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

煤炭產(chǎn)業(yè)是我國主要經(jīng)濟支柱，隨著(zhù)煤炭資源的不斷開(kāi)采，使得水土流失、農田損毀、植被破壞等地質(zhì)問(wèn)題日益嚴重[1，2]。礦山開(kāi)采導致的地表沉陷是我國主要的人工地質(zhì)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(xiàn)路等損毀倒塌，嚴重制約了資源型城市的可持續發(fā)展[3，4]。據統計，我國共有約200萬(wàn)公頃的沉陷區，并且以每年7萬(wàn)公頃的速度不斷擴大[5]。妥善解決采空區地表沉陷災害問(wèn)題，對加強煤礦行業(yè)安全生產(chǎn)，深入貫徹習近平生態(tài)文明思想的重要指示精神，全面落實(shí)“綠水青山就是金山銀山”的新發(fā)展理念，具有重要的現實(shí)意義。

近年來(lái)，國內已有許多學(xué)者針對采空區地表沉陷災害的監測、預測和治理展開(kāi)了大量研究，取得了豐碩的成果，部分領(lǐng)域形成了系統的理論和方法?？茖W(xué)知識圖譜對梳理某一領(lǐng)域內的發(fā)展脈絡(luò )、研究熱點(diǎn)和演化趨勢等方面得到學(xué)術(shù)界的廣泛認可，在煤礦研究領(lǐng)域內，已有研究人員利用該方法，對煤礦安全[6]、生態(tài)環(huán)境修復[7]、科技創(chuàng )新[8]、綠色礦山[9]、智能化[10]等領(lǐng)域進(jìn)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(guān)研究現狀以及熱點(diǎn)話(huà)題缺乏較為全面且清晰的認識。本文基于文獻計量學(xué)方法，對CNKI(中國知網(wǎng))數據庫收錄的采空區地表沉陷災害有關(guān)文獻進(jìn)行圖譜分析，對該領(lǐng)域內的研究重點(diǎn)及發(fā)展方向進(jìn)行歸納總結，為采空區地表沉陷災害的進(jìn)一步研究提供相關(guān)參考。

1.1 數據來(lái)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(jìn)行多次檢索，檢索時(shí)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(jìn)行篩選后(剔除重復類(lèi)數據869篇，無(wú)作者類(lèi)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(jiàn)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(yǔ)言開(kāi)發(fā)的文獻可視化分析軟件，通過(guò)對某一領(lǐng)域內的海量文獻進(jìn)行分析，從中尋求一條主線(xiàn)，獲取該領(lǐng)域內的整體結構、研究規律及產(chǎn)出情況。在煤礦研究領(lǐng)域已被諸多學(xué)者用于安全評價(jià)、經(jīng)濟態(tài)勢分析、企業(yè)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(lǐng)域內的文獻進(jìn)行可視化分析，以期獲得該研究方向的發(fā)展歷程、研究現狀、研究熱點(diǎn)及未來(lái)的發(fā)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(jīng)過(guò)CiteSpace數據轉換功能，將數據轉換為“download_xxxx_converted”文本格式后進(jìn)行知識圖譜分析。

2.1 文獻類(lèi)型分析

CNKI文獻數據庫將研究成果分為學(xué)術(shù)論文、學(xué)位論文、會(huì )議論文、報紙、專(zhuān)利等類(lèi)型。在樣本數據為2665篇的情況下，對文獻類(lèi)型進(jìn)行統計分析可知：學(xué)術(shù)論文共有1787篇，占比67%；
學(xué)位論文數量共有475篇，占比17.8%；
發(fā)明專(zhuān)利數量共有217篇，占比8.2%；
會(huì )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(lèi)型成果統計如圖1所示。

圖1 采空區沉陷災害研究成果類(lèi)型

通過(guò)分析該領(lǐng)域研究成果的出版形式可以初步推斷該學(xué)科的發(fā)展規模。對上述結果進(jìn)一步分析可知：

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

(2) ‘學(xué)位論文發(fā)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(lǐng)域內的學(xué)位論文發(fā)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(huì )議論文、新聞報道、發(fā)明專(zhuān)利的公開(kāi)發(fā)表在一定程度上表示某一領(lǐng)域學(xué)術(shù)交流能力和科技創(chuàng )新能力的大小。會(huì )議論文、報紙、專(zhuān)利的發(fā)文量相對較少，表明該領(lǐng)域內的學(xué)術(shù)交流、科技創(chuàng )新能力有待提高。

