愈发复杂，由各类隐地质蔽致灾因素导致的复合灾害愈发频繁；与此同时，随着煤矿绿色安全高效智能化开采进程不断推进，也对作为煤矿资源安全高效智能绿色智能开采的基础和前提的地质保障技术提出了更高的技术要求[33]。因此，以透明矿井技术理论为核心的煤矿智能化开采地质保障体系基础建设，坚持物探、钻探相结合，利用多种探查理论与方法，按照矿井灾害特点，一矿一策明确矿井地质保障重点；针对影响矿井生产的构造、瓦斯突出、水害、围岩变形、火灾、冲击地压等隐蔽致灾因素相应的进行全面超前治理以及监测预警；强化地质保障系统的流程化、规范化保障措施，协助监察部门把关落实矿井地质致灾因素普查工作，从而服务于煤炭智能开采。目前的地质保障主要是为了服务于煤矿智能化开采，而透明矿井技术是煤炭智能开采地质保障的前提条件之一，因此，地质保障、智能开采和透明地质成为了近年的热点主题和未来的研究趋势。

将国内地质保障领域文献的关键词，按照关键词时间线聚类知识图谱中首次出现的时间绘制突现知识图谱，中文关键词突现知识图谱如图5。

图5 中文关键词突现知识图谱Fig.5 Emergent knowledge map of keywords

由图5 可知：在1997 年首次出现了地质勘察、工作面以及勘察等关键词，说明当时地质保障领域主要以煤矿资源勘查为核心，也是领域内学者和机构研究的热点；地质保障领域在2002 年之后迎来大的爆发增长，其中智能开采作为关键词2002 年前后开始成为热点之后，在2010—2015 年迎来1 次关注，为了满足煤矿智能化开采的需求，需要对矿井的相关隐蔽致灾因素进行探查，以降低智能化开采安全风险，因此，为了提升对各类隐蔽致灾因素的探查精度，各种煤矿地质信息探测方法和技术不断更新迭代发展，其中定向钻孔综合探测、孔中物探以及各类实时在线监测技术成为了研究的热点；自2019 年以后，受井下环境限制，工作面地质探测预报精度与智能开采的要求存在差距，地质条件探测精度不足、缺乏合适的地质信息表达平台阻碍了无人化乃至智能化开采技术的推广。

综上所述，为了确保煤炭智能化安全高效开采，地质信息透明化变得十分迫切；矿井地质信息透明化，包括但不限于综合利用包括地面、井下、孔中等探测手段以及采掘地质信息，查明影响开采的构造条件、煤层变化及其他地质异常体，构建工作面三维可视化地质模型，精细描述工作面；同时，也要求透明地质与智能采煤机形成信息与数据联动，形成动态数字化地质环境，提高智能装备与地质条件交互作用时的安全与效率，实现真正的智能开采。煤矿地质保障和智能开采之间的关系进一步加深，提出了面向煤矿智能化开采的地质保障新要求，使煤矿地质保障领域更加深化发展[2,33-36]。

未来煤矿地质保障将紧紧围绕煤矿智能化开采，完成以下几个方向的技术研究和应用：①进一步研发和应用定向智能钻探、智能长孔长探、随采（随掘）智能探测与监测等技术装备，综合研究各类探测数据解释方法，提升数据质量和精度；②基于“数据驱动”“数字采矿”的理念，研究地质数据推演、地质数据多元复用、地质数据智能更新等方法，研究地质与工程数据高精度融合模型以及模型实时更新技术，实现矿井地质信息的透明化；③研发标准化、专业化、平台化的智能开采煤矿地质保障平台，通过标准化保障业务数据的流程化和溯源化，通过专业化保证业务工作专而精，提升系统平台的实用性；通过平台化多业务集成保证业务覆盖面大而全，从而实现地质保障系统的场景化综合服务。

4 结 语

1）我国煤矿地质保障领域的作者核心网络初具规模，作者之间的合作相对紧密，通过合作攻关推动了地质保障相关技术的发展和进步。研究机构主要以科研院所和相关高校为主，但是机构之间的合作联系不够密切，研究结果有一定的片面性，需要进一步加强相关机构的合作交流。

2）我国煤矿地质保障领域热点相对较为集中，其中主要包括: 地质保障、地质勘探、地质灾害、地质勘察、煤炭地质、绿色勘查和矿井物探。

3）煤矿数字化、信息化的改革推动了煤矿智能化的进程，提高了煤矿相关地质信息的采集传输能力，为煤矿地质保障领域的智能化提供了良好的通信基础支撑。

4）地质保障、安全保障、地质构造、 智能开采和透明地质等是我国地质保障领域内近年来广受关注的热点和前沿，煤矿地质保障领域将结合地质大数据等信息技术，呈现数字化、智能化发展趋势；而且单独的煤矿地质问题研究已经不能满足煤矿智能化发展的需求，也难以解释多属性物理场耦合引发的各种地质问题，未来基于透明矿井技术的地质保障是面向智能开采的基础前提。