基于CiteSpace,的矿用凝胶研究趋势分析
时间：2023-04-25 09:40:05 来源：千叶帆 本文已影响人
谢 军，卞兆庆，解恒星，王 怡，王法铨
（1.山东科技大学 安全与环境工程学院，山东 青岛 266590；
2.贵州金沙龙凤煤业有限公司，贵州 毕节 551700）
煤炭自燃事故频发，严重威胁着煤炭资源的开发[1-2]。事故数据显示，煤炭自然发火极易引起矿井火灾事故，消耗大量煤炭资源，对煤矿的生产安全和个人的生命安全也造成威胁[3-4]。因此，矿井防灭火工作的研究意义重大，煤炭自然发火的防治快速发展，最大程度地降低了煤火灾害的发生。
矿用凝胶是防治煤炭自然发火的关键技术，其材料研发种类也越来越多，其中应用最为广泛的是无机硅酸盐类凝胶[5]。最早水凝胶以水玻璃为基料，与铵盐等促凝剂反应固化，形成的胶体含有水分吸热降温并能充填封堵煤孔裂隙，在采空区取得极好的防灭火效果；
随后，隋涛[6]向硅类胶体复合粉煤灰研制出高水、高性能的新型粉煤灰胶体，提高了胶体阻化降温性能。虽然矿用凝胶研究愈加深入，但针对煤自燃及防治技术的归纳却以传统的文献综述形式为主[7]，受限于形式局限性使相关文章内容较为笼统，不能全面直观地展现彼此间的逻辑。
因此，借助科学文献计量软件CiteSpace，对过去近20 年的矿用凝胶领域的文献进行可视化分析；
对文献的来源期刊、作者机构及其合作关系、关键词热点及突显时间等要素以图谱形式展现出来[8]；
清晰地梳理该领域的研究现状，以及不同时期阶段性前沿方向的演变脉络；
并探究矿用凝胶领域未来能够有所突破、有所创新的发展趋势。
1）数据来源。为确保全面准确地分析国内矿用凝胶领域的发展，文献取自于CNKI 中文数据库。以高级检索的方式设定时间范围为2000—2022 年，以“防灭火”、“矿用凝胶”为检索主题，剔除会议、资讯等相关性低的文章后，得到防灭火凝胶领域相关文献共614 篇。
2）研究方法与工具。选用经典可视化研究工具CiteSpace，将检索文献以“Refworks”格式导入软件设定参数，即可用于作者、机构的合作网络分析，以明确该领域的研究基础；
通过关键词的共现网络分析，获得不同区段的研究成果和未来的研究趋势。以图谱的形式将国内矿用凝胶文献的作者合作、关键词聚类、时区分布等要素直观地展现出来[9]。CiteSpace 可以利用时间切片技术建立一系列随时间变化的网络模型，并将这些单独的网络综合起来，形成1 个综述网络，以便系统地回顾相关文献[8]。
2.1 发文趋势分析
文章的发文数量反映着社会与学者的关注程度[9]。对检索出的614 篇矿用凝胶领域文献进行可视化统计，矿用凝胶发文量年度变化如图1。图中点线反应年发文量变化，虚线表示发文量随年份的函数式，R2=0.696 反映出2000—2021 年矿用凝胶领域发表文献数量平稳。在近20 年来，随着科技进步与研发投入的加大，使得我国防灭火技术有了稳步发展。
图1 矿用凝胶发文量年度变化Fig.1 Annual change in the number of mine-use gel articles issued
21 世纪以来，国家加大对煤炭行业发展监管，组建安全生产监督管理局，煤炭产业得到了快速发展[10]，相关防灭火文章在2005 年达到该时期内的峰值。历经此次发文量的顶点后，迎来了煤矿产业10余年的稳步发展，使得矿用凝胶的相关文章发表处于1 个稳定上升的阶段，展现出矿用凝胶研究稳中求进、欣欣向荣的势头，也表现出矿井遗煤自燃问题的严峻性与研究矿井防灭火凝胶的必要性。
