國內采空區地表沉陷災害知識圖譜可視化分析

谷 雷，朱權潔，鐘建峰，劉冬梅，王大倉

(1. 華北科技學院礦山安全學院，北京 東燕郊 065201；
2. 華北科技學院 應急技術與管理學院，北京 東燕郊 065201；
3. 北京經緯信息技術有限公司，北京 100083；
4. 華北科技學院 文法學院，北京 東燕郊 065201)

煤炭產業是我國主要經濟支柱，隨著煤炭資源的不斷開采，使得水土流失、農田損毀、植被破壞等地質問題日益嚴重[1，2]。礦山開采導致的地表沉陷是我國主要的人工地質災害之一，大面積的采空塌陷使得位于沉陷區的建(構)筑物、鐵路、公路、橋梁、隧道、輸電線路等損毀倒塌，嚴重制約了資源型城市的可持續發展[3，4]。據統計，我國共有約200萬公頃的沉陷區，并且以每年7萬公頃的速度不斷擴大[5]。妥善解決采空區地表沉陷災害問題，對加強煤礦行業安全生產，深入貫徹習近平生態文明思想的重要指示精神，全面落實“綠水青山就是金山銀山”的新發展理念，具有重要的現實意義。

近年來，國內已有許多學者針對采空區地表沉陷災害的監測、預測和治理展開了大量研究，取得了豐碩的成果，部分領域形成了系統的理論和方法?？茖W知識圖譜對梳理某一領域內的發展脈絡、研究熱點和演化趨勢等方面得到學術界的廣泛認可，在煤礦研究領域內，已有研究人員利用該方法，對煤礦安全[6]、生態環境修復[7]、科技創新[8]、綠色礦山[9]、智能化[10]等領域進行可視化展示與分析，并取得良好的效果。目前，對于采空區地表沉陷災害的相關研究現狀以及熱點話題缺乏較為全面且清晰的認識。本文基于文獻計量學方法，對CNKI(中國知網)數據庫收錄的采空區地表沉陷災害有關文獻進行圖譜分析，對該領域內的研究重點及發展方向進行歸納總結，為采空區地表沉陷災害的進一步研究提供相關參考。

1.1 數據來源

本文基于CNKI文獻數據庫，以主題為“采空區”and“沉陷”、“采空區”and“沉降”、“采空區”and“塌陷”進行多次檢索，檢索時間范圍為1990～2020年。此次檢索共獲得的研究成果數量為3668篇，對其進行篩選后(剔除重復類數據869篇，無作者類數據134篇)，以剩余的2665篇文獻作為分析對象?？蒲谐晒麢z索結果見表1。

表1 檢索結果(文獻)統計 (單位：篇)

1.2 研究方法

CiteSpace軟件是基于Java語言開發的文獻可視化分析軟件，通過對某一領域內的海量文獻進行分析，從中尋求一條主線，獲取該領域內的整體結構、研究規律及產出情況。在煤礦研究領域已被諸多學者用于安全評價、經濟態勢分析、企業管理等方向。本文利用CiteSpace軟件與Excle軟件對采空區地表沉陷災害領域內的文獻進行可視化分析，以期獲得該研究方向的發展歷程、研究現狀、研究熱點及未來的發展趨勢。

在CNKI文獻數據庫中將處理后的數據以Refworks形式導出文本格式并命名為“download_xxxx”，經過CiteSpace數據轉換功能，將數據轉換為“download_xxxx_converted”文本格式后進行知識圖譜分析。

2.1 文獻類型分析

CNKI文獻數據庫將研究成果分為學術論文、學位論文、會議論文、報紙、專利等類型。在樣本數據為2665篇的情況下，對文獻類型進行統計分析可知：學術論文共有1787篇，占比67%；
學位論文數量共有475篇，占比17.8%；
發明專利數量共有217篇，占比8.2%；
會議論文共有139篇，占比5.2%；
新聞報道共有47篇，占比1.8%，各類型成果統計如圖1所示。

圖1 采空區沉陷災害研究成果類型

通過分析該領域研究成果的出版形式可以初步推斷該學科的發展規模。對上述結果進一步分析可知：

(1) ‘學術論文發文量的多少’一定程度上表示相關學術研究和技術創造的豐富程度。由統計結果可知，該領域內的科研成果大多以學術論文的形式發表在期刊雜志中，表明在采空區地表沉陷災害研究領域內，學術研究與技術創造目前已經有較為豐富的體現。