2.2 發(fā)文趨勢分析

對檢索結果發(fā)文趨勢進(jìn)行分析可以了解礦山安全領(lǐng)域內的學(xué)者對礦區地表沉陷災害研究的關(guān)注程度，是衡量該方向研究進(jìn)程的重要指標[11]。將2665篇樣本數據導入Excel軟件，按照文獻類(lèi)型和發(fā)文年份繪制折線(xiàn)圖進(jìn)行統計分析，并以年為單位對學(xué)術(shù)論文發(fā)文趨勢繪制線(xiàn)性回歸模型，其中R2=0.9517，接近于1時(shí)，說(shuō)明趨勢線(xiàn)與數據相吻合，能夠進(jìn)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(tài)勢，學(xué)術(shù)論文的發(fā)文量變化趨勢最為明顯，由線(xiàn)性回歸模型可以看出，學(xué)術(shù)論文的發(fā)文趨勢大體可以分為三個(gè)階段：包括1990～2000年的初步發(fā)文階段，2000～2010年的發(fā)文激增階段，2010～2020年的穩定發(fā)文階段；
學(xué)位論文的發(fā)文趨勢于2000年后開(kāi)始出現波動(dòng)，結合2.1節內容可知，領(lǐng)域內相關(guān)學(xué)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(kāi)始逐漸上升；
發(fā)明專(zhuān)利發(fā)表趨勢于2013年開(kāi)始激增，表明相關(guān)學(xué)者對創(chuàng )新型成果開(kāi)始有所關(guān)注。會(huì )議論文、報紙的發(fā)表數量較少且增長(cháng)趨勢不明顯，不利于采空區沉陷災害研究的持續發(fā)展。

2.3 發(fā)文機構分析

對文獻發(fā)文機構進(jìn)行分析可以了解行業(yè)內研究成果的主要產(chǎn)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(fā)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(jìn)行分析，得到發(fā)文機構知識圖譜(圖3)，并對發(fā)文量大于15篇的機構進(jìn)行統計，見(jiàn)表2。

表2 發(fā)文量大于15篇的科研機構

續表

續表

圖3 發(fā)文機構年輪圖譜

圖3為地表沉陷災害研究的發(fā)文機構年輪圖譜，年輪圖代表機構的發(fā)文歷史，年輪的整體大小反映機構發(fā)文數量的多少，年輪顏色代表相應的發(fā)文年份，一個(gè)年輪的厚度與相應時(shí)間分區內發(fā)文數量成正比。年輪節點(diǎn)之間的連線(xiàn)表示機構之間存在合作關(guān)系，且線(xiàn)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(xué)、中煤科工集團西安研究院有限公司、山西省煤炭地質(zhì)物測繪院等都屬于發(fā)文量較多且發(fā)文時(shí)間較早的研究機構，最早發(fā)文年份為1990年。中國礦業(yè)大學(xué)發(fā)文量最多，為78篇，最早發(fā)文年份為1993年。

(2) 圖中共有561個(gè)年輪節點(diǎn)，164條節點(diǎn)連接線(xiàn)，網(wǎng)絡(luò )密度為0.001，表明該領(lǐng)域內研究機構的合作并不密切。對圖3中聯(lián)系較為緊密的發(fā)文機構進(jìn)行分析，河南理工大學(xué)與遼寧工程技術(shù)大學(xué)各校內二級學(xué)院之間聯(lián)系較緊密，并分別與山西省煤炭地質(zhì)物測繪院、煤炭科學(xué)研究院有良好的合作關(guān)系，形成了良好的網(wǎng)絡(luò )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(yōu)勢學(xué)科的各大高校，其具備較強的科研平臺，類(lèi)似中國礦業(yè)大學(xué)設有國土環(huán)境與災害監測國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗室、巖土工程新技術(shù)發(fā)展有限公司等；
河南理工大學(xué)設有河南省采空區場(chǎng)地生態(tài)修復與建設技術(shù)工程研究中心等。

2.4 發(fā)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(kāi)采領(lǐng)域內的各類(lèi)專(zhuān)家學(xué)者密不可分。為了在眾多學(xué)者中辨識出該領(lǐng)域的核心力量與領(lǐng)軍人物，利用CiteSpace軟件中的“Author”分析功能對數據進(jìn)行分析，結果如圖4所示。

