余伟健,王卫军,黄文忠,吴 海
(1.湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室,湖南湘潭 411201;2.湖南科技大学能源与安全工程学院,湖南湘潭 411201;3.丰城曲江煤炭开发有限责任公司,江西丰城 331136)
YU Wei-jian1,2,WANG Wei-jun1,2,HUANG Wen-zhong3,WU Hai1,2
(1.Hunan Provincial Key Laboratory of Safe Mining Techniques of Coal Mines,Hunan University of Science and Technolgy,Xiangtan 411201,China; 2.School of Energy and Safety Engineering,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,China;3.Qujiang Coal Developing Co.,Ltd., Fengcheng 331136,China)
高应力软岩巷道变形与破坏机制及返修控制技术
余伟健1,2,王卫军1,2,黄文忠3,吴 海1,2
(1.湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室,湖南湘潭 411201;2.湖南科技大学能源与安全工程学院,湖南湘潭 411201;3.丰城曲江煤炭开发有限责任公司,江西丰城 331136)
针对高应力软岩巷道的大量变形与破坏问题,以江西曲江煤矿-850 m水平运输大巷为例,研究了变形机理和返修控制技术。首先,对该大巷的变形及破坏情况选取7个具有代表性的地段进行现场调查,发现变形与破坏形式主要包括两帮内挤、侧墙张裂、U型钢棚架弯曲或折断、底板鼓起和顶板垮落等;进行了X衍射实验和围岩内部变形结构的现场窥视,表明该巷道围岩含泥质矿物较多,松动圈较大(4 m左右)。然后,采用巴顿分类Q值、地质力学RMR值和松动圈估计值等将-850 m水平运输大巷的各调查段巷道稳定性归为Ⅴ,Ⅳ和Ⅲ类,相应地将这3类巷道称为垮冒巷道、特殊巷道和标准巷道,并给出了初步支护方案。最后,借助于工程类比、围岩分类、截面面积校核和提出的锚固段长度经验公式等方法得到了返修巷道锚索(锚杆)的长度、间排距、强度、直径和锚固段长度等主要参数。由此,-850 m水平运输大巷试验段巷道选取了“锚杆、金属网、喷浆、锚索、注浆和底板锚索”的综合支护方式。应用表明:经过147 d,巷道两帮收敛量最大值仅为66 mm,顶底板移近量最大值仅为119 mm,监测后期的收敛速率均小于1 mm/d,处于稳定状态。
高应力;软岩巷道;变形机理;返修;支护设计
高应力软岩巷道的大变形机理及控制是目前各煤矿进入深部开采所面临的不可避免也是非常重要的科学问题之一,因此,国内外许多工程技术人员和专家学者对其进行了研究,取得了较多成果,例如:在支护设计上提出了非线性及耦合设计和分步联合支护[1-4];在控制技术上提出了预留刚隙柔层支护,注锚加固和锚喷注支护,拱形叠加底拱全封闭工字钢支架,高强度耦合支护技术和刚柔耦合动态加固技术[5-9];在理论上提出了主动有控卸压控制原理和深部软弱围岩叠加拱承载体强度理论等[10-11]。但从许多矿区深部巷道(特别是服务年限较长的主运输巷道或硐室)的使用情况来看,仍有大量巷道工程需要进行返修,维护费用成倍增大,而且极大地影响了矿井的正常生产。
江西曲江煤矿-850 m水平运输大巷是典型的深部高应力巷道[12],围岩变形大,持续时间长,整条巷道进行了多次返修工作,但仍不能从根本上解决问题,阻碍了深部水平煤层的大力开发,这对于本来就缺乏煤炭资源的江西是非常不利的。纵观国内外,目前关于返修巷道的控制,大多以“锚杆+锚索”联合支护为主,采用注浆(锚注)、U型钢支架、钢梁桁架等进行加强支护[13-18]。这些技术在现场应用取得了较好的效果,为煤炭科技进步、提高生产率和改善施工环境发挥了重要作用。但随着开采深度的继续加大,这些技术如何组合、参数如何优化及施工如何实施是关系到支护效果的关键。
因此,本文主要针对高应力软岩大变形巷道,以曲江煤矿为例,研究其变形机理,并提出返修支护设计过程及技术。
1.1 巷道工程
曲江煤矿-850 m水平运输大巷埋深886 m,巷道围岩的岩性为泥岩或粉砂质,呈灰黑色、薄~中厚层状,并间夹着薄层状泥岩及细砂岩条带,含少量菱铁矿结核。该地层产植物根茎化石,节理发育,钙泥质胶结,硬度中等偏低。具体柱状图如图1所示,-850 m水平运输大巷布置在第3层岩层当中。对工程影响较大的有DF4,DF5,DF9和BF1等正断层,落差为0~50 m。