(2) ‘學位論文發文量的多少’是高等院校及煤炭科研機構教育與培養人才的具體數據體現。領域內的學位論文發文量占比較少，表明我國高等院校及煤炭科研機構并未將采空區地表沉陷災害的監測、預防與治理工作作為新生代人才的重要培養方向。

(3) 會議論文、新聞報道、發明專利的公開發表在一定程度上表示某一領域學術交流能力和科技創新能力的大小。會議論文、報紙、專利的發文量相對較少，表明該領域內的學術交流、科技創新能力有待提高。

2.2 發文趨勢分析

對檢索結果發文趨勢進行分析可以了解礦山安全領域內的學者對礦區地表沉陷災害研究的關注程度，是衡量該方向研究進程的重要指標[11]。將2665篇樣本數據導入Excel軟件，按照文獻類型和發文年份繪制折線圖進行統計分析，并以年為單位對學術論文發文趨勢繪制線性回歸模型，其中R2=0.9517，接近于1時，說明趨勢線與數據相吻合，能夠進行趨勢分析，如圖2所示。

圖2 近30年采空區沉陷災害研究成果數據量統計圖

由圖2可知，科研成果整體上處于上升態勢，學術論文的發文量變化趨勢最為明顯，由線性回歸模型可以看出，學術論文的發文趨勢大體可以分為三個階段：包括1990～2000年的初步發文階段，2000～2010年的發文激增階段，2010～2020年的穩定發文階段；
學位論文的發文趨勢于2000年后開始出現波動，結合2.1節內容可知，領域內相關學者重視新生代人才的培養起始于2000年，且近年人才培養趨勢開始逐漸上升；
發明專利發表趨勢于2013年開始激增，表明相關學者對創新型成果開始有所關注。會議論文、報紙的發表數量較少且增長趨勢不明顯，不利于采空區沉陷災害研究的持續發展。

2.3 發文機構分析

對文獻發文機構進行分析可以了解行業內研究成果的主要產出機構，有助于明確我國采空區地表沉陷災害研究方向科研力量的分布，以及各機構間的合作情況，是衡量發文機構科研能力大小的重要指標。借助CiteSpace軟件中的“Institution”分析功能對樣本數據進行分析，得到發文機構知識圖譜(圖3)，并對發文量大于15篇的機構進行統計，見表2。

表2 發文量大于15篇的科研機構

續表

續表

圖3 發文機構年輪圖譜

圖3為地表沉陷災害研究的發文機構年輪圖譜，年輪圖代表機構的發文歷史，年輪的整體大小反映機構發文數量的多少，年輪顏色代表相應的發文年份，一個年輪的厚度與相應時間分區內發文數量成正比。年輪節點之間的連線表示機構之間存在合作關系，且線條的粗細與合作緊密程度成正比。結合圖3和表2可知：

(1) 河南理工大學、中煤科工集團西安研究院有限公司、山西省煤炭地質物測繪院等都屬于發文量較多且發文時間較早的研究機構，最早發文年份為1990年。中國礦業大學發文量最多，為78篇，最早發文年份為1993年。

(2) 圖中共有561個年輪節點，164條節點連接線，網絡密度為0.001，表明該領域內研究機構的合作并不密切。對圖3中聯系較為緊密的發文機構進行分析，河南理工大學與遼寧工程技術大學各校內二級學院之間聯系較緊密，并分別與山西省煤炭地質物測繪院、煤炭科學研究院有良好的合作關系，形成了良好的網絡結構。

(3) 核心科研機構主要集中在以采礦工程、安全工程作為優勢學科的各大高校，其具備較強的科研平臺，類似中國礦業大學設有國土環境與災害監測國家測繪地理信息局重點實驗室、巖土工程新技術發展有限公司等；
河南理工大學設有河南省采空區場地生態修復與建設技術工程研究中心等。

2.4 發文作者分析

采空區地表沉陷災害的監測、預防、治理等研究工作與煤炭開采領域內的各類專家學者密不可分。為了在眾多學者中辨識出該領域的核心力量與領軍人物，利用CiteSpace軟件中的“Author”分析功能對數據進行分析，結果如圖4所示。