圖4 發(fā)文作者年輪圖譜

圖4中共有775個(gè)年輪節點(diǎn)，456條節點(diǎn)連接線(xiàn)，網(wǎng)絡(luò )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(xué)者共有775位，尚未形成規模性合作網(wǎng)絡(luò )。圖4中合作網(wǎng)絡(luò )結構較為密切的主要有，以鄧喀中、郭文兵、夏開(kāi)宗等為主要代表的合作團隊。對合作較為密切的團隊進(jìn)行統計，其結果如表3所示。結合表3和圖4進(jìn)行分析，根據年輪節點(diǎn)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(kāi)始進(jìn)行采空區沉陷災害的相關(guān)研究，起始發(fā)文年份為1990年。郭文兵、鄧喀中所代表的團隊發(fā)文數量最多，且郭文兵團隊主要從事煤礦巖層移動(dòng)、“三下”采煤、采動(dòng)損害與保護技術(shù)方面的研究工作，鄧喀中團隊主要從事開(kāi)采沉陷及防護、3S技術(shù)、InSAR技術(shù)等方面的研究。

表3 主要發(fā)文作者及其團隊

2.5 研究熱點(diǎn)演化分析

關(guān)鍵詞是對一篇文獻核心內容的抽取，對一個(gè)階段內的文獻關(guān)鍵詞進(jìn)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(shí)期行業(yè)內的研究熱點(diǎn)問(wèn)題。為了對采空區地表沉陷研究的發(fā)展脈絡(luò )有更清晰的認識，結合2.2節研究?jì)热?，將發(fā)文時(shí)間劃分為3個(gè)時(shí)間段(1990～2000年、2000～2010年、2010～2020年)。其次，對3個(gè)時(shí)間段分別進(jìn)行關(guān)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(shí)間段內專(zhuān)家學(xué)者在我國采空區地表沉陷領(lǐng)域所做的主要工作。最后，利用關(guān)鍵詞聚類(lèi)圖譜對1990～2020年的文獻關(guān)鍵詞進(jìn)行聚類(lèi)分析，深入研究近年來(lái)領(lǐng)域內的熱點(diǎn)問(wèn)題。利用CiteSpace軟件的“Keyword”分析功能對樣本數據進(jìn)行分析，將分析結果導入Excle軟件，并用詞云圖進(jìn)行表示，結果如圖5所示。

圖5 文獻關(guān)鍵詞詞云圖譜

各階段的研究熱點(diǎn)主題如下：

熱點(diǎn)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(diǎn)關(guān)鍵詞包括：采空區、地面塌陷、變形控制、防治對策、地質(zhì)災害、老采空區，這表明諸多專(zhuān)家學(xué)者對采空區地表沉陷災害進(jìn)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(kāi)采導致的地表沉陷問(wèn)題進(jìn)行展開(kāi)，提出了采空區常見(jiàn)的沉陷災害類(lèi)型，包括由于大規模地下開(kāi)采所造成的地表移動(dòng)盆地、小規模但分布廣泛的塌陷坑、采動(dòng)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(chǎn)能力低下、地形耕種困難等問(wèn)題，并簡(jiǎn)要提出了沉陷災害防治的理論基礎。