2.2 发文作者及机构合作网络分析
学者及研究机构在某一领域的合作网络以及发文情况可以展现其活跃程度，通过合作网络分析可以很清楚地找到该领域学术影响力较高的作者及机构[9]。在Citespace 的节点类型上设定“Author”与“Insitution”，设定默认参数，得到的合作网络图谱如图2。图中节点大小直接反映作者或研究机构的发文数量；
节点间的连线表示各作者的合作关系，其连线的粗细表示合作频次的高低。
图2 矿用凝胶领域主要研究作者及机构合作网络图Fig.2 Collaboration network of major research authors and institutions in the field of mine-used gel
图谱分析节点（nodes）＝241，连线（links）＝237，密度（density）＝0.015 9，数据反映出来，在绝大多数的作者中存在合作关系。在合作网络图中，高中介中心度的节点通常代表该图谱中的“关键枢纽”[8-9]。在矿用凝胶的研究领域，中国矿业大学以0.1 的中介中心度位列首位，西安科技大学、太原理工大学位居2、3 位，说明几所高校在矿用凝胶的研究领域影响较大，错综的连线表示与众多企业、高校有所合作。
结合图谱中各机构的合作分析发现，众多高校与煤矿企业之间的合作广泛而密切，说明矿用凝胶领域的研究已达到一定的成熟程度，各大高校都能与煤矿建立防灭火凝胶成果的转化应用，通过性能研究之后将凝胶应用于煤矿企业的煤自燃防治。另外一些作者、高校的出版物数量较少，但它们也存有大量的合作伙伴。
高被引文献代表着该研究领域较高的学术价值，可以很好地帮助快速了解该领域的核心内容及主流的研究趋势[10]。对所检索文献进行梳理分析，得出矿用凝胶领域被引量居前位的文献。
梁运涛等[3]、秦波涛等[7]系统总结了国内外煤自燃防治技术的进展与应用现状；
对各类防灭火技术的应用特点进行分析比较，如注浆、阻化剂、均压通风等防灭火技术；
探讨了防灭火技术发展趋势，致力于提高煤自燃预测预警，系统地实现煤自燃过程的动态分析；
针对性地研究新型防灭火材料，提高复杂环境采空区的防灭火效果；
较大程度上，对国内煤自燃防治技术的发展奠定了理论基础和参考价值。
卢国斌等[11]将煤自燃火灾机理总结为煤的低温氧化阶段、氧化阶段及煤稳定燃烧阶段3 个阶段；
指明了煤自燃发展过程的不同时期，采取相对应的措施能够有效阻断煤自燃事故的发生。
王德明[12]、邬剑明[13]、张雷林[14]则分别提出了三相泡沫、聚氨酯弹性体、凝胶泡沫以充填惰气覆盖、堵漏煤孔裂隙阻断氧气及吸热降温等原理研发防灭火材料，使得矿用凝胶发展也有更广阔的思路。
这些高被引文献来自国内煤矿领域较为权威的期刊，代表着在矿用凝胶领域早期发展奠定的坚实理论基础。矿用凝胶的发展以理论研究与应用实践为导向，其理论基础是煤自燃发展过程、防灭火机理；
应用主要是发掘研究新型高效的防灭火材料等。
4.1 关键词共现网络
文章关键词体现内容的核心主题，关键词共现分析以达到主题识别和热点演进的目的[8]。选择关键词节点类型，设定阈值为2，显示共现2 次以上的关键词，并通过对图谱网络的布局优化及干扰信息的修剪，分析出防灭火凝胶领域的关键词共现网络图，共有节点91 个，连线178 条，Modularity Q 值为0.769 6 大于0.3，这表明该图谱能够展现良好的聚类效果，Mean Silhouette 值为0.533 2，该聚类参数大于0.5，表明聚类具有合理性，2000—2021 年国内矿用凝胶研究形成了较强的问题意识和较为稳固的学术框架。
