張廣云
(晉城煤業(yè)集團(tuán) 鳳凰山煤礦,山西 晉城 048007)
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柔性支護(hù)在地質(zhì)構(gòu)造區(qū)圍巖控制中的應(yīng)用實(shí)踐
張廣云
(晉城煤業(yè)集團(tuán) 鳳凰山煤礦,山西 晉城 048007)
[摘要]綜采工作面過陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造,傳統(tǒng)方法是以上木料接頂輔助支架控制工作面頂板圍巖的穩(wěn)定性,在傳統(tǒng)技術(shù)工藝基礎(chǔ)上探索出了一種柔性支護(hù)技術(shù)方法,其核心是用金屬網(wǎng)與鋼絲繩組合而成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對(duì)頂板圍巖形成整體控制。實(shí)踐表明,該柔性支護(hù)技術(shù)對(duì)綜采面過地質(zhì)構(gòu)造能表現(xiàn)出極佳的優(yōu)越性并帶來巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。
[關(guān)鍵詞]柔性支護(hù);圍巖控制;優(yōu)越性
Application of Flexible Support in the Control of Surrounding Rocks in Geological Structure Zone
[引用格式]張廣云.柔性支護(hù)在地質(zhì)構(gòu)造區(qū)圍巖控制中的應(yīng)用實(shí)踐[J].煤礦開采,2015,20(6):72-75,55.
晉煤集團(tuán)鳳凰山礦是一座具有50余年開采歷史的礦井,核定生產(chǎn)能力4Mt/a,井田內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜,斷層、陷落柱等構(gòu)造發(fā)育。目前礦井已進(jìn)入衰落期,為了更好地解決資源浪費(fèi)以實(shí)現(xiàn)煤炭回收最大化、減少頂板事故與材料浪費(fèi)實(shí)現(xiàn)效益最大化以及緩解生產(chǎn)銜接緊張等問題,在生產(chǎn)實(shí)踐中,探索出了一種“金屬網(wǎng)+鋼絲繩”控制頂板圍巖的柔性支護(hù)技術(shù)手段。此柔性支護(hù)技術(shù)通過在XV5302綜采工作面過陷落柱的應(yīng)用試驗(yàn),取得了良好效果,有效預(yù)防了頂板事故,提高了綜采面過構(gòu)造的安全性與時(shí)效性,為今后綜采面過地質(zhì)構(gòu)造區(qū)的圍巖控制探索出了新的技術(shù)方法。
1工作面概況
XV5302綜采工作面設(shè)計(jì)傾斜長175.50m、走向長761.71m,沿15號(hào)煤布置,平均煤厚2.38m,堅(jiān)固性系數(shù)為2,煤層傾角1~8°,上覆巖層平均厚度140m,煤層無偽頂。直接頂、基本頂均為K2石灰?guī)r,致密堅(jiān)硬,單向抗壓強(qiáng)度為80.88MPa,單向抗拉強(qiáng)度為3.24MPa,堅(jiān)固性系數(shù)為8.09,平均厚度8.46m,屬于穩(wěn)定堅(jiān)硬頂板。煤層直接底為泥巖,平均厚度0.70m,單向抗壓強(qiáng)度為30.0MPa,單向抗拉強(qiáng)度為1.57MPa,堅(jiān)固性系數(shù)為3.0;基本底為鋁質(zhì)泥巖, 平均厚度8.41m,單向抗壓強(qiáng)度為22.71MPa,單向抗拉強(qiáng)度為0.76MPa,堅(jiān)固性系數(shù)為2.28,底板比壓為6.15~7.38MPa。東為巴公、官莊保護(hù)煤柱,南為東四義村及水泥廠保護(hù)煤柱,西為一五五盤區(qū)軌道巷、膠帶巷、回風(fēng)巷(均已掘),北為XV5303工作面(已采),上覆為9號(hào)煤95310工作面采空區(qū)及小窯破壞區(qū)。煤層賦存較穩(wěn)定,水文地質(zhì)條件簡單。瓦斯絕對(duì)涌出量為2.3m3/min,屬于Ⅱ級(jí)自燃煤層,無爆炸危險(xiǎn)性。