圖4 發文作者年輪圖譜

圖4中共有775個年輪節點，456條節點連接線，網絡密度為0.0015，表明曾以采空區地表沉陷災害的監測、預防、治理等作為研究方向的學者共有775位，尚未形成規模性合作網絡。圖4中合作網絡結構較為密切的主要有，以鄧喀中、郭文兵、夏開宗等為主要代表的合作團隊。對合作較為密切的團隊進行統計，其結果如表3所示。結合表3和圖4進行分析，根據年輪節點顏色的變化可以看出以郭文兵為主要代表的團隊、以朱世彬、武博強及王曉東為主要代表的團隊最早開始進行采空區沉陷災害的相關研究，起始發文年份為1990年。郭文兵、鄧喀中所代表的團隊發文數量最多，且郭文兵團隊主要從事煤礦巖層移動、“三下”采煤、采動損害與保護技術方面的研究工作，鄧喀中團隊主要從事開采沉陷及防護、3S技術、InSAR技術等方面的研究。

表3 主要發文作者及其團隊

2.5 研究熱點演化分析

關鍵詞是對一篇文獻核心內容的抽取，對一個階段內的文獻關鍵詞進行分析可以了解到該階段文獻研究的主要內容，從而判斷同時期行業內的研究熱點問題。為了對采空區地表沉陷研究的發展脈絡有更清晰的認識，結合2.2節研究內容，將發文時間劃分為3個時間段(1990～2000年、2000～2010年、2010～2020年)。其次，對3個時間段分別進行關鍵詞圖譜展示，并結合如今采空區地表沉陷災害的研究現狀，調查不同時間段內專家學者在我國采空區地表沉陷領域所做的主要工作。最后，利用關鍵詞聚類圖譜對1990～2020年的文獻關鍵詞進行聚類分析，深入研究近年來領域內的熱點問題。利用CiteSpace軟件的“Keyword”分析功能對樣本數據進行分析，將分析結果導入Excle軟件，并用詞云圖進行表示，結果如圖5所示。

圖5 文獻關鍵詞詞云圖譜

各階段的研究熱點主題如下：

熱點主題一：采空區地表沉陷災害基礎理論研究。如圖5(a)所示，圖中文獻熱點關鍵詞包括：采空區、地面塌陷、變形控制、防治對策、地質災害、老采空區，這表明諸多專家學者對采空區地表沉陷災害進行闡述并探索相應的防治措施。單青生[12]等以北京西山地區煤礦開采導致的地表沉陷問題進行展開，提出了采空區常見的沉陷災害類型，包括由于大規模地下開采所造成的地表移動盆地、小規模但分布廣泛的塌陷坑、采動引起地表拉伸所造成的地裂縫、礦山山體滑移、大范圍的不均勻沉降等。孫泰森等[13]以山西煤礦采空區為例，指出采空區沉陷災害造成的水土流失、土地生產能力低下、地形耕種困難等問題，并簡要提出了沉陷災害防治的理論基礎。

熱點主題二：采空區地表沉陷災害防治方法研究。如圖5(b)所示，圖中關鍵詞種類隨文獻數量的增加而增加，較上一階段出現了數值模擬、注漿、充填、概率積分法、生態環境等新詞匯。關鍵詞種類的增加表明相較于上一階段，學者不局限于采空區沉陷災害類型及防治理論基礎研究，新關鍵詞的出現表明學者尋求到了新思路[14]，如：姜晨光等[15]在《礦區地表沉陷規律的新認識》一文中，提出為解決早期采空區地表沉陷預測算法的冗雜、復雜及選擇困難等缺點，通過計算機模擬提出了新的預測算法；
郭廣禮等[16]在《煤礦開采沉陷有效控制的新途徑》一文中，針對當時沉陷災害的預防與控制手段(充填開采、部分開采、覆巖離層帶注漿充填)進行改進，提出了“條帶開采—注漿充填固結采空區—剩余條帶開采”的三步法開采沉陷控制的新思路，經CNKI數據庫查詢可知，該文章發表于2003年，下載量為1918次，被引用208次(截止于2020年9月23日)，屬于行業內的高被引文獻；
劉松玉等[17]利用影響函數預計方法提出了采空區地表沉陷預計評價方法，通過引入概率積分法與計算機預計技術，采用閉合矩形分塊段積分模型對各開采類型地表進行準確預測。在這一階段，與采空區沉陷災害相關的文獻數量激增且質量提高，出現了大量的高被引文獻，為采空區沉陷災害的監測、預防、治理等方面做出了巨大貢獻。

