國家自然科學基金項目的煤礦瓦斯現狀可視化分析

高璐,康向濤,高林

(貴州大學 礦業學院,貴州 貴陽 550025)

煤炭作為我國主要的能源資源,在國民生產生活中有著無可替代的作用,然而在煤炭開采過程中,安全問題成了制約煤炭企業高效發展的共性問題.許多學者借助國家自然科學基金項目對當前煤礦安全生產中瓦斯治理領域的共性問題展開了研究,并取得了一定成就.這些基金項目中包含的信息可以從側面折射出煤礦安全生產現有的瓦斯治理模式,但目前為止,國內還鮮有學者對煤礦安全生產中瓦斯領域進行系統而全面的分析.

自Google將知識圖譜應用到其搜索引擎[1],隨后國內各行業先后興起運用知識圖譜方法來分析本學科的發展動態.陳悅等[2]從設計理念、使用流程和先進技術等方面闡釋了知識圖譜的功能;陳孝慈等[3]構建了煤礦安全領域知識圖譜,為該領域智能搜索提供了技術支持;張寧,譚章祿等[4-5]對比國內煤礦領域研究的優劣性,利用知識圖譜對國內煤礦安全生產領域研究的整體狀況及發展動態進行了宏觀分析.王君玲,劉峰等[6-7]借助Cite Space V分析工具,描述了國內外煤礦的主要研究力量及研究人員的分布,進一步總結了全球范圍內煤礦安全研究現狀和研究焦點.

基于上述分析,筆者采用文獻計量法和知識圖譜法,借助知識圖譜分析工具,同時結合Excel軟件,分析我國2010年—2019年國家自然科學基金項目中以“煤礦瓦斯”為主題的基金項目.通過對基金項目主持者、基金金額、關鍵詞等方面進行分析,直觀地展現10 a來煤礦安全生產瓦斯領域的研究現狀,并探討該領域的研究熱點和發展方向,得到清晰可見的瓦斯領域發展趨勢圖.

1 數據來源和研究方法

1.1 數據來源

筆者對2010年—2019年的國家自然科學基金數據庫進行項目綜合查詢[8],得到煤礦瓦斯安全方向的基金項目主持者305位,共計主持基金349項,累計獲得資助金額為20 307.7萬元.此次數據來源為網絡公開的國家自然科學基金項目數據庫,無需人工檢查排除不符合條件的新聞、會議記錄、學術報告等數據,從而保證了此次研究數據的代表性和權威性.

1.2 研究方法

本文采用文獻計量法和知識圖譜法對基金項目主持者、基金類別和研究區域等進行對比分析.文獻計量法是利用數理統計方法處理信息之間的定量關系,從基金結題中的中文關鍵詞等外部特征出發，以定量為主的分析方法,可以合理地預測科學技術發展趨勢.知識圖譜法是可以顯示專業學術知識發展進程的一種方法,可以把作者想表達的復雜數據信息等轉化為圖標的方式,對研究對象進行可視化、直觀化分析,同時可形象地展示研究對象當前的研究熱點、研究趨勢和演化規律等之間的內在關聯.

2 煤礦安全生產瓦斯領域的可視化分析

2.1 基金項目產出分析

圖1 煤礦安全生產瓦斯領域基金項目產出

基金項目產出是衡量一個學科發展狀況和成熟程度的重要標志[9].圖1是煤礦安全生產瓦斯領域2010年—2019年的基金項目產出圖.

根據圖1中的變化趨勢,可將煤礦安全生產瓦斯領域中的研究劃分為3個階段:Ⅰ波動發展階段(2010年—2013年)、Ⅱ回落發展階段(2014年—2015年)、Ⅲ回升發展階段(2016年—2019年).Ⅰ波動發展階段,基金項目數量和基金資助金額波動起伏較大,但整體呈現出上升趨勢,正好符合當時國家支持煤炭高效發展的實際情況,此階段基金項目數量共計131項,占項目總數的37.54%,累計資助金額為6 960.5萬元,占10 a內資助總金額的34.28%.Ⅱ回落發展階段,每年的基金項目數量基本維持在34項,但資助金額有所下降,且呈現出迂回下降的趨勢,其原因可能是煤炭行業轉入低迷期,同時受到當時國家政策以及行業發展趨勢的影響,此階段基金項目數量共計68項,占項目總數的19.48%,累計資助金額為4 933萬元,占10 a內資助總金額的24.29%.Ⅲ回升發展階段,該領域經過一段低速發展后,基金項目和資助金額皆有所提高,該階段持續時間長,表明煤礦安全尤其是瓦斯安全領域的研究在不斷增長,此階段基金項目數量共計150項,占項目總數的42.98%,累計資助金額為8 414.2萬元,占10 a內資助總金額的41.43%.