2陷落柱基本情況
XV5302綜采工作面內(nèi)陷落柱相對(duì)較發(fā)育,其中在工作面走向中部有一陷落柱(命名為X46),為盡可能減少煤炭資源損失,決定以強(qiáng)制末采的方式通過此陷落柱。X46陷落柱位于原設(shè)計(jì)停采線向外10~90m范圍,初步推斷其形態(tài)在平面上為橢圓狀,長軸80m,短軸45m,陷落角85°,巖性為砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖并含有少量石灰?guī)r。預(yù)計(jì)工作面推進(jìn)至原設(shè)計(jì)停采線向外10m時(shí), 26~53號(hào)架處將揭露此陷落柱。XV5302工作面X46陷落柱相對(duì)位置示意見圖1。
圖1 XV5302工作面X46陷落柱相對(duì)位置示意
3X46陷落柱安全回采可行性分析
由陷落柱的形成機(jī)理可知,煤系下伏可溶性巖層經(jīng)地下水強(qiáng)烈溶蝕后,在各種地質(zhì)因素綜合作用下,導(dǎo)致上覆巖層發(fā)生結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)與塌陷,對(duì)地下工程,特別是對(duì)煤炭采掘工程影響極大[1]。根據(jù)相關(guān)資料表明,陷落柱一般都會(huì)有伴生斷層,故而陷落柱柱體及柱邊圍巖均為地質(zhì)體的薄弱環(huán)節(jié),加強(qiáng)工作面的防治水管理及頂板控制是安全通過陷落柱、實(shí)現(xiàn)高效開采的關(guān)鍵所在[2]。因此,重點(diǎn)從以下三方面探討安全通過陷落柱的可行性。
3.1陷落柱范圍探測(cè)
采用鉆探方法對(duì)陷落柱進(jìn)行探測(cè),以初步確定陷落柱的發(fā)育范圍及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。當(dāng)XV5302工作面推進(jìn)至距X46陷落柱15m時(shí),在工作面內(nèi)的22號(hào)、30號(hào)、35號(hào)、45號(hào)、55號(hào)、65號(hào)架處共施工6個(gè)探測(cè)孔,在XV5203巷施工8個(gè)探測(cè)孔、XV5204巷施工6個(gè)探測(cè)孔對(duì)陷落柱邊界及中心進(jìn)行鎖定。綜合鉆探結(jié)果分析:陷落柱在平面分部上近似橢圓,沿工作面推進(jìn)方向最大影響范圍約76m(長軸),在平行于工作面方向上影響范圍為23~58號(hào)架,約50m(短軸)。同時(shí),根據(jù)鉆探巖芯取樣得知X46陷落柱內(nèi)巖石多為砂質(zhì)泥巖,膠結(jié)性較差,當(dāng)工作面揭露構(gòu)造后需加強(qiáng)頂板維護(hù)。
X46陷落柱預(yù)測(cè)及實(shí)探平面見圖2。
圖2 X46陷落柱預(yù)測(cè)及實(shí)探平面
3.2陷落柱的含水性和導(dǎo)水性
在探查X46陷落柱的20個(gè)鉆孔施工過程中,均無涌水,同時(shí)從工作面兩巷陷落柱所在段觀測(cè)頂幫也無淋、滴水現(xiàn)象;另外在工作面即將揭露構(gòu)造時(shí),利用瞬變電磁探測(cè)法進(jìn)行了賦水性確認(rèn),根據(jù)探測(cè)結(jié)果,頂?shù)装?0m范圍內(nèi)視電阻率等值線圖橫向平緩且變化穩(wěn)定,大致呈平行分布,數(shù)值均大于4Ω·m,說明含水裂隙不發(fā)育,賦水性較弱,對(duì)陷落柱的回采不構(gòu)成威脅。