熱點(diǎn)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(guān)鍵詞種類(lèi)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(tài)環(huán)境等新詞匯。關(guān)鍵詞種類(lèi)的增加表明相較于上一階段，學(xué)者不局限于采空區沉陷災害類(lèi)型及防治理論基礎研究，新關(guān)鍵詞的出現表明學(xué)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(diǎn)，通過(guò)計算機模擬提出了新的預測算法；
郭廣禮等[16]在《煤礦開(kāi)采沉陷有效控制的新途徑》一文中，針對當時(shí)沉陷災害的預防與控制手段(充填開(kāi)采、部分開(kāi)采、覆巖離層帶注漿充填)進(jìn)行改進(jìn)，提出了“條帶開(kāi)采—注漿充填固結采空區—剩余條帶開(kāi)采”的三步法開(kāi)采沉陷控制的新思路，經(jīng)CNKI數據庫查詢(xún)可知，該文章發(fā)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(yè)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(jià)方法，通過(guò)引入概率積分法與計算機預計技術(shù)，采用閉合矩形分塊段積分模型對各開(kāi)采類(lèi)型地表進(jìn)行準確預測。在這一階段，與采空區沉陷災害相關(guān)的文獻數量激增且質(zhì)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(diǎn)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(gè)階段相比，該階段的關(guān)鍵詞較為豐富，但頻次較少，表明近十年研究領(lǐng)域內的相關(guān)學(xué)者正在吸收消化上一階段諸多學(xué)者所提出的學(xué)術(shù)論點(diǎn)，如：葉俊良[18]、王金喜[19]等在文獻[15]的基礎上進(jìn)行采空區地表沉陷規律的研究；
錢(qián)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(dòng)特征和分布規律、超高水材料跳采充填采煤法、結構充填開(kāi)采等方面展開(kāi)研究。新出現的關(guān)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(shù)，具有全天候、成本低、無(wú)接觸等優(yōu)點(diǎn)，其數據來(lái)源可通過(guò)歐洲航天局網(wǎng)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(guò)對地表沉陷災害風(fēng)險等級進(jìn)行劃分，綜合運用“井-地-空”聯(lián)合監測手段對地表沉陷進(jìn)行監測，可實(shí)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(lǐng)域內的文獻關(guān)鍵詞進(jìn)行聚類(lèi)分析，獲得關(guān)鍵詞聚類(lèi)圖譜，并選取排名前15的關(guān)鍵詞聚類(lèi)進(jìn)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(lèi)結果成立，圖譜具有顯著(zhù)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(kāi)采沉陷、#11下沉盆地、#13塌陷區、#14塌陷等聚類(lèi)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(lèi)；
#0地質(zhì)災害、#12危害等聚類(lèi)表示采空區沉陷災害類(lèi)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(lèi)代表地表沉陷災害的基礎理論、監測預警方法等研究?jì)热?。以“概率積分法”為主題詞在CNKI數據庫進(jìn)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(gè)階段的熱點(diǎn)研究?jì)热菹鄬?，第三階段的文獻關(guān)鍵詞因出現頻次較少并未形成明顯的聚類(lèi)，因此在圖6中并未有明顯聚類(lèi)體現。

圖6 排名前12的關(guān)鍵詞聚類(lèi)知識圖譜

(1) 發(fā)文類(lèi)型主要為學(xué)術(shù)論文為主，學(xué)位論文、會(huì )議論文、報紙、專(zhuān)利發(fā)文量較少，表明該領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究與技術(shù)創(chuàng )造目前已有較為豐富的成果體現，但對人才培養、學(xué)術(shù)交流和發(fā)明創(chuàng )造重視程度不夠；
發(fā)文機構主要集中在以安全工程、礦業(yè)工程為優(yōu)勢學(xué)科的高等院校、科研院所、企業(yè)單位，加強三者之間的科研合作關(guān)系，對實(shí)現人才培養、資源共享、數據共享、行業(yè)內創(chuàng )新性成果的產(chǎn)出具有推動(dòng)作用；
發(fā)文作者數量較多，以鄧喀中、郭文兵、夏開(kāi)宗等為代表的研究團隊形成了良好的合作網(wǎng)絡(luò )。

(2) 領(lǐng)域內的熱點(diǎn)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(lǐng)域內的熱點(diǎn)關(guān)鍵詞主要集中在InSAR、D-InSAR對地表沉陷的相關(guān)研究上，以其為代表的無(wú)線(xiàn)電微波遙感技術(shù)具有全天候、成本低、無(wú)接觸等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)作為大范圍形變測量領(lǐng)域內具備發(fā)展潛力的新手段，對地表沉陷災害監測起到推動(dòng)作用，未來(lái)可能是該領(lǐng)域內的重點(diǎn)研究方向，應引起相關(guān)學(xué)者重視和關(guān)注。

(3) 隨著(zhù)科技技術(shù)的發(fā)展，采空區地表沉陷監測技術(shù)、預測方法不斷更新?lián)Q代，現有礦區地表沉陷監測方式，通常使用多個(gè)單一監測手段對整個(gè)采空區展開(kāi)大范圍監測，存在數據來(lái)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(lái)源數據進(jìn)行綜合性、關(guān)聯(lián)性分析?；凇熬?地-空”聯(lián)合監測手段的大范圍地表沉陷災害監測方法的提出對實(shí)現地表沉陷數據的實(shí)時(shí)采集、分析、動(dòng)態(tài)預測具有重要意義。