2.2 基金項目類別分析

據統計,本次研究涉及煤礦瓦斯領域自然科學基金資助類別的有面上項目、青年科學基金項目、聯合基金項目等,共計11種資助類別,所有這些資助類別各有側重,相互補充,共同構成當前瓦斯領域的自然科學基金資助體系.將這些基金項目資助類別進行統計，如表1所示.

表1 瓦斯安全領域資助類別

由表1可知：在煤礦瓦斯安全領域,面上項目在眾多項目中占比最大,研究項目為167項,占本次研究項目總數的47.85%,累計資助金額為10 705萬元,占資助總金額的52.71%.這是因為面上項目是自然科學基金最基本的資助項目類別,可重復申請,申請者相對較多,同時也與從事瓦斯安全研究的科學技術人員開展更多的創新性研究有關.青年科學基金項目在本次研究當中同樣占有很大比例,研究項目為151項,占本次研究項目總數的43.26%,累計資助金額為3 540萬元,占資助總金額的17.43%.青年學者是該領域研究人員的重要組成部分,給予青年學者大量基金項目的支持,有利于激勵從事瓦斯行業的青年科學技術人員的創新和提高其科研能力.

此次重點項目雖然只有7項,但累計資助金額高達2 170萬元,占總資助金額的10.69%,平均每項資助金額310萬元.這表明國家在該領域一貫支持從事基礎研究的科學技術人員,便于學科生長點深入開展,推動該領域取得突破性的發展.國家重大科研儀器研制項目僅有4項,但累計資助金額高達2 097.20萬元,占總資助金額的10.33%,平均每項資助金額524.3萬元.這表明我國在煤礦安全領域支持國家重大科研儀器的研制,以提升我國在該行業的原始創新能力.與此同時,該領域在國際(地區)合作與交流項目、數學天元基金、海外及港澳學者合作研究基金等均有涉足,說明該領域開始利用國際科技資源,開展實質性國際(地區)合作研究與學術交流,提高我國煤礦瓦斯研究水平和國際交流能力.煤礦瓦斯安全領域在實施源頭創新戰略的同時加強校企合作與海內外交流合作,可以穩定推動該領域長遠發展.

2.3 基金項目機構分析

分析基金項目機構可以使煤礦安全生產瓦斯領域內的主要科研力量及其之間的合作化關系變得清晰可見,從而方便本行業各機構之間的交流合作[10].將煤礦安全生產瓦斯領域申請基金項目排名前十的機構整理,如表2所示.

分析表2可知:中國礦業大學、河南理工大學、西安科技大學是這領域具有代表性的機構,資助資金均超過1 500萬元,且這3所高校共獲得資助資金8 972萬元,占該領域所有資助資金的44.19%.其次,遼寧工程技術大學、重慶大學、中國礦業大學(北京)這3所高校的資助資金都超過1 000萬元,共獲得資助資金3 815萬元,占總資助資金的18.80%.這表明上述6所高校是研究該領域的中堅力量.排名前十的機構累計申請項目為233項,占此次研究項目總數的66.76%,累計獲得資助資金為14 208.5萬元,占總資助資金的69.97%.而山東科技大學和華北科技學院,累計資助資金均不超過300萬元,表明國內機構對該領域的研究具有不平衡性.但不可否認,這些機構在一定程度上促進并引領了該領域在國內的研究和發展.

表2 申請基金項目排名前十的機構

2.4 基金項目研究區域分析

研究項目涉及的區域可反映煤礦安全生產瓦斯領域內主要科研力量的分布,得出瓦斯領域內具有領先地位的區域,方便本行業各區域之間的交流合作[11].基金項目關鍵詞涉及的區域分析如表3所示.