3.3頂板巖性分析
一般來講,陷落柱在硬度不同的巖層垮落具有不同的特點(diǎn),在松軟的煤層或泥巖處凹入,而在堅(jiān)硬的巖層處則相對(duì)凸出[3-4]。根據(jù)XV5302工作面煤層頂?shù)装鍘r性特征(見圖3)及其賦存深度分析認(rèn)為:在煤及其頂?shù)装逯邢萋渲馁x存狀態(tài)應(yīng)是上小下大、類似于錐柱體的結(jié)構(gòu),且垂直應(yīng)力小于水平應(yīng)力;由于陷落柱柱體內(nèi)多為砂質(zhì)泥巖、泥巖并含少量石灰?guī)r,故而從膠結(jié)性上分析巖塊間壓實(shí)會(huì)比較緊密,其在垂向方向上能夠承受一定的載荷,但在回采過程中要加強(qiáng)頂板控制且盡可能地加快推進(jìn)速度可防止柱體冒落深度的擴(kuò)大化。
圖3 XV5302工作面煤巖層綜合柱狀
4過X46陷落柱的技術(shù)方案
4.1主要施工工序
4.1.1施工總體要求
工作面推進(jìn)至距陷落柱10m時(shí)開始介入柔性支護(hù),揭露陷落柱后,根據(jù)陷落柱對(duì)安全、生產(chǎn)的影響情況做出綜合判斷;陷落柱區(qū)影響較小、明顯收縮時(shí),停止上網(wǎng),進(jìn)入正?;夭晒ば颍幌萋渲鶇^(qū)影響較大時(shí),立即調(diào)整工作面、進(jìn)入末采調(diào)整、定架環(huán)節(jié)。
4.1.2過X46陷落柱強(qiáng)制末采施工作業(yè)程序
距X46陷落柱10m時(shí),先上一趟片網(wǎng),再上單層金屬頂網(wǎng),并開始調(diào)整工作面采高至2.4~2.5m→至第3茬網(wǎng)與第4茬網(wǎng)搭接處開始聯(lián)設(shè)鋼絲繩(進(jìn)行柔性支護(hù))→末采陷落柱區(qū)綜合判斷→末采定架前的調(diào)整(工作面直線達(dá)標(biāo)、采空區(qū)壓網(wǎng)達(dá)1m以上、采高達(dá)2.7~2.8m)、兩巷施工槽鋼錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)→定架、機(jī)尾施工絞車硐→隨掛聯(lián)網(wǎng),推2次溜割3刀煤,施工末采通道(含圓弧角、上梁、支柱、封幫、錨索施工)→工作面起底、清煤。
4.1.3過X46陷落柱施工作業(yè)程序
陷落柱區(qū)矸體較軟時(shí),機(jī)組直接掃矸通過;矸體較硬時(shí),需進(jìn)行放震動(dòng)炮。
采煤機(jī)割至距爆破區(qū)域15m時(shí)停機(jī),閉鎖工溜并停電→安全檢查(保護(hù)設(shè)備)→維護(hù)頂幫→打眼→裝藥→聯(lián)線→爆破→安全檢查(安全檢查貫穿全過程)→機(jī)組掃矸通過。
4.2柔性支護(hù)技術(shù)要求及操作方法
4.2.1上片網(wǎng)
(1)片網(wǎng)規(guī)格:長×寬=1500mm×1200mm,網(wǎng)孔規(guī)格為50mm×50mm的單層金屬網(wǎng)(片網(wǎng)由10號(hào)鉛絲編制而成,10號(hào)鉛絲直徑3.4mm,抗拉強(qiáng)度295~540MPa,伸長率不小于12%)。
(2)上片網(wǎng)技術(shù)要求:順工作面每隔1架上到雙號(hào)架上,片網(wǎng)在支架上搭接長度不小于500mm,片網(wǎng)下垂500mm,片網(wǎng)在支架上要壓緊。
(3)上片網(wǎng)方法:先將片網(wǎng)短邊固定到2800mm(長)×200mm(寬)×50mm(厚)的木板中間卷1圈,并用2個(gè)鈀釘固定。先將某一雙號(hào)架降下拉過,再將木板平行于工作面放在降下的支架頂梁上,然后將該架所上木板托起升緊,然后將相鄰單號(hào)架拉過升緊,同理按順序逐架進(jìn)行。
4.2.2鋪設(shè)金屬頂網(wǎng)
