0 引 言
我国90%以上的煤炭产量产于井工开采[1]，因开采强度与规模的加大使采煤区地面塌陷严重。平均每采出10 kt原煤其土地沉陷面积为0.2 hm2；沉陷面积已达135万hm2，并以7万hm2/a的速度递增[2]。采煤沉陷后陆地生态环境变为水生生态环境，形成大面积采煤沉陷积水区[3]，导致耕地减少、建(构)筑物损坏、植被破坏、水土流失及水气污染等问题。而加强采煤沉陷相关研究是解决当前生态环境与景观破坏问题的重要途径。随着国家“十三五”规划对“全面推进采煤沉陷区改造转型”的明确、《采煤沉陷区综合治理专项管理办法(试行)》的颁布、国家发改委对33个重点采煤沉陷区治理工程实施方案的批复、采煤沉陷区综合治理部际联席会议制度建立的审批及2018年中央财政对采煤塌陷区转移支付等重大举措，促使采煤沉陷相关研究成为国内学者的研究热点，促进矿区经济、社会和生态的可持续发展。
当前已有采煤沉陷相关研究是以挖掘具体研究方向的文字型为主，未能直观表明采煤沉陷相关研究的时空分布、知识网络的研究热点、研究前沿及发展趋势。文献计量学是研究文献情报分布结构、数量及变化规律等的科学工具[4]。Citespace软件对一定时期内某研究领域的全部文献进行全面精准的可视化分析，挖掘出文献大数据中蕴含的潜在知识[5]。笔者以CNKI 数据库中的与“采煤沉陷区、采煤塌陷区、采煤沉陷、采煤塌陷、沉陷区、塌陷区、沉陷地或塌陷地”的主题相关文献为数据源，利用Excel和Citespace对检索的与采煤沉陷相关文献开展时间分布与合作分析、关键词共现分析及突现词检测，研究采煤沉陷领域的可视化，探讨研究动态及明确研究热点和前沿，以期为采煤沉陷的后续研究提供理论参考。
1 数据来源及方法
1)数据来源。检索数据库为CNKI，采集时间2018年8月25日，主题为“采煤沉陷区、采煤塌陷区、采煤沉陷、采煤塌陷、沉陷区、塌陷区、沉陷地或塌陷地”，期刊类型为SCI、Ei和核心，时间为1992—2018年，共1 463篇文献。通过人工检阅去除会议纪要及与检索主题相关度较低的文献，筛选出1 371篇。数据下载方式采用全记录、Refworks和引用的参考文献格式。
2)研究方法为文献计量学。Citespace软件是利用共引分析、寻径网络算法和Java对某一领域文献开展计量，并能对学科领域演化的关键路径和知识拐点、学科演化潜在动力机制及学科发展前沿的分析与探测的信息知识图谱的可视化软件[6]。笔者利用Excel和Citespace软件对文献进行数据格式转换，时区、节点类型、阈值、剪枝、功能及可视化方式等配置参数确定，网络结构及聚类清晰度判断及数据挖掘和计量分析等处理，总结出采煤沉陷相关研究的时间与主要科研力量及平台的分布特征、知识基础、前沿热点及发展趋势。
2 结果与分析
2.1 发文数量时间分布特征分析
文献计量学利用科技文献的增长与老化规律揭示某研究领域的发展历程[7]。发文数量的时间统计分析反映该领域的发展状况，对预测其研究前景提供一定参考。国内采煤沉陷相关研究的发文数量经历了平稳起步探索—加速发展—稳定发展3个阶段(图1)，整体为先平稳式发展到陡坡式增长再趋于微浮动稳定发展，表明国内学者对采煤沉陷相关研究的不断深入及重视。
1992—2001年文献出版数113篇，出版文献速率为12.56篇/年；处于提出问题、总结理论基础及形成该领域基本概念的平稳起步探索阶段。1989年《土地复垦规定》正式实施、1995年《土地复垦技术标准》(试行)和1998年《土地管理法》的颁布均为采煤沉陷相关研究的理论探索与初创提供了法律条文与标准的支持。该阶段主要侧重于采煤塌陷动态演变规律及治理[8]、塌陷预测及精度分析[9]、开采沉陷对耕地环境影响研究[10]、复垦技术与开发利用模式[11-12]、复垦环境经济分析[13]与生态环境治理途径等内容的探索。
