谷 雷，朱权洁，钟建峰，刘冬梅，王大仓
(1. 华北科技学院矿山安全学院，北京 东燕郊 065201；
2. 华北科技学院 应急技术与管理学院，北京 东燕郊 065201；
3. 北京经纬信息技术有限公司，北京 100083；
4. 华北科技学院 文法学院，北京 东燕郊 065201)
煤炭产业是我国主要经济支柱，随着煤炭资源的不断开采，使得水土流失、农田损毁、植被破坏等地质问题日益严重[1，2]。矿山开采导致的地表沉陷是我国主要的人工地质灾害之一，大面积的采空塌陷使得位于沉陷区的建(构)筑物、铁路、公路、桥梁、隧道、输电线路等损毁倒塌，严重制约了资源型城市的可持续发展[3，4]。据统计，我国共有约200万公顷的沉陷区，并且以每年7万公顷的速度不断扩大[5]。妥善解决采空区地表沉陷灾害问题，对加强煤矿行业安全生产，深入贯彻习近平生态文明思想的重要指示精神，全面落实“绿水青山就是金山银山”的新发展理念，具有重要的现实意义。
近年来，国内已有许多学者针对采空区地表沉陷灾害的监测、预测和治理展开了大量研究，取得了丰硕的成果，部分领域形成了系统的理论和方法。科学知识图谱对梳理某一领域内的发展脉络、研究热点和演化趋势等方面得到学术界的广泛认可，在煤矿研究领域内，已有研究人员利用该方法，对煤矿安全[6]、生态环境修复[7]、科技创新[8]、绿色矿山[9]、智能化[10]等领域进行可视化展示与分析，并取得良好的效果。目前，对于采空区地表沉陷灾害的相关研究现状以及热点话题缺乏较为全面且清晰的认识。本文基于文献计量学方法，对CNKI(中国知网)数据库收录的采空区地表沉陷灾害有关文献进行图谱分析，对该领域内的研究重点及发展方向进行归纳总结，为采空区地表沉陷灾害的进一步研究提供相关参考。
1.1 数据来源
本文基于CNKI文献数据库，以主题为“采空区”and“沉陷”、“采空区”and“沉降”、“采空区”and“塌陷”进行多次检索，检索时间范围为1990～2020年。此次检索共获得的研究成果数量为3668篇，对其进行筛选后(剔除重复类数据869篇，无作者类数据134篇)，以剩余的2665篇文献作为分析对象。科研成果检索结果见表1。
表1 检索结果(文献)统计 (单位：篇)
1.2 研究方法
CiteSpace软件是基于Java语言开发的文献可视化分析软件，通过对某一领域内的海量文献进行分析，从中寻求一条主线，获取该领域内的整体结构、研究规律及产出情况。在煤矿研究领域已被诸多学者用于安全评价、经济态势分析、企业管理等方向。本文利用CiteSpace软件与Excle软件对采空区地表沉陷灾害领域内的文献进行可视化分析，以期获得该研究方向的发展历程、研究现状、研究热点及未来的发展趋势。
在CNKI文献数据库中将处理后的数据以Refworks形式导出文本格式并命名为“download_xxxx”，经过CiteSpace数据转换功能，将数据转换为“download_xxxx_converted”文本格式后进行知识图谱分析。
2.1 文献类型分析
CNKI文献数据库将研究成果分为学术论文、学位论文、会议论文、报纸、专利等类型。在样本数据为2665篇的情况下，对文献类型进行统计分析可知：学术论文共有1787篇，占比67%；
学位论文数量共有475篇，占比17.8%；
发明专利数量共有217篇，占比8.2%；
会议论文共有139篇，占比5.2%；
新闻报道共有47篇，占比1.8%，各类型成果统计如图1所示。
图1 采空区沉陷灾害研究成果类型
通过分析该领域研究成果的出版形式可以初步推断该学科的发展规模。对上述结果进一步分析可知：
(1) ‘学术论文发文量的多少’一定程度上表示相关学术研究和技术创造的丰富程度。由统计结果可知，该领域内的科研成果大多以学术论文的形式发表在期刊杂志中，表明在采空区地表沉陷灾害研究领域内，学术研究与技术创造目前已经有较为丰富的体现。