应用Citespace 软件中的Keywords analysis，对防灭火凝胶领域词频数排列前10 的关键词进行整理归纳，并对同义词进行合并处理减小误差，得到矿用凝胶领域的前10 个关键词，保证了高频次关键词的分析效果，2000—2021 年矿用凝胶研究主要关键词表（前10 个）见表1。由表1 可知：“阻化、新型材料”是近几年矿用凝胶领域出现频次较高的主题，越来越多的学者关注高效阻化材料的研发与应用。
表1 中关键词在检索文献中呈现高频率，所以受到的关注度较高。但是仍有少许关键词出现频率较低，比如流动特性、成胶时间、适用性等，说明学者对相关方向展开研究。因此，为了提高总结研究领域的精确度，借助CiteSpace 软件的关键词聚类这一功能，将关键词根据类别划分做出汇总聚类。
表1 2000—2021 年矿用凝胶研究主要关键词表（前10 个）Table 1 Table of main keywords for mine-used gel research from 2000 to 2021（top 10）
4.2 关键词聚类分析
软件参数设定以年为时间片段，并选择前50 个高频节点为阈值，去除干扰项后，针对所得到的关键词共现网络分析采用LLR 聚类，提取的前10 个矿用凝胶领域关键词聚类图如图3。分别为：防灭火、煤自燃、凝胶材料、阻化性能、采空区、综放工作面、应用、注胶体、凝胶泡沫、复合胶体。
图3 矿用凝胶领域关键词聚类图Fig.3 Keywords clustering map in the field of mine-used gel
聚类视图是通过计算关键词的相似度集合重点信息，展现在此时间段内关键词的空间结构特征[8-9]。通过聚类分析图谱可以总结出该时间段内矿用凝胶领域的3 个重要方面。
4.2.1 凝胶材料的种类
煤矿行业的发展推动着凝胶防灭火技术的不断研发，凝胶的多样化可满足不同生产条件的防灭火要求。根据材料成分将矿用凝胶分为3 大类：无机凝胶类、有机高分子凝胶类以及复合凝胶[5]。
1）无机盐凝胶主要由硅酸盐为基料，促凝剂一般选用氯化铵、硫酸铵等铵盐类无机物，制备过程工艺简单，成本相对较低，可适用于大范围的采空区灌注；
应用过程中可根据井下不同的发火情况及环境，将2 种成分按照所需浓度混合调节成胶时间，成胶后有较强的封堵性，能够有效降低漏风率，减缓煤与氧气的氧化过程；
在煤快速升温阶段也有较强的耐温性，胶体固定的水分受热蒸发带走热量。针对铵盐类凝胶受热会产生毒害气体，污染井下环境的问题；
部分学者创造性地应用无铵胶体的起始黏度低、可灌性好等特点，大规模地应用于煤炭自然发火的预防与治理，大大降低了煤火灾害，开创了我国凝胶防灭火材料的新局面；
随后，向单一无机盐凝胶中添加粉煤灰、黄土等，使得这类胶体以其经济易操作、高阻化性能的特点开始大幅发展，广泛应用于采空区防灭火；
DENG 等[15]研究了各种抑制煤炭自燃的胶体材料性能，如FSA 微孔凝胶和粉煤灰复合凝胶，改性的无机类凝胶大大抑制煤的升温速率、CO 生成和O2消耗；
何理等[16]在硅类水玻璃胶体的基础上添加石灰石，利用其与硫发生耗氧反应降低煤氧反应速率，对高硫煤矿的防灭火治理意义重大。
