基于CiteSpace的矿井通风文献综述

韩文鑫

(中国矿业大学(北京) 应急管理与安全工程学院,北京 100083)

0 引言

做好矿井通风领域的研究对保证矿下安全生产有重要意义。矿井通风能供给井下足够的新鲜空气,满足人员对氧气的需要;冲淡井下有害气体和粉尘,保证安全生产;调节井下气候,创造良好的工作环境[1]。因此,采用文献计量学软件CiteSpace,选取了来源中国知网(CNKI)数据库410篇中文期刊文献,以期通过知识图谱的形式,深入挖掘分析国内矿井通风领域文献特征、研究主题及研究热点,为该领域的深入研究与创新提供参考。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

限定发文时间为2002—2022年,来源期刊为北大核心、CSCD、EI期刊,以关键词“矿井通风”在中国知网(CNKI)数据库中检索出424篇相关文献,剔除书评、征稿启事、会议等文献,剩余410篇有效文献,将其导出为Refwork格式,以便用CiteSpace作进一步分析。

1.2 研究方法

文献计量分析工具选用CiteSpace 6.1.R3可视化软件,对检索出410篇的文献从发文量、核心学者机构与研究主题等方面进行分析。首先,根据软件要求将时间跨度设定为2002—2022年,时间切片均为1年;节点类型依次选择研究学者、研究机构及高频关键词,并调整Threshold、FrontSize、NodeSize等参数进行共现分析和可视化图谱的绘制。

2 文献特征分析

2.1 文献发表年份及发文量

年际发文量能折射出近20年矿井通风研究领域的发展情况。对410篇文献进行年度文献数量统计分析,得到该领域20年间发文量统计折线图(图1)。可见,关于该领域的研究,2002—2022年来源自CSCD、北大核心、EI的的中文文献都稳定在10篇以上,说明近20年国内对于矿井通风的研究得到了持续的重视,且在2008年、2012年、2013年达到了研究高峰,现在处于一种不断深化的研究状态。

2.2 核心作者和高产机构

对本研究领域的主要学者、研究群和所在研究机构进行统计分析。设置阈值为3篇以上,得到作者合著共现图谱,如图2所示。以“发文作者”作为节点对发表文献数量进行统计分析,发文数量最多的学者是刘剑,共14篇;其次是学者王海宁、吴新忠、张浪、陆秋琴、彭斌、黄光球等,发文数量均在5篇及以上,其余作者发文数量均少于5篇。

图1 2002—2022年矿井通风发文数量Fig.1 Number of mine ventilation-related papers published in 2002—2022

发文机构共现图谱如图3所示。2002—2022年在CSCD、北核、EI期刊上发表10篇以上矿井通风文献有14家研究机构,文献署名机构主要为高等院校,其中包括中国矿业大学、辽宁工程技术大学、中南大学、西安科技大学、山东科技大学等,其次是一些矿山研究机构,如煤科总院、矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室等,可见高等院校以及矿山相关研究机构对该领域研究比较重视并做出了较大贡献。

图2 作者合著共现图谱Fig.2 Co-occurrence graph of co-authors

图3 发文机构共现图谱Fig.3 Co-occurrence graph of affiliated institutions

根据作者与发文机构共现图谱可以看出,国内矿井通风研究主要有5个主要作者群,各作者群主要研究领域与近年代表文献见表1。可见核心作者群近年来的主要研究方向,刘剑等主要研究矿井通风阻变;王海宁等主要研究通风系统优化,吴新忠等主要研究风量调节,张浪等主要研究风速测定,黄光球等主要研究风阻解算,风门、风机对通风系统的影响等。

另外根据图谱颜色,吴新忠、周福宝等组成的中国矿业大学作者群以及刘剑、吴奉亮等组成的辽宁工程技术大学作者群近年来在矿井通风领域发文较多。而对于机构共现图谱,连线较多,也意味各机构联系比较紧密,形成了中国矿业大学、辽宁工程技术大学、中南大学等高校以及煤科院等各机构与矿业企业通力合作的研究局面。

3 研究主题分析

3.1 关键词共现图谱

将关键词按频次提炼,有助于把握该领域近年研究热点,并折射未来研究方向。对筛选的410篇论文的关键词进行综合分析,调整频次阈值为5,展现的关键词共现图谱如图4所示。共有537个关键节点,1 110条连线,网络密度为0.007 7,可以得出矿井通风研究各关键词之间具有一定的联系。