(2) ‘学位论文发文量的多少’是高等院校及煤炭科研机构教育与培养人才的具体数据体现。领域内的学位论文发文量占比较少，表明我国高等院校及煤炭科研机构并未将采空区地表沉陷灾害的监测、预防与治理工作作为新生代人才的重要培养方向。
(3) 会议论文、新闻报道、发明专利的公开发表在一定程度上表示某一领域学术交流能力和科技创新能力的大小。会议论文、报纸、专利的发文量相对较少，表明该领域内的学术交流、科技创新能力有待提高。
2.2 发文趋势分析
对检索结果发文趋势进行分析可以了解矿山安全领域内的学者对矿区地表沉陷灾害研究的关注程度，是衡量该方向研究进程的重要指标[11]。将2665篇样本数据导入Excel软件，按照文献类型和发文年份绘制折线图进行统计分析，并以年为单位对学术论文发文趋势绘制线性回归模型，其中R2=0.9517，接近于1时，说明趋势线与数据相吻合，能够进行趋势分析，如图2所示。
图2 近30年采空区沉陷灾害研究成果数据量统计图
由图2可知，科研成果整体上处于上升态势，学术论文的发文量变化趋势最为明显，由线性回归模型可以看出，学术论文的发文趋势大体可以分为三个阶段：包括1990～2000年的初步发文阶段，2000～2010年的发文激增阶段，2010～2020年的稳定发文阶段；
学位论文的发文趋势于2000年后开始出现波动，结合2.1节内容可知，领域内相关学者重视新生代人才的培养起始于2000年，且近年人才培养趋势开始逐渐上升；
发明专利发表趋势于2013年开始激增，表明相关学者对创新型成果开始有所关注。会议论文、报纸的发表数量较少且增长趋势不明显，不利于采空区沉陷灾害研究的持续发展。
2.3 发文机构分析
对文献发文机构进行分析可以了解行业内研究成果的主要产出机构，有助于明确我国采空区地表沉陷灾害研究方向科研力量的分布，以及各机构间的合作情况，是衡量发文机构科研能力大小的重要指标。借助CiteSpace软件中的“Institution”分析功能对样本数据进行分析，得到发文机构知识图谱(图3)，并对发文量大于15篇的机构进行统计，见表2。
表2 发文量大于15篇的科研机构
续表
续表
图3 发文机构年轮图谱
图3为地表沉陷灾害研究的发文机构年轮图谱，年轮图代表机构的发文历史，年轮的整体大小反映机构发文数量的多少，年轮颜色代表相应的发文年份，一个年轮的厚度与相应时间分区内发文数量成正比。年轮节点之间的连线表示机构之间存在合作关系，且线条的粗细与合作紧密程度成正比。结合图3和表2可知：
(1) 河南理工大学、中煤科工集团西安研究院有限公司、山西省煤炭地质物测绘院等都属于发文量较多且发文时间较早的研究机构，最早发文年份为1990年。中国矿业大学发文量最多，为78篇，最早发文年份为1993年。
(2) 图中共有561个年轮节点，164条节点连接线，网络密度为0.001，表明该领域内研究机构的合作并不密切。对图3中联系较为紧密的发文机构进行分析，河南理工大学与辽宁工程技术大学各校内二级学院之间联系较紧密，并分别与山西省煤炭地质物测绘院、煤炭科学研究院有良好的合作关系，形成了良好的网络结构。
(3) 核心科研机构主要集中在以采矿工程、安全工程作为优势学科的各大高校，其具备较强的科研平台，类似中国矿业大学设有国土环境与灾害监测国家测绘地理信息局重点实验室、岩土工程新技术发展有限公司等；
河南理工大学设有河南省采空区场地生态修复与建设技术工程研究中心等。
2.4 发文作者分析
采空区地表沉陷灾害的监测、预防、治理等研究工作与煤炭开采领域内的各类专家学者密不可分。为了在众多学者中辨识出该领域的核心力量与领军人物，利用CiteSpace软件中的“Author”分析功能对数据进行分析，结果如图4所示。