(1)金屬網(wǎng)規(guī)格:長×寬=10m×1.2m,網(wǎng)孔規(guī)格為50mm×50mm的單層金屬網(wǎng)(金屬頂網(wǎng)由10號(hào)鉛絲編制而成,10號(hào)鉛絲直徑3.4mm,抗拉強(qiáng)度295~540MPa,伸長率不小于12%),聯(lián)網(wǎng)絲的規(guī)格為16號(hào)雙股鍍鋅鉛絲。
(2)鋪設(shè)頂網(wǎng)技術(shù)要求:當(dāng)片網(wǎng)上完后,緊接著上第1,2茬頂網(wǎng),要求第1茬網(wǎng)的長邊與片網(wǎng)搭接長度不小于500mm,搭接處聯(lián)單排,每米聯(lián)4道,從第2茬網(wǎng)開始,網(wǎng)與網(wǎng)沿工作面推進(jìn)方向交錯(cuò)搭接0.1m,交錯(cuò)處聯(lián)單排,每米不小于8道,以上2處要求每道擰夠3圈;沿工作面傾斜方向網(wǎng)與網(wǎng)短邊搭接長度不小于500mm,搭接處聯(lián)雙排,排距為0.3~0.5m,每排每米不小于8道,每道擰夠3圈,并且相鄰兩趟網(wǎng)的網(wǎng)頭要錯(cuò)開1m以上。
(3)鋪設(shè)頂網(wǎng)方法:聯(lián)網(wǎng)時(shí)機(jī)組讓出聯(lián)網(wǎng)區(qū)域10~15個(gè)架,停機(jī)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)施工,每2刀煤聯(lián)1趟,聯(lián)好網(wǎng)后正常情況下網(wǎng)長與溜子擋煤板圓鋼齊,并且用10號(hào)鉛絲或自制網(wǎng)鉤每隔1個(gè)架將頂網(wǎng)掛在支架頂梁下,以便機(jī)組通行,割煤后,拉架前再將影響拉架的網(wǎng)依次解下。
4.2.3鋪設(shè)鋼絲繩
(1)鋼絲繩規(guī)格:φ15.5mm鋼絲繩(其結(jié)構(gòu)為6×19+FC,公稱抗拉強(qiáng)度1670MPa,最小破斷力123kN)。
(2)鋪設(shè)鋼絲繩技術(shù)要求:從第2茬與第3茬網(wǎng)搭接處開始鋪設(shè)平行于工作面的鋼絲繩,其長度視現(xiàn)場實(shí)際情況截取,2趟鋼絲繩間距為(550±50)mm。 網(wǎng)邊搭接處的鋼絲繩隨聯(lián)網(wǎng)同步進(jìn)行,每米均勻聯(lián)設(shè)8道,網(wǎng)中間鋼絲繩,每米均勻聯(lián)設(shè)4道。相鄰兩段鋼絲繩搭接長度為5m,搭接處要緊靠聯(lián)好,每米8道,上下兩趟鋼絲繩的搭接段要錯(cuò)開不少于5m,鋼絲繩在聯(lián)網(wǎng)區(qū)域兩端支架上搭接長度不少于1m。
(3)鋪設(shè)鋼絲繩方法:隨著聯(lián)網(wǎng)將鋼絲繩與網(wǎng)聯(lián)為一體,鋪設(shè)時(shí)幾人配合將截好的鋼絲繩拖直,不得扭結(jié)。
柔性支護(hù)布置示意見圖4,圖中L為鋼絲繩間距,此處取(550±50)mm;M1為網(wǎng)長邊搭接量,取100mm;M2為網(wǎng)短邊搭接量,取500mm;F為鋼絲繩搭接量,取5m。所有參數(shù)可根據(jù)工程實(shí)際需要而進(jìn)行合理選取。
圖4 柔性支護(hù)布置示意
4.3重點(diǎn)環(huán)節(jié)把控
4.3.1頂?shù)装骞芾?/p>
(1)在即將揭露且在通過X46陷落柱時(shí),工作面的底板要割平,不得留頂煤,架間距要均勻,工作面支架要拉成一直線,煤壁平直,支架要升緊升平,加強(qiáng)頂板管理。
(2)過陷落柱期間要嚴(yán)格控制好采高:若由于局部片幫冒頂導(dǎo)致采高超高,必須在支架與柔性支護(hù)間上料進(jìn)行壓頂,確保支架接頂嚴(yán)實(shí);若頂板上仰幅度較大,正常的推溜拉架無法控制采高時(shí)或底板較軟,溜子推出后發(fā)生持續(xù)下鉆現(xiàn)象時(shí),及時(shí)進(jìn)行吊溜、吊架作業(yè)。