将频次出现5次以上的关键词中心性进行比较,如图5所示。剔除矿井通风、应用等无效词,可以直观地了解到网络解算、通风系统、数值模拟、优化、自然风压、等积孔、可视化、平均风速、矿山安全、故障诊断等关键词是近年来收录论文的主要研究主题。

图4 关键词共现图谱Fig.4 Co-occurrence graph of keywords

表1 主要作者群研究领域与近年代表文献

图5 关键词频次与中心性比较Fig.5 Comparison of keywords frequency and centrality

3.2 关键词聚类图谱

关键词聚类分析能反映矿井通风领域研究热点。因此接下来对关键词知识图谱进行聚类分析,剔除无效词汇,主要聚为数值模拟、优化、网络解算等类别,如图6所示,剔除无效词汇后其他聚类见表2。将关键词共现图谱与聚类图谱比较,发现#1数值模拟、#2优化、#3网络解算、#9故障诊断、#10可视化、#11平均风速、#12安全生产是7个比较重要的聚类。

3.3 关键词共现时区图谱

关键词共现时区图谱能把同时间出现的关键词在同时区内集合,以关键词首次出现的时间顺序排列,体现矿井通风研究领域的历史脉络。以#1数值模拟、#2优化、#3网络解算、#9故障诊断、#10可视化等7个重要研究主题制作共现时区图谱,如图7所示。可以看出节能研究、可视化、通风网络解算技术、漏风治理、一通三防、三维仿真于研究早期就已经出现,中期对于矿井通风系统与优化、网络优化调节技术研究、矿井降温、矿井风速测定研究较多,此后每年都相应增加了一部分新的研究热点,近几年对于矿井风阻测定及数据处理、控制技术及装备、随机森林、实时报警、实时模拟、粗糙度研究较多。

图6 关键词聚类图谱Fig.6 Cluster graph of keywords

表2 关键词聚类统计

图7 关键词共现时区图谱Fig.7 Co-occurrence time-zone graph of keywords

3.4 关键词突现图谱

关键词突现能反映年度最受关注的主题,反映研究趋势及前沿。矿井通风研究领域近20余年的关键词突现图谱如图8所示。剔除矿井无效关键词,突现图中可以看出关键词网络解算、安全工程、自然风压、数值模拟是突现强度最高的关键词,并且可以得出网络解算为突现时间较早的关键词,是早期受关注的研究主题,数值模拟是突现时间最近的关键词,也是近几年受关注的研究主题。

图8 关键词突现图谱Fig.8 Most occurrence graph of keywords

4 研究热点分析

结合关键词共现、聚类、突现图谱,可以得出网络解算、安全生产、数值模拟是矿井通风领域近20年按时间序列排列的研究热点,以下将对这3个研究热点的内容进行概述。

4.1 网络解算

有关网络解算的研究,主要是解算方法、模型、软件的研究,如2003年吴超等[17]对4个不同复杂矿井通风网络的网络边数、节点数、独立网孔数与计算精度、初始风量赋值、迭代次数、运算时间、收敛性等之间的关系进行定量研究;2003年王树刚等[18]将矿井通风网络中的空气流动作为一维可压缩流体的非定常流动,建立了矿井正常和灾变时期通风网络解算的统一数学模型;2013年何强等[19]以常用的通风网络解算方法为基础,对风量修正公式进行修正,提出嵌入热阻后新的风网解算方法。2015年钟德云等[20]分析了现有通风网络解算算法的局限性,提出了一种改进的Scott-Hinsley法。运用BFS法改进了生成树的结构,并用双通路法快速圈划回路;2015年钟阳等[21]应用面向对象的思想,开发了基于VisualC++10.0集成开发平台的矿井通风网络解算软件。2018年王天明等[22]对节点法理论进行分析和推导,给出风机的处理方法和通风网络建模方法。基于C语言进行算法实现,用不同网络模型对同一算例进行求解,并与回路法进行对比验证。