表3 基金項目關鍵詞涉及的區域分析

由表3可知:煤礦瓦斯領域的研究主要集中在山西、貴州、河南、內蒙古、陜西、四川、重慶等地,尤其以山西、貴州和河南為代表,對瓦斯領域的研究更為廣泛且研究成果更為突出.其主要原因是山西省具有豐富的煤炭資源,煤層地質構造復雜,部分地區有巖漿侵入和火山噴發,造成山高坡陡,溝壑縱橫,地形切割強烈,而地質行為所產生的災害往往不是孤立的,常在礦區的某一時段形成災害群,且部分煤層中有中磷煤和高磷煤存在,其瓦斯含量較高,瓦斯涌出量大,導致時有瓦斯爆炸事故發生[12].貴州作為我國南方煤炭資源最豐富的省份,含煤面積占全省總面積的 40%以上,但由于地質構造復雜,褶曲、斷層發育,造成貴州煤層賦存環境復雜,大多數煤層為薄及中厚的近距離煤層群,瓦斯含量大,且煤層頂底板多屬泥質粉砂巖、泥巖等,軟性巖類,煤層透氣性低,瓦斯抽采難度大、效果差[13].因此,該區域突出礦井和高瓦斯礦井占全省礦井總數的70%左右,瓦斯災害異常嚴重.河南省位于中國華北石炭二疊系巖溶-裂隙水水害區,構造上處于穩定區與活動帶之間的過渡區域,且隨著礦山采空區增大,受當時技術條件的限制,絕大部分老空區都是沿煤露頭淺層開采且多以巷柱式開采.大多數礦井沒有井巷工程的測繪資料或資料不全,瓦斯積聚情況未知,使得井下作業生產條件越來越復雜,采礦難度越來越大,經常出現掘進和回采過程中瓦斯超限、積聚的現象,為瓦斯爆炸創造了必要條件[14],瓦斯抽采勢在必行.因此,礦井瓦斯的研究與發展呈現地域不均衡性,導致煤礦安全生產瓦斯領域的研究地區分散.

2.5 基金項目主持者與資助金額分析

分析煤礦瓦斯領域的基金項目主持者,可以了解該領域的帶頭人,再研究這些主持者的基礎成果,得到具有代表性的實用數據[15].同時,他們主持基金項目的數量在一定程度上可代表主持者在該領域研究的深度、廣度以及影響力,因此統計基金主持者科研項目有助于分析本領域發展前景[16].現將國內煤礦瓦斯領域主持基金項目大于等于2項的基金主持者統計如表4所示.

表4 國內煤礦瓦斯領域主持基金項目大于等于2項的基金主持者

基金項目主持者資助金額所占比例=個人累計資助金額/基金金額總數.

近10 a期間,部分基金主持者已經成為我國煤礦瓦斯安全領域研究的核心力量.如程遠平、尹光志、許江和魏建平等致力于瓦斯滲流的研究,得出了含瓦斯煤蠕變滲流在應力-應變過程中存在階段性變化,且隨著溫度升高呈現總體減小的趨勢[17],同時利用含瓦斯煤巖的孔隙率和滲透率的動態模型,建立能描述含瓦斯煤巖固氣耦合情況下的骨架可變形性和氣體可壓縮性的固氣耦合模型[18];李樹剛、尹光志、吳強和周福寶等致力于瓦斯抽采的研究,通過聯立煤層瓦斯抽采中氣體擴散-滲流、煤-氧反應以及熱量傳輸方程,定量描述了抽采過程中場流演化,建立了抽采安全度的計算模型[19],并利用鉆孔封孔漏氣檢測裝置,測定判斷了相應測點控制區域的漏氣情況[20],之后又建立了考慮推進速度影響的采動裂隙橢拋帶數學表達方程[21],同時得出適用于含瓦斯煤巖的有效應力計算公式,成功構建了瓦斯抽采流量的負指數表達式;程遠平、盧義玉、張保勇和郭德勇等致力于煤與瓦斯突出領域的研究,一致認為突出機理的趨勢是由單因素向多因素發展[22],并認為地應力是煤體破壞的主要動力[23],進一步成功構建了煤與瓦斯突出預警技術體系[24].目前智能礦山建設已經應用到煤炭生產中,但涉及煤礦瓦斯方面,在統計的國家自然科學基金項目中還鮮有學者對此進行立項研究,可見,國內礦山智能化需加強全面建設.