图1 采煤沉陷相关研究的文献出版数量(1991—2018年)
Fig.1 Quantity of published papers on coal mining subsidence research from 1991 to 2018
2002—2008年文献出版数314篇，年均出版文献数39.25篇，分别是平稳起步探索阶段的2.78和3.13倍；其以10.57篇/年的增长速度使采煤沉陷相关研究处于加速增长阶段，与2000年首届国际土地复垦与生态重建学术研讨会的召开、2001年国家投资开发整理项目的实施、2006年国务院七部委《关于加强生产建设项目土地复垦管理工作的通知》的发布和2007年《关于组织土地复垦方案编报和审查有关问题的通知》的出台等背景相吻合，推动了采煤沉陷区的沉陷数值模拟[14]、变形机理[15]及稳定性综合监测与评价[16]，复垦材料、时机、土壤剖面构造与标高设计及土壤质量[17-18]，以及土地质量空间变化[19]、水域环境现状评价[20]、煤粮复合区耕地损毁及其影响[21]、综合治理费用区域经济影响[22]及生态修复对策[23]等研究内容的发展，实现理论奠基的完善和大量实证研究的发表，表明该期间采煤沉陷相关研究的热度不断上升。
2009—2018年文献出版数944篇和年均出版文献数94.40篇，分别是平稳起步阶段的8.35和7.52倍，及加速发展阶段的3.00和2.41倍；以2.50篇/年的增长数使国内采煤沉陷相关研究进入一个稳定发展的阶段；2011年《土地复垦条例》和2016年《采煤沉陷区综合治理专项管理办法(试行)》的颁布及2017年重点采煤沉陷区治理工程实施方案的批复等国家政策的支持相吻合；关注于采煤沉陷区中土地生态质量评价模型及动态变化[24]、动态沉陷区建筑复垦技术[25]、边采边复动态复垦[3]及引黄河泥沙充填复垦技术[26]、沉陷积水区水体化学特征及影响因素[27]、土地沉降预测模型[28]、土壤与植被损害过程及机理分析[29]、动植物群落结构[30]及生物量的反演[31]等，重视解决采煤沉陷与生态演变规律、煤炭开采引发的沉陷区地表土壤水分特性及生物量的影响、适生群落结构的构建、次生湿地与土壤重构、微生物修复技术及采煤沉陷区公共服务平台等的研究。随着2018年中央财政部对采煤塌陷区转移支付55.12亿元和第二批重点采煤沉陷区综合治理工程实施方案的批复等举措的实施，其必提升对采煤沉陷研究重视程度。
2.2 主要研究力量及平台
2.2.1 发文机构合作分析
在发文机构力量的对比中(图2)，节点大小与发文量成正比，节点与科研机构一一对应。其中，中国矿业大学环境与测绘学院、中国矿业大学(北京)土地复垦与生态重建研究所和安徽理工大学地球与环境学院以发文比分别为5.84%、3.57%和3.43%成为该领域的核心科研机构力量，其余机构发文比均低于2.00%。统计发文量前20位的一级科研机构情况(表1)，发现其主要由高校、重点实验室和科研院组成，且中国矿业大学、中国矿业大学(北京)和安徽理工大学以9.34%、6.43%和5.11%的发文比成为主导力量；发文机构主要集中于安徽、江苏、北京、内蒙古、山西等矿产资源型地区。
图2 机构合作网络图谱
Fig.2 Network map of institutional cooperation
2.2.2 发文作者合作分析