熱點主題三：采空區地表沉陷監測預警研究。如圖5(c)所示，與上述兩個階段相比，該階段的關鍵詞較為豐富，但頻次較少，表明近十年研究領域內的相關學者正在吸收消化上一階段諸多學者所提出的學術論點，如：葉俊良[18]、王金喜[19]等在文獻[15]的基礎上進行采空區地表沉陷規律的研究；
錢志[20]、鄧喀中[21]、馮國瑞[22]等在文獻[16]的基礎上分別對固體充填采煤巖層移動特征和分布規律、超高水材料跳采充填采煤法、結構充填開采等方面展開研究。新出現的關鍵詞主要包括InSAR、D-InSAR等，InSAR是一種新興的空間大地測量技術，具有全天候、成本低、無接觸等優點，其數據來源可通過歐洲航天局網站提供的哨兵衛星數據免費獲取。目前，對于采空區地表沉陷較為嚴重的區域，由于沉陷范圍較大，一般單獨的測量手段難以達到監測要求，可通過對地表沉陷災害風險等級進行劃分，綜合運用“井-地-空”聯合監測手段對地表沉陷進行監測，可實現多參量監測手段的最大利用率，減小數據冗余，且小范圍內的監測精度高[23]。

對研究領域內的文獻關鍵詞進行聚類分析，獲得關鍵詞聚類圖譜，并選取排名前15的關鍵詞聚類進行展示，如圖6所示。圖6中模塊值Q=0.6182>0.3，平均輪廓值S=0.8519>0.7，表示圖譜參數設置合理，聚類結果成立，圖譜具有顯著的社團結構和高效率的信服度。由圖6可知，#1采空區、#3地表沉陷、#7地表沉降、#8開采沉陷、#11下沉盆地、#13塌陷區、#14塌陷等聚類含義與檢索主題一致或表達意思相近，出現頻次高，形成明顯聚類；
#0地質災害、#12危害等聚類表示采空區沉陷災害類型與影響；
#4概率積分法、#5殘余沉降、#6數值模擬、#9模型試驗、#10穩定性分析等聚類代表地表沉陷災害的基礎理論、監測預警方法等研究內容。以“概率積分法”為主題詞在CNKI數據庫進行檢索，共獲得759篇文獻。其中，中文核心級別以上的文獻349篇，概率積分法作為沉陷預計方法，在采空區地表沉陷災害研究中具有重要意義。以上內容與前述分析中前兩個階段的熱點研究內容相對應，第三階段的文獻關鍵詞因出現頻次較少并未形成明顯的聚類，因此在圖6中并未有明顯聚類體現。

圖6 排名前12的關鍵詞聚類知識圖譜

(1) 發文類型主要為學術論文為主，學位論文、會議論文、報紙、專利發文量較少，表明該領域的學術研究與技術創造目前已有較為豐富的成果體現，但對人才培養、學術交流和發明創造重視程度不夠；
發文機構主要集中在以安全工程、礦業工程為優勢學科的高等院校、科研院所、企業單位，加強三者之間的科研合作關系，對實現人才培養、資源共享、數據共享、行業內創新性成果的產出具有推動作用；
發文作者數量較多，以鄧喀中、郭文兵、夏開宗等為代表的研究團隊形成了良好的合作網絡。

(2) 領域內的熱點依次是沉陷機理研究、防治方法研究、監測預警方法研究。近十年，領域內的熱點關鍵詞主要集中在InSAR、D-InSAR對地表沉陷的相關研究上，以其為代表的無線電微波遙感技術具有全天候、成本低、無接觸等優點。該技術作為大范圍形變測量領域內具備發展潛力的新手段，對地表沉陷災害監測起到推動作用，未來可能是該領域內的重點研究方向，應引起相關學者重視和關注。

(3) 隨著科技技術的發展，采空區地表沉陷監測技術、預測方法不斷更新換代，現有礦區地表沉陷監測方式，通常使用多個單一監測手段對整個采空區展開大范圍監測，存在數據來源廣，數據分散，缺乏統一的數據交互標準，不利于對多存儲來源數據進行綜合性、關聯性分析?；凇熬?地-空”聯合監測手段的大范圍地表沉陷災害監測方法的提出對實現地表沉陷數據的實時采集、分析、動態預測具有重要意義。