(3)機(jī)組過后,要及時(shí)帶壓擦頂拉架,嚴(yán)禁支架大起大落,移架后將支架升緊達(dá)初撐力,支架錯(cuò)差不超過側(cè)護(hù)板高的2/3,頂板破碎地段要拉超前架并打出護(hù)幫板及時(shí)支護(hù)頂幫。
4.3.2防治水管理
(1)揭露陷落柱之前必須確保工作面兩巷的排水系統(tǒng)及設(shè)備等完善可靠,距工作面不大于50m范圍內(nèi)熱備1臺(tái)5.5kW潛水泵,并冷備1臺(tái)15kW潛水泵及配套開關(guān)(開關(guān)熱備)等設(shè)備;備用應(yīng)急軟管及接頭等全部準(zhǔn)備到位。
(2)過陷落柱期間,每班派專人對(duì)工作面頂、幫的淋水情況及其變化進(jìn)行水情監(jiān)測(cè),若發(fā)現(xiàn)工作面水量突然增大,要及時(shí)通知專職排水人員做好排水準(zhǔn)備,并向隊(duì)值班室和礦調(diào)度臺(tái)進(jìn)行匯報(bào)。
(3)實(shí)際上,工作面揭露陷落柱后只有頂板出現(xiàn)少量淋頭水,約0.2m3/h,在工作面低洼處熱備1臺(tái)5.5kW潛水泵進(jìn)行排水。
5應(yīng)用效果及其優(yōu)勢(shì)分析
在長達(dá)19d的過陷落柱過程中,柔性支護(hù)技術(shù)試驗(yàn)應(yīng)用條件下沒有發(fā)生一起頂板垮、漏事故,也沒有出現(xiàn)片幫傷人事故,更無臺(tái)階下沉、爛網(wǎng)等現(xiàn)象發(fā)生,真正實(shí)現(xiàn)了安全過構(gòu)造之目的。
綜合實(shí)踐效果表明,柔性支護(hù)技術(shù)條件下,過X46陷落柱時(shí)礦山壓力無明顯顯現(xiàn),圍巖變形量不大,頂板變形量最大不超過5mm,采用柔性支護(hù)配合支架能確保頂板處于穩(wěn)定狀態(tài),比傳統(tǒng)的板梁支護(hù)具有很大的優(yōu)越性。
通過網(wǎng)片和鋼絲繩以強(qiáng)制末采的形式通過X46陷落柱,可以充分實(shí)現(xiàn)進(jìn)可攻退可守,即隨時(shí)都可以停下來進(jìn)行末采,這既是技術(shù)層面上的大敢嘗試又是戰(zhàn)略上的一次有效探索,同時(shí)通過大型構(gòu)造采用金屬網(wǎng)與鋼絲繩配合替代木料維護(hù)頂板的工藝革新彰顯出了巨大優(yōu)勢(shì):
(1)相較運(yùn)板梁而言,柔性支護(hù)更宜于搬運(yùn),更能有效避免磕手碰腳現(xiàn)象的發(fā)生。
(2)采用柔性支護(hù)能隨時(shí)根據(jù)實(shí)際需要調(diào)節(jié)聯(lián)網(wǎng)及鋼絲繩的支護(hù)參數(shù)以提高強(qiáng)度防止移架時(shí)漏頂、掉矸傷人或冒頂事故的發(fā)生,安全性更高。
(3)柔性支護(hù)條件下,可進(jìn)一步減小割矸厚度,提高回采效率,相傳統(tǒng)板梁護(hù)頂而言可實(shí)現(xiàn)全斷面,全方位覆蓋頂板,提供更為可靠的作業(yè)空間。
(4)柔性支護(hù)技術(shù)在施工過程中各環(huán)節(jié)均在架前操作,相對(duì)上木料來講,可效避免頻繁進(jìn)煤壁側(cè)作業(yè)的危險(xiǎn),極大提高了安全性。
(5)鋼絲繩與網(wǎng)的配合使用把整個(gè)工作面頂板鎖在了一起,即使頂板破碎也可將其控制成一個(gè)整體,易于維護(hù)[5-7]。
6技術(shù)及經(jīng)濟(jì)效應(yīng)
(1)柔性支護(hù)技術(shù),操作工藝簡便,網(wǎng)(鋼絲繩)聯(lián)好后,割煤、推溜和移架能協(xié)同作業(yè),加快了機(jī)組通過速度,是傳統(tǒng)板梁支護(hù)條件下通過速度的2~3倍,有利于高產(chǎn)高效。