分析发文作者合作的知识图谱(图3)可知，发文最多的作者是中国矿业大学(北京)土地复垦与生态重建研究所的胡振琪(44篇)，严家平、肖武、毕银丽和易齐涛等学者为采煤沉陷相关研究的发展做出了贡献；作者间合作年份及关系紧密程度可用作者间连线的不同颜色和粗细程度表征，形成了1个比较明显的科研合作圈，即以胡振琪、肖武、赵艳玲、陈永春、郑刘根、范廷玉、严家平、徐良骥、易齐涛、李慧等为代表的联合中国矿业大学(北京)土地复垦与生态重建研究所、淮南矿业(集团)有限责任公司、安徽大学、安徽理工大学和中国水利水电科学研究院的“高校-企业-研究院”式的科研合作圈。各科研合作圈内部连线较紧密，存在较强的合作关系；主要关注于采煤沉陷引起的耕地损毁程度、复垦技术与治理对策、复垦管理模式、沉陷区水环境和土地利用动态监测、土壤特性空间分布、水质特征及湿地保护、底泥重金属分布特征、煤矸石复垦条件、地表拉张裂隙形成与演化特征、公共服务平台建设及综合治理思路等方面的研究。
表1 发文量前20位的一级科研机构
Table 1 Top 20 first-level scientific research institutions on number of papers published
序号机构发文数占比/%序号机 构发文数占比/%1中国矿业大学9.3411江苏省资源环境信息工程重点实验室1.092中国矿业大学(北京)6.4212中国地质大学0.883安徽理工大学5.1113国土资源部土地整治重点实验室0.664河南理工大学2.0414陕西省地质环境监测总站0.585内蒙古农业大学1.9015太原理工大学0.586山西农业大学1.9016煤炭资源与安全开采国家重点实验室重庆研究中心0.587北京科技大学1.8217中煤科工集团唐山研究院有限公司0.518西安科技大学1.6818煤炭科学研究总院唐山研究院0.519煤矿生态环境保护国家工程实验室1.2419国土环境与灾害监测国家测绘局重点实验室0.4410安徽大学1.1720河北理工大学0.36
图3 作者合作网络图谱
Fig.3 Network map of author cooperation
2.2.3 发文期刊
国内刊载采煤沉陷相关研究的文献前20位的期刊及其影响力如图4所示。前20位期刊刊载文献数占总文献数的49.96%，其中Ei是128篇，占前20位期刊刊载文章的18.69%。前20位期刊刊载的采煤沉陷文献均不低于18篇，均不低于总文献数的1.31%，期刊综合影响因子不低于0.26。刊载该领域文献不低于30篇的期刊为《金属矿山》《中国矿业》《煤炭学报》《煤炭工程》《中国煤炭》《煤炭科学技术》《煤炭技术》和《农业工程学报》，其刊载文献数分别为69、59、56、56、49、45、44和30篇；而期刊影响因子不低于1.00的是《煤炭学报》《农业工程学报》《中国矿业大学学报》《煤炭科学技术》《岩土力学》《水土保持学报》《水土保持研究》和《中国岩溶》，其综合影响因子依次为2.315、2.128、2.042、1.934、1.669、1.493、1.315和1.206。结合期刊综合影响因子及该领域的发文数量，筛选出影响力较大的期刊有《煤炭学报》《中国矿业大学学报》《煤炭科学技术》和《农业工程学报》等，为采煤沉陷区相关研究成果的展示与传播提供了平台。
图4 主要期刊及其影响力
图4 Major journals and their influence factors
2.3 研究热点、前沿及发展趋势
研究主题的分布与演化可直观体现不同时序内的热点领域、分析视角及研究方法的变化，高频关键词可揭示研究热点与前沿[32]，具有突现性的关键词可反映该领域的在某一时间段的研究前沿及趋势[5]。因此，笔者以关键词共现分析辨别出采煤沉陷领域的主要研究方向、热点及主题结构的发展变化。
2.3.1 研究热点