图1 曲江煤矿-850 m水平岩体柱状图Fig.1 Rock mass histogram of-850 m level in Qujiang Coal Mine
-850 m水平运输大巷为半圆拱形,净宽×净高= 4.4 m×3.5 m。主要支护形式及参数如下:-850 m运输大巷采用锚、梁、网、索、喷组合支护,支护材料为等强度螺纹钢ϕ20 mm×2 000 mm的锚杆,铁丝网,梯子梁,锚杆间排距为700 mm×700 mm;每根采用2卷树脂锚固剂锚固,锚固剂型号K2335,网为8号铁丝机编菱形网,网的规格(长×宽)为3.6 m×1.9 m,网间搭接100 mm以上,并用14号铁丝每隔20 mm绑扎;梯子梁ϕ10 mm×80 mm;喷浆所用水泥为425号普通硅酸盐水泥,厚度为100 mm。
1.2 巷道变形及破坏情况
为-850 m水平运输大巷的延伸段掘进与返修的加固提供依据,对该巷道变形与破坏情况进行了调查,发现围岩的主要变形与破坏有如下几种形式:
(1)由于水平侧压力大,引起两帮内挤严重,导致侧墙张裂严重。当两侧墙间的收敛值超过50 mm后,侧墙向内鼓进,出现纵向张裂。同时,当拱顶挤碎或剪断、内挤张裂的同时,支护拱顶向上变成尖桃形或在拱心部位剪碎。如果两帮变形大,会最终导致片帮严重,喷层与围岩之间形成空腔,钢筋网强烈扭曲、喷锚挂网扭曲或被拉断,喷层破碎成许多小块,围岩被挤出而外露,如图2所示。
图2 两帮变形实物Fig.2 Deformation situation of sides
(2)巷道顶部的变形破坏。处于高应力作用下,当巷道顶部因上覆岩层压力大而发生较大下沉,可使锚杆、混凝土喷层、混凝土衬砌甚至可缩性钢棚架部分或完全失效而破坏;另外,由于在水平挤压力的作用下,拱顶向上产生较大位移,同样使巷道支护因不适应这种大位移而发生破坏。而且由于两帮移近量较大导致的拱顶尖桃形破坏明显。具体变形实物如图3所示。
(3)底臌引起的底板和底角破坏。在强大的压力作用下,在未封底或设置仰拱的围岩产生较大的底臌变形,巷道的底臌量大于500 mm,甚至达1 000 mm,导致巷道两侧不平严重者使混凝土底板发生强烈破坏,表现为混凝土底板从中部或两端被掀起。而在封底或设置仰拱时,在高应力作用下,表现为巷道底角移近量大,全断面拱架底部鼓起而变形、弯曲破坏。具体如图4所示。
(4)岩体碎胀变形严重,导致部分巷道拱顶及两帮围岩松散,常发生垮冒、垮落和较大范围的片帮。在高应力和时间双重因素的影响下,所产生的碎胀压力不断向支护结构体施加荷载,最终导致支护结构体产生大变形;同时,随着时间的增长,围岩扩容的范围也在不断扩大,当达到某一值后,支护结构再也承受不了这种压力而产生破坏,导致松动岩体产生大面积片帮、垮落,甚至垮冒等现象。如图5所示。
图3 顶板变形实物Fig.3 Deformation situation of roof
图4 底板变形实物Fig.4 Deformation situation of floor
1.3 围岩特性及内部变形特征
通过X射线衍射仪对围岩矿物成分进行了分析,结果见表1。可知,该巷道围岩含高岭石和云母等黏土矿物较多,遇水后极易软化、泥化,严重影响巷道的稳定,强度较低。
在-850 m水平运输大巷进行了窥视孔的试验,结果表明在两帮孔口到孔内70~90 cm的岩体完整,在70~150 cm的范围内极为破碎,在100~310 cm内较为破碎,在300~410 cm范围内有裂隙产生, 410 cm后岩体整体性较好,这说明松动圈在4 m左右。结果如图6所示。
图5 拱顶发生垮冒Fig.5 Collapsing of vault
表1 曲江煤矿-850 m水平运输大巷围岩矿物成分Table1 Mineral composition of-850 m level rock mass %
图6 曲江煤矿-850 m水平运输大巷围岩窥视结果Fig.6 Results of internal failure detection test
2.1 巷道失稳原因及机理分析
根据现场调查,造成-850 m水平运输大巷变形和破坏程度严重的主要原因为以下5个方面:
(1)工程地质条件差,围岩极不稳固。该巷道岩体不仅节理裂隙发育,而且蚀变强烈,裂隙内充填含有膨胀矿物的黏土,表现为岩体遇水膨胀,岩体整体强度低,在应力作用下,表现出显著的碎胀蠕变特性。