(2)柔性支護(hù)范圍可隨時(shí)進(jìn)行有效調(diào)控,亦可根據(jù)不同的頂板類型與維護(hù)需要進(jìn)行適時(shí)參數(shù)優(yōu)化。
(3)廢舊鋼絲繩相對(duì)廉價(jià),而且其具有彈性好、柔韌性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),比木料可靠度要高出許多,最主要的是能夠促使支架與頂板實(shí)現(xiàn)面接觸,減小應(yīng)力集中,壓力可以均勻地進(jìn)行傳遞、分布與釋放,充分發(fā)揮頂板的自承能力。
(4)在XV5302工作面進(jìn)行柔性支護(hù)試驗(yàn)以前,過陷落柱日均2刀煤,頂板維護(hù)困難且工作量巨大,嚴(yán)重制約生產(chǎn)進(jìn)度,現(xiàn)在此種柔性支護(hù)技術(shù)大力推廣使用后,過大型構(gòu)造日均可割8~9刀煤,效率提高了4倍以上。該支護(hù)技術(shù)在過X46陷落柱取得的巨大成功,不僅在一定程度上鍛煉了隊(duì)伍,同時(shí)也增強(qiáng)了廣大干部職工攻艱克難的信心與決心。
(5)XV5302綜采工作面總布置回采長度為1440m,原設(shè)計(jì)可采長度761.71m。強(qiáng)制通過X46陷落柱后,在此技術(shù)基礎(chǔ)上又順利通過了X44陷落柱,在回采方向上總進(jìn)度又多走出了318.18m,增加可采儲(chǔ)量168.5kt,工作面可采儲(chǔ)量提高了41%,創(chuàng)造直接經(jīng)濟(jì)價(jià)值約7077萬元,經(jīng)濟(jì)效益顯著;同時(shí)推遲了該面收尾時(shí)間1.8個(gè)月,有效緩解了礦井安裝接替緊張的局面。
7結(jié)束語
柔性支護(hù)技術(shù)在XV5302綜采工作面過X46陷落柱的成功應(yīng)用,是鳳凰山礦在回采面過大型構(gòu)造中對(duì)頂板圍巖控制取得巨大突破進(jìn)行的一次有益探索。方案的成功實(shí)施不僅在本工作面創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益,而且在鳳凰山礦經(jīng)過連續(xù)幾個(gè)綜采面過陷落柱、斷層等構(gòu)造的印證實(shí)踐中,都取得了良好效果。同時(shí),對(duì)金屬網(wǎng)及鋼絲繩的布設(shè)參數(shù)進(jìn)行合理優(yōu)化后,還使得在支架回撤過程中對(duì)頂板的管理和維護(hù)變得更加容易,改善了工作環(huán)境,有效提高了撤架速度與勞動(dòng)生產(chǎn)效率。事實(shí)證明,該支護(hù)技術(shù)對(duì)地質(zhì)構(gòu)造區(qū)的回采圍巖控制在安全及社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益方面都展示出了巨大的優(yōu)越性,值得在全國同
類條件下的礦井中大力推廣應(yīng)用。
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[責(zé)任編輯:姜鵬飛]
[作者簡介]張廣云(1976-),男,山西澤州人,晉煤集團(tuán)鳳凰山礦生產(chǎn)礦長,現(xiàn)為中國礦業(yè)大學(xué)(北京)在讀博士。
[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.06.019
[收稿日期]2015-05-12
[中圖分類號(hào)]TD353
[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B
[文章編號(hào)]1006-6225(2015)06-0072-04