2）有机高分子凝胶以高分子聚合物为主要成分，添加交联剂、改性剂等材料反应制成[17]。常用基料为聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠/钾、N，N－亚甲基双丙烯酰胺以及天然聚合物（纤维素、木质素、海藻酸等）[18]等，这些有机材料结构中含有大量的亲水性基团（-OH、-COOH 等），可以吸收更多的水分，并有多种官能团易在不同条件下反应改性，大幅提高了凝胶的阻化性能，使得凝胶的防灭火效果更佳，有效防止煤层复燃；
无毒、无味、高阻化、吸热降温的高分子凝胶材料逐渐发展起来，有着广阔的应用前景；
其中，高分子材料改性主要有交联、接枝共聚及复配3 种方式[19]，分别通过不同的修饰方法改变分子的结构。交联使得线型类高分子链同过键合作用形成稳定的网状结构，更好地保有水分提升对煤体的吸热降温作用；
YAN 等[20]基于海藻酸钠与Ca2+发生原位交联反应及顺式二醇与B（OH）4-络合成网制备了SA/P/B/CA 凝胶，并通过程序升温氧化实验、热重分析等一系列的分析方法检验了对煤自燃的抑制作用，延缓煤体放热速率19%以上，该高分子凝胶展现出优异的防灭火性能；
接枝共聚技术将具有某种优异特性的单体接枝到大分子链上，以此来提高高分子凝胶的特定功能[19]；
林梅钦等[21]利用羟丙基淀粉接枝方法，对聚丙烯酰胺凝胶的强度和弹性进行了强化，大大提高了胶体在流动过程中的流变性能；
CHENG等[22]提取玉米秸秆中的纤维素，并将单体AMPS 接枝到纤维素链上，提高了凝胶的稳定性和抗剪切性，制备了一种耐高温的响应型智能水凝胶，这种对可生物降解的玉米秸秆再利用，既能解决焚烧造成的碳污染又能降低凝胶成本，为凝胶的进一步发展提供了思路。
3）复合凝胶是以“无机加有机”相结合的方式，提高单一水凝胶的力学性能及封堵性能[23]，主要类型有稠化胶体类、三元复合胶体、硅酸钠/聚合物复合凝胶等；
XU 等[24]针对我国西北部多土少水的环境，通过从无机矿物、有机聚合物和分散剂中获得的悬浮砂胶体可以避免灌浆用水过度，克服了浆体流动过程中阻力过大，提高了注砂质量和阻化作用；
REN 等[25]通过将阳离子聚丙烯酰胺、阴离子聚丙烯酰胺和羧甲基纤维素分别引入硅酸钠凝胶中，开发了新型硅酸钠/聚合物复合凝胶，提高了水凝胶的渗透能力和抗压强度，有效解决了无机类胶体失水开裂和粉化的问题，对煤体长期有效覆盖封堵，减缓煤氧反应过程。
4.2.2 凝胶性能研究
矿用凝胶作用机理即破坏煤自然发火的条件，抑制自燃。其中胶体的混合溶液渗透到煤的孔隙结构中包裹煤体，封堵浮煤表面的缝隙，隔绝氧气供应；
凝胶结构稳定含有大量水分，在煤体氧化升温时蒸发带走热量，减缓煤层热量的积聚速率[15]。因此，从防灭火作用机理出发可以判定凝胶性能的优劣。
衡量凝胶的性能需要从多个维度出发，包括凝胶特性及微观结构变化。凝胶在配制过程中的组分比例、环境温度、pH 值、混合程度等会对凝胶质量有所影响[14]。在凝胶性能表征上，秦波涛等[7]通过将程序升温装置与温度采集装置组合设计了煤自燃特性综合测试系统，可以模拟凝胶处理煤样在20～400 ℃的煤自燃过程，以此检测凝胶的阻化性能；
王俊峰等[17]对矿用凝胶的基础性能包括热稳定性、承压性能、保水性、胶体的黏结性及渗透性进行测试，都直接反映了凝胶在防灭火过程中的抗温水平及封堵煤孔隙的能力；
另外借助流变仪测试分析凝胶流变性的影响因素，研究胶体在管道输送过程中的流动特性，最大程度地解决胶体灌注过程中的阻力复杂问题。高分子凝胶微观测试的几种方法，包括FTIR 红外光谱法鉴别高分子材料的管能团变化，NMR 法对材料的C、H 结构及数量进行无损检测，保证反应结果的准确性，DSC 法直接测量高分子凝胶的热容量变化，对其热稳定性进行检测；