4.2 安全生产

有关安全生产的研究有以下6方面。①关于瓦斯治理的研究,如2004年程建军等[23]通过对地方煤矿瓦斯防治实践,揭示了“以风定产”是确保安全生产的关键,提出了全面贯彻落实“先抽后采、监测监控、以风定产”瓦斯治理十二字方针的做法和要求。②有关防尘、降湿的研究,如2006年张福群等[24]证明了在深井环境中应用可控循环通风技术可降尘、降湿、降低通风费用。③有关矿井通风安全评价的研究,如2006年李树刚等[25]运用了未确知测度理论建立了一套矿井通风系统安全评价指标体系。2010年史秀志等[26]应用统计学理论建立矿井通风系统Fisher判别分析(FDA)模型。2014年韩艳杰等[27]提出了新型综合集成法的矿井通风系统安全评价方法。④有关热害的研究,如2007年谭海文[28]针对金属矿山深井热害产生原因并提出相应治理措施。2010年马恒等[29]提出多点风流混合温度计算模型,从而避免热害。⑤有关矿井通风在线监测与预警系统的研究,如2007年杨运良等[30]借助VisualBasic作为开发工具,结合地理信息系统(GIS)技术,对煤矿通风信息系统进行分析和处理。2012年张平等[31]基于PLC与MCGS的矿井通风机监测系统设计。2015年谈国文[32]开发建立了通风在线监测及分析预警系统和煤与瓦斯突出综合预警系统,并建立了信息采集支撑系统,形成了矿井通风瓦斯灾害预警平台。2019年梁军等[33]矿井风网三维仿真技术研究与系统设计,矿井风网三维仿真系统能够实现矿井风流实时模拟、巷道通风情况动态显示,一旦发现通风异常情况能够提供实时报警信息。⑥有关矿井通风安全设备的研究,如2016年朱方明等[34]提出了智能防爆应急风门系统的慨念。

可见,对于矿井通风安全生产的研究主要围绕瓦斯防治、防尘研究、矿井热害、通风安全设备、安全评价、在线监测预警系统6个方面,最近有关于矿井安全生产的研究主要围绕在线监测预警系统展开。

4.3 数值模拟

有关数值模拟的研究,主要是应用如Gambit、Fluent、ANSYS、示踪气体等不同方法、软件对巷道风速、空气流场、瓦斯分布等进行了模拟,从而探索其规律、特性等。如2007年王从陆等[35]借助Gambit和Fluent模拟了矿内运输工具运动方向与风流方向一致情况下的巷道内空气流场的空间矢量分布情况;2012年王宇等[36]利用FDS软件建立了煤矿系统巷道的三维模型,得到烟气温度、能见度等参数随时间的变化规律。2013年何维维等[37]用ANSYS有限元分析软件,对多年冻土井筒围岩的温度特性进行了数值模拟。2014年段东等[38]采用Comsol和Multiphysics软件对两进风巷工作面通风以及瓦斯浓度进行了分析。2015年邬长福等[39]为研究不同因素对井巷活塞风的影响,采用基于动网格技术的标准k-ε双方程湍流模型对巷内气流组织进行数值模拟。2017年曹勇等[40]将示踪气体技术应用于特定复杂的通风网络,并对示踪气体在巷道内的移流扩散规律进行模拟计算。2020年陈宇等[41]采用FLUENT软件模拟了直角与圆角巷道的流场、不同倾角风硐的流场,给矿井风硐的设计优化提供参考。

5 结论

(1)从文献特征来看,发表在CSCD、EI、北大核心等期刊相关文章近20年均稳定10篇以上,主要研究学者有刘剑等,各学者之间联系紧密,而研究机构则形成了中国矿业大学、辽宁工程技术大学等高校和矿山研究机构如煤科总院及矿业企业通力合作的局面,说明国内矿井通风领域研究交流合作多,是国内研究重点,并得出国内矿井通风研究5个核心作者群近年研究方向为通风系统优化、风量调节、风速测定、风阻解算等。

(2)从研究主题来看,对比关键词共现与聚类图谱,可以得出#1数值模拟、#2优化、#3网络解算、#9故障诊断、#10可视化、#11平均风速、#12安全生产7个聚类是主要研究主题。从这7个聚类出发作关键词共现时区图,可以看出节能研究、可视化、通风网络解算技术、漏风治理、一通三防、三维仿真于研究早期就已经出现,中期对于矿井通风系统与优化、网络优化调节技术研究、矿井降温、矿井风速测定研究较多,此后每年都相应增加了一部分新的研究热点,近几年对于矿井风阻测定及数据处理、控制技术及装备、随机森林、实时报警、实时模拟、粗糙度研究较多。

(3)从研究热点来说,结合关键词突现图,得出网络解算、安全生产、数值模拟是矿井通风领域研究热点。对于网络解算,近年主要应用C语言,网络软件开发等来实现通风网络建模、求解等;对于安全生产,近年主要着重于应用仿真技术,开发在线监测预警系统进行异常情况的预报等;对于数值模拟,近年主要采用动网格技术、Fluent、Comsol等软件技术对矿井温度、流场进行数值模拟。可见,对于矿井通风的研究近年主要围绕计算机技术展开,通过把握矿井通风的规律特性,来促进安全生产工作。