(2)埋藏深度大,巷道围岩所受压力大。-850 m水平运输大巷埋深约为886 m,垂直地应力超过22 MPa。这表明巷道处于高应力环境中。调查发现,巷道许多地段的拱顶在水平应力作用下,形成明显的2条剪切破碎带;而且许多地段在开挖支护不到2个星期,收敛变形达500mm,底臌最大达1 000 mm,U型钢拱架严重变形或折断,锚杆垫板受拉后,脱离锚杆的现象随处可见,这是巷道变形地压大,围岩碎胀蠕变特性显著的重要显现。
(3)设计支护形式不能适应围岩变形要求。-850 m水平运输大巷设计不仅沿用传统的支护形式、断面形状,而且支护参数均非常单一,限于喷锚网索和U型钢支护,这显然不能适应深部巷道地压与围岩变形特性。
(4)无变形监测及信息反馈,缺乏对支护设计的合理评价与施工过程的调整。对于处于高应力环境中-850 m水平运输大巷工程,基本上没有在施工中采取变形监测,更没有对围岩稳定状况进行及时反馈,因此,支护参数和二次支护时间得不到合理的调整和确定。
(5)施工管理不严,施工质量难以保证。施工所雇劳务队技术力量薄弱,质量意识不强,对施工用料质量把关不严,施工过程控制不够,以致于出现喷层厚度不够、不均,光爆效果不好,超宽超挖现象时有发生;另外,由于铲运设备影响,运料出毛不及时,不能及时进行二次支护。
因此,根据现场调研和观测,曲江煤矿-850 m水平运输大巷虽然采用“螺纹树脂锚杆+喷混凝土”的支护技术,甚至是U型钢拱支架,但围岩变形仍然很大。
2.2 巷道围岩稳定性评价
-850 m水平运输大巷围岩的岩性为泥岩或粉砂质,岩体破碎,并受到DF4和DF5等多条断层的影响,为了对该巷道进行返修支护技术提供依据,根据现场窥视和调查等分析结果,将所调查的地段围岩进行了工程地质评价,得到稳定性的初步评价,具体见表2。
表2 曲江煤矿-850 m水平运输大巷围岩稳定性初步评价Table 2 Surrounding rock stability preliminary evaluation of-850 m main haulage way
3.1 高应力软岩大变形返修巷道分类
返修巷道的支护设计,支护参数与施工工艺与新掘巷道有所不同,要考虑返修巷道的特点,采取相应的对策,具体见表3。在此,主要说明如下3点:
(1)长锚索支护参数不能再采用新掘巷道围岩分类,确定巷道支护参数。由于返修巷道存在上述的原因,所以对返修地段的支护设计,应根据围岩的松动范围来确定锚索的长度。
表3 返修巷道类别及支护建议Table 3 Stability category and supporting projects of rework roadway
(2)应采用预紧力锚杆和锚索,减小围岩的松动变形。对于已经发生充分变形或过量变形的围岩,预紧力显然是重要的。新掘巷道虽然在有些情况下也需施加预紧力,因为要考虑到应允许新掘巷道一定的变形释放地压。但是,由于返修巷道已经不能再允许变形,所以无预应力锚杆的加固效果必然较差。
(3)采取壁后注浆,提高已破碎围岩的自身承载能力。因此,根据巷道围岩工程地质条件与破坏情况,返修巷道按其稳定性与支护强度可归类为3种类型的巷道:
①垮冒巷道(Ⅴ类)。由于地质条件较差,加之施工不合理,导致围岩过量变形已发生垮冒,返修时应专门处理。
②特殊巷道(Ⅳ类)。该地段巷道虽然还没有发生垮冒,但是,如果返修扩帮扰动,处理不及时,极大可能导致巷道垮冒。因此,在返修时应特别加以注意,必要时要采取一些特殊措施,以防发生垮冒。
③标准巷道(Ⅲ类)。除了上述2种情况之外的都属于标准巷道。该地段的巷道虽然存在时间较长,围岩也产生有害的松动变形,但围岩工程地质条件相对较好。因此,围岩相对较为稳定。
3.2 返修巷道支护设计基本方案
根据对返修巷道的地质条件分析、地压显现特征调查以及巷道破坏形态的研究,并借鉴巷道支护设计研究成果与工程经验,同时考虑到施工工艺简单易行,便于管理,返修巷道采取“预应力锚索+锚喷网+注浆”。该支护方案由以下几个部分组成:
(1)高强度预应力锚索。高强度预应力锚索是此次变形巷道返修的核心。长锚索是考虑到-850 m水平运输大巷的地压大、岩性差,围岩的松动圈和塑性圈较大,仅靠2.0 m的短锚杆支护难以控制围岩变形,常出现“围岩走、锚杆也走”的情况。因此,必须采用长锚索,将已经松动的围岩悬吊在深部较稳定的围岩上;同时,施加高强度预紧力,从而提高围岩的整体稳定性。锚索的强度由原来的ϕ15.24锚索更换成ϕ17.8锚索。
(2)高预紧力锚杆与锚喷网。提高锚杆的强度和预紧力,达到高预紧力锚杆与锚喷网的联合支护。其目的在于在松动的围岩巷壁形成一刚柔兼有的壳体,将松动岩体悬吊在深部较稳固的围岩上。