图4 发文作者年轮图谱
图4中共有775个年轮节点，456条节点连接线，网络密度为0.0015，表明曾以采空区地表沉陷灾害的监测、预防、治理等作为研究方向的学者共有775位，尚未形成规模性合作网络。图4中合作网络结构较为密切的主要有，以邓喀中、郭文兵、夏开宗等为主要代表的合作团队。对合作较为密切的团队进行统计，其结果如表3所示。结合表3和图4进行分析，根据年轮节点颜色的变化可以看出以郭文兵为主要代表的团队、以朱世彬、武博强及王晓东为主要代表的团队最早开始进行采空区沉陷灾害的相关研究，起始发文年份为1990年。郭文兵、邓喀中所代表的团队发文数量最多，且郭文兵团队主要从事煤矿岩层移动、“三下”采煤、采动损害与保护技术方面的研究工作，邓喀中团队主要从事开采沉陷及防护、3S技术、InSAR技术等方面的研究。
表3 主要发文作者及其团队
2.5 研究热点演化分析
关键词是对一篇文献核心内容的抽取，对一个阶段内的文献关键词进行分析可以了解到该阶段文献研究的主要内容，从而判断同时期行业内的研究热点问题。为了对采空区地表沉陷研究的发展脉络有更清晰的认识，结合2.2节研究内容，将发文时间划分为3个时间段(1990～2000年、2000～2010年、2010～2020年)。其次，对3个时间段分别进行关键词图谱展示，并结合如今采空区地表沉陷灾害的研究现状，调查不同时间段内专家学者在我国采空区地表沉陷领域所做的主要工作。最后，利用关键词聚类图谱对1990～2020年的文献关键词进行聚类分析，深入研究近年来领域内的热点问题。利用CiteSpace软件的“Keyword”分析功能对样本数据进行分析，将分析结果导入Excle软件，并用词云图进行表示，结果如图5所示。
图5 文献关键词词云图谱
各阶段的研究热点主题如下：
热点主题一：采空区地表沉陷灾害基础理论研究。如图5(a)所示，图中文献热点关键词包括：采空区、地面塌陷、变形控制、防治对策、地质灾害、老采空区，这表明诸多专家学者对采空区地表沉陷灾害进行阐述并探索相应的防治措施。单青生[12]等以北京西山地区煤矿开采导致的地表沉陷问题进行展开，提出了采空区常见的沉陷灾害类型，包括由于大规模地下开采所造成的地表移动盆地、小规模但分布广泛的塌陷坑、采动引起地表拉伸所造成的地裂缝、矿山山体滑移、大范围的不均匀沉降等。孙泰森等[13]以山西煤矿采空区为例，指出采空区沉陷灾害造成的水土流失、土地生产能力低下、地形耕种困难等问题，并简要提出了沉陷灾害防治的理论基础。
热点主题二：采空区地表沉陷灾害防治方法研究。如图5(b)所示，图中关键词种类随文献数量的增加而增加，较上一阶段出现了数值模拟、注浆、充填、概率积分法、生态环境等新词汇。关键词种类的增加表明相较于上一阶段，学者不局限于采空区沉陷灾害类型及防治理论基础研究，新关键词的出现表明学者寻求到了新思路[14]，如：姜晨光等[15]在《矿区地表沉陷规律的新认识》一文中，提出为解决早期采空区地表沉陷预测算法的冗杂、复杂及选择困难等缺点，通过计算机模拟提出了新的预测算法；
郭广礼等[16]在《煤矿开采沉陷有效控制的新途径》一文中，针对当时沉陷灾害的预防与控制手段(充填开采、部分开采、覆岩离层带注浆充填)进行改进，提出了“条带开采—注浆充填固结采空区—剩余条带开采”的三步法开采沉陷控制的新思路，经CNKI数据库查询可知，该文章发表于2003年，下载量为1918次，被引用208次(截止于2020年9月23日)，属于行业内的高被引文献；
刘松玉等[17]利用影响函数预计方法提出了采空区地表沉陷预计评价方法，通过引入概率积分法与计算机预计技术，采用闭合矩形分块段积分模型对各开采类型地表进行准确预测。在这一阶段，与采空区沉陷灾害相关的文献数量激增且质量提高，出现了大量的高被引文献，为采空区沉陷灾害的监测、预防、治理等方面做出了巨大贡献。