X-射线衍射对无机类凝胶中的晶体排列方式表征明显，SEM 法对凝胶的形态结构直观的展现出来，以及观察处理煤样前后表面的粗糙程度也可以判定凝胶对煤体阻化产生的反应变化[26]。并随着科技水平的提高，检测凝胶性能的手段更加丰富。
4.2.3 现场应用
矿用凝胶的使用场所是在环境复杂的矿井，实际的工程应用中对凝胶材料及注胶设备及方式的选择要综合施工工艺、胶体流动特性及扩散规律、防灭火效果等多因素考虑。高岗荣[27]对我国几种注浆技术的发展现状进行了综述，分别分析了常用的地面预注浆、井壁注浆、井巷工作面预注浆等技术的工艺要点，在注浆过程中要充分保证注浆效果及适宜现场环境的钻孔工艺；
朱开成等[28]以地面预注浆技术为例，根据开采进度与注浆顺序分为3 种注浆方式，并对注浆材料的流动黏结性做出要求，通过添加悬浮剂等材料提高凝胶在流动过程中的稳定性；
柳昭星等[29]在现场注浆过程中对于钻孔设计与注浆过程无法准确把握，现场实工风险较大，因此，解决此类问题多采用理论分析凝胶的流变特性与浆液扩散模型，建立试验台进行相似模拟实验及数值模拟分析来对比验证，制定切实可行的现场应用方案；
ZHENG 等[30]应用CFD-DEM 等软件来模拟探究管道及注胶区域的流体扩散规律也逐渐发展成解决现场施工难题的关键方法。
4.3 关键词突显分析
关键词突显分析表示某时间段内的研究热点，根据演变规律可以进一步发现研究的趋势，为学者在研究过程中预示发展方向。依据上文关键词的聚类分析，在Control Panel 中选择Burstness 共获得11个有效关键词，2000—2021 年矿用凝胶领域关键词突显表见表2，表2 中线条加粗表示该词在时期内的突显状况。
表2 2000—2021 年矿用凝胶领域关键词突显表Table 2 Keywords highlighting in the field of mine-used gel from 2000 to 2021
从表2 中可以概括出矿用凝胶领域研究趋势的3 个发展阶段：①在2000—2005 年“防灭火技术、应用、无机类凝胶”等相关突显强度较大，无机材料的广泛应用，成为当时防灭火研究领域的重点工作；
②2006—2013 年针对硅酸盐凝胶的“复合胶体、材料配比”进行的技术革新，胶体复配提高了防灭火效果；
③从2013 年以来，对高分子材料的“接枝共聚、交联”等改性技术成为时下研究热点。
矿用凝胶的防灭火机理日趋完善，理论发展放缓，其发展方向则趋向于凝胶自身的防灭火效果。将改性高分子凝胶材料的高阻化效果与绿色发展的时代背景相结合，应用于矿井防灭火，纤维素基衍物质来源广泛，并具有生物降解性、相容性等特点，不易对环境造成污染，在其他多个行业领域已有较快发展与应用[31]。综合发展来看，绿色环保、成本低廉、易于修饰的天然纤维素及高聚糖分子制备生物质凝胶是新材料研发主要的发展趋势。
1）目前我国高校中，中国矿业大学和西安科技大学研究矿用凝胶领域处于引导地位，对该领域发展做出重要贡献。另外，各研究机构与煤矿企业合作密切，能够很好地实现理论研究与现场应用结合，提高矿用凝胶的可持续发展。
2）在关键词聚类分析中，对矿用凝胶研究分为凝胶种类、性能研究及现场应用3 个方面。分别对其进行特征分析，梳理矿用凝胶的发展脉络。
3）由关键词突显区段分析可知：无机类凝胶开创了矿用凝胶材料的应用。随着绿色生产及研究的深入，凝胶研究发展为水玻璃复合粉煤灰类凝胶；
目前研究热点在新型有机高分子材料的改性应用，发展趋势集中于高性能、低成本的生物质凝胶研发，旨在提高防灭火效果、绿色可持续发展。