(3)底板连体锚索。在某些地段巷道,当帮壁和顶板得到加固后,底板就成了巷道结构的薄弱部位。为了控制底臌,建议采用底板连体锚索支护技术,即底板锚索采用高强度钢带连接起来,形成一个整体。
(4)壁后注浆。由于返修巷道围岩严重碎裂,松动范围大,岩石块体之间缝隙大,摩擦与镶嵌作用及抗拉、抗剪强度已基本丧失。因此,可采用围岩注浆使裂隙得到充填胶结,使松动圈转变为岩石承载圈,加强支护与围岩的相互作用。
3.3 两类返修巷道支护特殊处理
(1)垮冒巷道(Ⅴ类)的预处理。对于已经发生部分垮冒的巷道(即稳定性类别为Ⅴ),应首先采用U型钢或整浇混凝土支护修复成型后,再进行壁后注浆充填,最后采用长锚索或锚杆补强支护。
(2)特殊巷道(Ⅳ类)。由于特殊巷道潜在着垮冒的可能,因此,在特殊巷道扩帮剥皮返修时,除了应引起足够重视外,还要采取一些必要的预防措施,如预先可架设U型钢支架。
4.1 返修巷道锚索与锚杆参数的设计依据
锚索和锚杆的设计涉及选择如下参数:长度、间排距、强度、直径及预紧力。
(1)长锚索长度L。返修巷道的长锚索长度参考松动范围确定。表3给出了返修巷道围岩松动圈范围的估计值。
(2)长锚索间排距r×l。借助于国内外支护设计经验准则来确定锚杆(索)间排距。国内众多的工程经验认为,确定锚杆参数时可按锚杆长度与间距之比为1.5~2.0选取。施工中常采用的间距是0.6~1.5 m。锚杆的排距一般与间距相同,有时也可稍大于间距。
基于上述经验准则,并考虑到实际巷道的情况,确定了返修巷道和新掘巷道的锚索和锚杆的支护参数(表4)。
4.2 锚杆截面面积计算与理论校核
锚杆和锚索预应力筋的截面面积选取为
式中,A为锚索或锚杆预应力筋的截面面积,mm;K为锚索或锚杆安全系数,取1.5;Nt为锚索或锚杆设计荷载,N;η为锚具效率系数,一类锚具0.95,二类锚具0.90;fptk为预应力钢材的强度,MPa。
根据式(1)和表4中的锚固张力设计预应力,可以计算不同类型的巷道锚杆(索)的直径(表5)。
表4 不同类别的巷道及支护参数Table 4 Supporting parameters of-850 m main haulage way
表5 锚索和锚杆的预应力与直径的关系Table 5 Relationship between pre-stress and diameter of anchor and bolt
4.3 锚索与锚杆锚固段长度的确定
锚固段是锚索锚固于岩体内借以提供预应力的部分,其长度可按式(2),(3)计算,选其中最大值。
其中,La为按锚固剂与预应力筋黏结力计算的锚固段长度,mm;K取1.5;n为预应力筋根数;d为预应力筋直径,mm;τa为锚固剂与预应力筋间的黏结强度,MPa;Lb为按锚固剂与钻孔岩壁黏结力计算的锚固段长度,mm;D为锚索钻孔直径,mm;τb为锚固剂与钻孔岩壁之间的黏结强度,MPa。根据公式可计算出锚索与锚杆的锚固长度,见表6。
表6 锚索与锚杆的锚固长度计算Table 6 Anchorage length of anchor and bolt
5.1 支护方案
针对-850 m水平运输大巷围岩变形特点,选择了该大巷东向延伸段进行了工业型试验。根据表2中进行稳定性评价得到,该段岩体属于Ⅳ类级别。选用了“锚杆、金属网、喷浆、锚索、注浆和底板锚索”综合支护方式。根据锚固参数工程类比与理论校核原理,可得到如下的主要支护方案及参数:
(1)锚杆支护参数。锚杆选用ϕ22 mm,L= 2 500 mm旋无纵筋普通螺纹钢锚杆。每根锚杆使用3卷K2350树脂锚固剂,锚杆间排距为800 mm× 800 mm,如图7(a)所示。
(2)锚索支护。锚索为ϕ17.8 mm的钢绞线,锚索长度L=7.3 m,如图7(a)所示,间距为1 600 mm,排距1 600 mm。锚固长度为2 000 mm。每根锚索使用4卷K2350树脂锚固剂。
(3)喷锚网参数。钢筋网采用双层预制焊结片网,但网筋的铺设分次进行,一次是与锚杆配合使用,形成第1次锚喷网支护,一次与长锚索和ϕ12 mm的钢筋梯子梁配合,形成永久支护层。金属网为ϕ6 mm,网格100 mm×100 mm,规格为1 000 mm× 800 mm。喷射混凝土的厚度为100~120 mm。
(4)底板连体锚索支护。对于稳定性等级为Ⅳ类的底臌严重巷道,底板还需用底板连体锚索。底板锚索仍为ϕ17.8 mm,锚索长度设计为4.3 m,间距为2 400 mm,排距2 400 mm。每两根锚索采用高强度钢带连接起来。具体如7(a)所示。