热点主题三：采空区地表沉陷监测预警研究。如图5(c)所示，与上述两个阶段相比，该阶段的关键词较为丰富，但频次较少，表明近十年研究领域内的相关学者正在吸收消化上一阶段诸多学者所提出的学术论点，如：叶俊良[18]、王金喜[19]等在文献[15]的基础上进行采空区地表沉陷规律的研究；
钱志[20]、邓喀中[21]、冯国瑞[22]等在文献[16]的基础上分别对固体充填采煤岩层移动特征和分布规律、超高水材料跳采充填采煤法、结构充填开采等方面展开研究。新出现的关键词主要包括InSAR、D-InSAR等，InSAR是一种新兴的空间大地测量技术，具有全天候、成本低、无接触等优点，其数据来源可通过欧洲航天局网站提供的哨兵卫星数据免费获取。目前，对于采空区地表沉陷较为严重的区域，由于沉陷范围较大，一般单独的测量手段难以达到监测要求，可通过对地表沉陷灾害风险等级进行划分，综合运用“井-地-空”联合监测手段对地表沉陷进行监测，可实现多参量监测手段的最大利用率，减小数据冗余，且小范围内的监测精度高[23]。
对研究领域内的文献关键词进行聚类分析，获得关键词聚类图谱，并选取排名前15的关键词聚类进行展示，如图6所示。图6中模块值Q=0.6182>0.3，平均轮廓值S=0.8519>0.7，表示图谱参数设置合理，聚类结果成立，图谱具有显著的社团结构和高效率的信服度。由图6可知，#1采空区、#3地表沉陷、#7地表沉降、#8开采沉陷、#11下沉盆地、#13塌陷区、#14塌陷等聚类含义与检索主题一致或表达意思相近，出现频次高，形成明显聚类；
#0地质灾害、#12危害等聚类表示采空区沉陷灾害类型与影响；
#4概率积分法、#5残余沉降、#6数值模拟、#9模型试验、#10稳定性分析等聚类代表地表沉陷灾害的基础理论、监测预警方法等研究内容。以“概率积分法”为主题词在CNKI数据库进行检索，共获得759篇文献。其中，中文核心级别以上的文献349篇，概率积分法作为沉陷预计方法，在采空区地表沉陷灾害研究中具有重要意义。以上内容与前述分析中前两个阶段的热点研究内容相对应，第三阶段的文献关键词因出现频次较少并未形成明显的聚类，因此在图6中并未有明显聚类体现。
图6 排名前12的关键词聚类知识图谱
(1) 发文类型主要为学术论文为主，学位论文、会议论文、报纸、专利发文量较少，表明该领域的学术研究与技术创造目前已有较为丰富的成果体现，但对人才培养、学术交流和发明创造重视程度不够；
发文机构主要集中在以安全工程、矿业工程为优势学科的高等院校、科研院所、企业单位，加强三者之间的科研合作关系，对实现人才培养、资源共享、数据共享、行业内创新性成果的产出具有推动作用；
发文作者数量较多，以邓喀中、郭文兵、夏开宗等为代表的研究团队形成了良好的合作网络。
(2) 领域内的热点依次是沉陷机理研究、防治方法研究、监测预警方法研究。近十年，领域内的热点关键词主要集中在InSAR、D-InSAR对地表沉陷的相关研究上，以其为代表的无线电微波遥感技术具有全天候、成本低、无接触等优点。该技术作为大范围形变测量领域内具备发展潜力的新手段，对地表沉陷灾害监测起到推动作用，未来可能是该领域内的重点研究方向，应引起相关学者重视和关注。
(3) 随着科技技术的发展，采空区地表沉陷监测技术、预测方法不断更新换代，现有矿区地表沉陷监测方式，通常使用多个单一监测手段对整个采空区展开大范围监测，存在数据来源广，数据分散，缺乏统一的数据交互标准，不利于对多存储来源数据进行综合性、关联性分析。基于“井-地-空”联合监测手段的大范围地表沉陷灾害监测方法的提出对实现地表沉陷数据的实时采集、分析、动态预测具有重要意义。
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