运用Citespace软件对文献中的关键词和高频次的名词短语进行聚类分析，获取采煤沉陷区领域的研究热点知识图谱。关键词的频次反映其在该领域的重视程度，而中心度反映其在整个关键词共现网络中的重要性。取出现频次和中心度分别为前15位的关键词(图5)，土地复垦和采煤沉陷区出现频次相当，而采煤沉陷区的中心度0.22高于土地复垦的中心度0.06，即对两者的重视程度相当，采煤沉陷区在该领域关键词的共现网络中重要性高于土地复垦，但土地复垦是采煤沉陷区综合治理与生态修复的关键途径。中心度高于0.25的关键词有复垦(0.49)、煤矿(0.33)、稳定性(0.29)、采煤塌陷地(0.28)和综合治理(0.26)，其出现频次为43、31、10、42和19次。出现频次和中心度均位于前20位的关键词有采煤沉陷区、开采沉陷、采煤塌陷、复垦、采煤塌陷地、煤矿、地面塌陷和地表沉陷，其出现频次和中心度均不低于23次和0.15。这些节点在该领域知识图谱的网络结构中处于较重要的位置，是该领域研究方向扩展的重要媒介。采空区较高的出现频次和中心度是因在沉陷土地损毁监测及复垦技术、采煤对农田景观格局影响与复垦还田综合治理等背景中广泛提及的缘故。
图5 出现频次和中心度前15位的关键词
Fig.5 Frequency and centrality of top 15 keywords
选择LLR对聚类群组命名获取聚类图谱，得关键词节点230个，连线308条；Modularity Q和Mean Silhouette分别为0.82和0.71，满足Modularity Q值[0.4,0.8]和表征聚类内部相似程度的Mean Silhouette值[0,1]合格范围要求。表明采煤沉陷相关研究内容广泛，主题丰富，各聚类间相似度较高，形成了14个聚类：采煤塌陷地、塌陷、采煤沉陷、稳定性、地表沉陷、景观过程、采煤塌陷区、重金属元素、沉陷、综合治理、无人机、塌陷区、开采沉陷和采煤沉陷地。
2.3.2 研究前沿及发展路径
笔者利用Citespace软件的对关键词共现分析结果进行Citation/Frequency Burst突现检测，而获突现词出现的起止时间段及突现度信息，结合图6中关键节点间随时间迁移的关联情况，将采煤沉陷相关研究分为3个阶段(图6)。
1)1992—2008年为起步与平稳发展阶段，出现了“土地复垦、综合治理、塌陷、塌陷区、复垦、防治措施和煤矸石”这7个突现度均不低于3.45的突现词，亦出现了大量的出现频次和中心度较高的关键词，体现采煤沉陷区研究领域形成与向外拓展的特点。1993—2004年期间，塌陷区的突现度最高，达到了6.94，其出现频次和中心度(71，0.14)也处于较高水平，而复垦以6.59的突现度仅次于塌陷区，但其中心度是塌陷区的3.50倍；综合治理出现频次和突现度均低于土地复垦，但其中心度比土地复垦高了0.20；表明塌陷区综合治理和复垦一经提出就得到了国内外学者的重视，侧重于采煤塌陷现状、演变规律及综合治理、复垦技术及复土造田土地利用变化等研究。随着研究领域的深入拓展，出现了突现词的增加和突现度的均衡化特征，采煤沉陷相关研究衍生出不同的研究分支，有利于实现学科交叉而提升自身研究范畴，处于加速发展阶段。如2003—2008年期间，塌陷、防治措施和煤矸石以较高的突现度为该时间段内整个知识图谱网络的中心节点，采煤沉陷区、数值模拟和生态修复等关键词以中心度高于0.1成为重要节点；关注于沉陷数值模拟、损毁程度预测、复垦模式与成效、水土环境及生态修复措施等研究。
图6 各阶段关键词频次、中心度及突现词统计
Fig.6 Statistics of keyword frequency,centrality and burst keywords in different stages