(5)壁后注浆方案。注浆范围以帮壁为主,本次注浆采用3.5 m注浆孔,顶拱和两帮的间排距均为2 000 m×1 500 m。注浆布置如图7(b)所示。
5.2 数值模拟计算
原支护方案和修复支护方案的计算结果分别列于图8和9。进行原支护后,巷道两帮最大移近量为642.14 mm,顶底板最大移近量为756.12 mm,其中底臌为524.58 mm。经“锚杆、金属网、喷浆、锚索、注浆和底板锚索”支护后,巷道两帮最大移近量为203.27 mm,顶底板移近量为235.09 mm,底臌量仅为148.39 mm。
图7 试验段巷道支护与加固方案Fig.7 Supporting and reinforcement scheme of the test roadway
图8 原方案的数值模拟计算结果Fig.8 Numerical calculation results of original supporting
5.3 现场监测及支护效果
图9 修复方案的数值模拟计算结果Fig.9 Numerical calculation results of reworking supporting
采用十字交叉法对该段巷道的变形量进行观测,共布置了10个监测点,这里列出了其中1号和2号测点的结果。根据这些数据可得到监测时期之内的巷道收敛曲线,如图10所示。可知经过173 d的监测,1号测点两帮收敛量为69 mm,顶底板移近量相对较大,其值为122 mm;2号点两帮相对收敛量为52 mm,顶底板相对移近量为111 mm。其变形值都在可控制范围之内,到监测的后期各变形都趋于稳定,收敛速率均小于1 mm/d。因此,通过“高应力预应力锚索+注浆加固”二次支护能较好地控制巷道的大变形。
图10 试验段巷道围岩监测曲线Fig.10 Monitoring curves of test roadway surrounding rock
(1)曲江煤矿-850 m水平运输大巷属于典型的深部高应力软岩巷道,由于工程地质条件差,使原有巷道支护不能适应围岩大变形的要求而产生大量破坏。
(2)可将曲江煤矿-850 m水平运输大巷稳定性的类别归为Ⅴ,Ⅳ和Ⅲ类,表现为散体地压、变形~散体地压和变形地压。
(3)高应力返修巷道的支护设计原则应体现在以长锚索为主要支护型式的复合支护,适当提高巷道的支护强度,强调在底臌严重地段增加底板连体锚索;加强两次支护的联系,提高巷道一次支护强度和锚喷网支护的整体强度;采用壁后注浆强化围岩的整体性强度。
(4)返修巷道锚索与锚杆参数的设计依据应借助于工程类比和围岩分类的方法,可得到锚索(锚杆)的长度、间距、强度和直径等主要参数。
(5)现场试验表明,“锚杆、金属网、喷浆、锚索、注浆和底板锚索”修复方案能较好的抑制巷道变形,特别是采用底板连体锚索和注浆技术可较好地控制底板及两帮受高应力挤压引起的大变形。
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Deformation mechanism and rework control technology of high stress and soft rock roadway
Aiming at many problems about deformation and failure of high stress and soft rock roadway,the-850 m main haulage way of Qujiang Mine was taken as an example to study the deformation mechanism and rework control technology.Firstly,deformation and failure situations of seven typical sections in the roadway were surveyed,it is found that main deformation and failure forms include two sides’extrusion,side wall tensional fracture,U section steel distortion,floor heave and roof caving.Results of X diffraction experiment and internal failure detection test show that