此外,袁亮院士于2015年—2019年主持的《用于揭示煤與瓦斯突出機理與規律的模擬試驗儀器》項目獲得的資助資金最高,為925萬元,創新性地采用全過程相似物理模擬試驗,實現了世界首例大尺度模型在加載充氣保壓條件下巷道掘進揭煤誘發煤與瓦斯突出試驗模擬,為準確揭示突出機理奠定了基礎[25].這在一定程度上折射出煤與瓦斯突出一直困擾著國內外煤礦安全生產,對煤與瓦斯突出機理和防治的研究將越來越受到該領域學者的關注.

3 基金項目研究熱點

中文關鍵詞是對基金項目研究內容最直接的體現,是文獻計量研究中最重要的一環[26].對煤礦安全生產瓦斯領域中基金項目的中文關鍵詞進行研究,可進一步把握該領域的研究熱點和發展方向.結合表3可知,國內煤礦安全生產瓦斯領域中關鍵詞出現頻次超過20次的有5個,這些關鍵詞所反映的都是煤礦安全生產瓦斯領域中的研究熱點,根據這些關鍵詞將該領域的研究熱點分為3個方面:

1)瓦斯動力災害及瓦斯災害.中文關鍵詞中的“煤與瓦斯突出”“瓦斯爆炸”等都是國內煤礦安全生產中易發生的瓦斯災害.在礦山壓力作用下,破碎的煤與瓦斯由煤體內向采掘空間大量噴出,突出煤流可充塞巷道,摧毀巷道設施,破壞通風系統.高濃度瓦斯甚至可造成人員窒息死亡,具有極大的破壞性.而瓦斯爆炸產生的高溫高壓,使爆源附近的氣體以極大的速度向外沖擊,也可以破壞巷道和器材設施,同時可造成人員傷亡.因此在煤礦安全生產中加強瓦斯動力災害及瓦斯災害研究勢在必行.

2)瓦斯治理.瓦斯治理離不開高效的瓦斯抽采技術.對煤層中的瓦斯進行抽采,不僅可以降低開采過程中煤層中的瓦斯涌出量,有效預防瓦斯積聚,減少煤礦瓦斯爆炸和煤與瓦斯突出事故的發生,而且抽采提純過后的瓦斯還可用作民用燃料、工業燃料、發電燃料等燃料,造福社會.

3)瓦斯特征.關鍵詞中出現的“瓦斯滲流”“瓦斯壓力”,都是圍繞瓦斯自身特征為主題進行的分析研究,瓦斯壓力是煤層孔隙內氣體分子自由熱運動撞擊所產生的作用力,是決定煤層瓦斯動力學特征的基本參數.而瓦斯滲流是瓦斯在多孔介質內的流動,與煤層瓦斯的突出、涌出等均有關聯.系統研究煤層的滲透性能,是防止煤礦自然災害的基礎.

4 研究趨勢分析

研究趨勢反映某一研究領域的發展動態[27].通過對瓦斯領域基金項目的產出、機構及關鍵詞進行分析,可明確該領域的研究趨勢,隨著社會的飛速發展,對煤炭的需求量也不斷增加,而煤礦瓦斯事故是制約煤炭工業安全發展和影響各地區安全穩定的突出問題,因此,各地區、企業與高校緊密合作是未來研究煤礦瓦斯治理的主流趨勢.煤礦在進行瓦斯治理時,不僅要依靠現有的技術基礎,還應結合煤礦實際情況采取針對性措施,將新工藝、新模式、機械化、智能化有效應用到煤礦瓦斯治理的實踐中,以此來加快煤礦瓦斯安全領域智能化建設,從而提高煤礦開采的安全性,促進中國煤礦行業快速穩定發展.

5 結論

1)我國煤礦安全生產瓦斯領域2010年—2019年的基金項目產出整體呈現出上升趨勢,基金項目數量共計349項,累計資助金額為20 307.7萬元,其中面上項目在眾多項目中占比最大,為167項,占本次研究項目總數的47.85%.

2)國內煤礦安全生產瓦斯領域研究廣泛,熱點主要集中于瓦斯動力災害及瓦斯災害研究、瓦斯治理研究和瓦斯特征研究,同時以源頭創新為戰略,推動該領域校企合作與海內外交流.

3)國內煤礦瓦斯安全領域的研究于2010年之前已開始發展,研究力量主要集中于河南理工大學、中國礦業大學和西安科技大學等國內高校.經過近10 a的研究,國內的瓦斯治理工作已取得了階段性的成果,并進一步向智能化開采和精準開采發展.