2)2009—2013年，塌陷地和采煤塌陷区分别以6.18和4.88较高的突现度成为该阶段的研究前沿，该阶段中心度高于0.1的关键词有6个，较1992—2008年阶段少了15个，故而该阶段采煤沉陷相关研究处于平稳运行发展深化阶段。采煤沉陷地和土壤以高于0.2的中心度成为该阶段知识网络中重要节点，概率积分法、GIS、层次分析法、防治措施、塌陷水域和边采边复技术以较高的出现频次或较高的中心度的特点成为研究节点；该阶段主要围绕采煤沉陷开展沉陷过程中或复垦前后的土地生态质量评价及动态研究、地表环境动态变化、沉陷积水区水土化学特征及影响因素、湿地构建与规划技术等内容的研究，重视解决采煤沉陷或复垦与生态演变规律的研究。该阶段研究更集中并更偏向于综合治理、治理质量的提升和新复垦技术的研究。
3)2014—2018年，采煤沉陷区相关研究中未突现出新的研究前沿，表明该领域经历了1992—2008年和2009—2013年2个阶段的发展、推广和活跃期后，采煤沉陷相关研究进入酝酿和深化前期研究内容的稳定发展阶段；充填复垦和土壤水分以该阶段前2位的出现频次和中心度成为知识网络中重要节点，该阶段主要重视采煤沉陷区充填复垦技术材料的优选、泥沙充填复垦技术机理与模式[33]、沉陷区土壤水分特征及其对植被生长的影响等研究的深化，逐渐转向采煤沉陷区湿地研究，这与国家“十二五”规划科技支撑有关，属于成果发表阶段。无人机[34-35]以较高的出现频次成为采煤沉陷相关研究的重要搭载平台，治理模式和积水承载力在该阶段有较高的中心度，在对采煤沉陷区中地质环境灾害、沉陷损毁情况、开采计划、生态环境及社会需求等情况调查的基础上，利用沉陷地地貌重建、废弃建筑物拆迁、矸石清理填埋、土地复垦、边坡修整、植草绿化等工程技术，按照“宜农则农、宜渔则渔、宜建则建”的因地制宜的综合治理原则，发展农林复垦模式、水产养殖和水库蓄水模式、城镇建设模式、生态建设模式和新能源产业模式等综合治理模式的研究与实践。随着国家对采煤沉陷区综合治理政策的实施和十九大报告对生态文明建设和绿色发展的高度重视，采煤沉陷区综合治理与生态修复的研究成为今后的研究重点与前沿。
3 结论与展望
基于Excel和Citespace对国内采煤沉陷相关研究的文献进行计量分析，展示了27年间该领域研究的时空分布、研究热点、研究前沿及发展趋势。结论如下：
1)根据发文数量，国内采煤沉陷区领域经历了平稳起步探索—加速发展—稳定发展3个阶段，表明该领域逐渐受到国内学者的重视，国家“十三五”规划对全面推进采煤沉陷区改造转型的重视，促使采煤沉陷相关研究成为研究热点。
2)分析主要科研力量与平台，明确了以高校、重点实验室和科研院为主的研究机构力量，确定了以中国矿业大学、中国矿业大学(北京)和安徽理工大学以高校为主导的研究机构力量；形成了1个比较明显“高校-企业-研究院”式合作紧密的科研合作圈；筛选了该领域国内影响力较大的中文期刊用于研究成果的展示与传播。
3)通过关键词共现识别出“采煤沉陷区、采煤塌陷和复垦”等研究热点，形成了采煤塌陷地、采煤沉陷和综合治理等14个聚类，该领域研究内容广泛主题丰富。
4)根据关键词共现分析结果的突现检测将采煤沉陷领域研究前沿分成3阶段，即1992—2008年为起步与平稳发展阶段，2009—2013年为平稳运行发展深化阶段和2014—2018年为酝酿和深化前期研究内容的稳定发展阶段；并对研究前沿及重点内容进行总结分析。
5)未来的研究中需关注：①在政策上，加强采煤沉陷区综合治理政策的制定与精准落实；②在研究数据上，开展全国采煤沉陷区基本情况的调查研究；③在理论研究上，推进采煤沉陷区综合治理与生态修复关键技术体系的研究及仿自然地貌重塑与自然修复等理念的应用；④在行业标准上，编制采煤沉陷区综合治理与生态修复的规划、相关机制和标准。
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