surrounding rock contains many argillaceous mineral and formed larger loose circles(about 4 m).And then,Barton Classification Q value,Geological Mechanics RMR value and Loose Circle value were used to classify stability of all surveyed roadway sections including V,IV and III class.These three class roadway classified accordingly into collapsedroadway,special roadway and standard roadway,and put forward respectively preliminary supporting projects.Lastly, engineering analogy,rock classification,section area checking and anchorage length calculation were adapted to analyze anchor or cable length of rework roadway,row&line space,strength,diameter and anchorage length.Therefore, the comprehensive support method with“bolt+metal net+gunite covering+anchor+grouting+floor anchor”was selected to rework-850 m main haulage way.The application shows that sides convergences of roadway no more than 66 mm after 147 days,roof and floor convergences less than 119 mm and late convergence rates less than 1 mm/d.
high stress;soft rock roadway;deformation mechanism;rework;support design
TD325
A
0253-9993(2014)04-0614-10
YU Wei-jian1,2,WANG Wei-jun1,2,HUANG Wen-zhong3,WU Hai1,2
(1.Hunan Provincial Key Laboratory of Safe Mining Techniques of Coal Mines,Hunan University of Science and Technolgy,Xiangtan 411201,China; 2.School of Energy and Safety Engineering,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,China;3.Qujiang Coal Developing Co.,Ltd., Fengcheng 331136,China)
余伟健,王卫军,黄文忠,等.高应力软岩巷道变形与破坏机制及返修控制技术[J].煤炭学报,2014,39(4):614-623.
10.13225/j.cnki.jccs.2013.0410
Yu Weijian,Wang Weijun,Huang Wenzhong,et al.Deformation mechanism and rework control technology of high stress and soft rock roadway[J].Journal of China Coal Society,2014,39(4):614-623.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0410
2013-04-02 责任编辑:王婉洁
国家自然科学基金资助项目(51104063,51374105);湖南省教育厅资助项目(12cy013)
余伟健(1978—),男,江西都昌人,副教授。E-mail:ywjlah@163.com