傾斜礦體分區(qū)崩落采礦法高效開采技術(shù)及應(yīng)用

任鳳玉　丁航行　任思潼　趙云峰

摘要：崩落采礦法開采傾斜礦體存在開采強(qiáng)度與生產(chǎn)能力較低，礦石損失貧化大，地表塌陷范圍大及礦山征用的土地面積大等問題，大大降低了崩落采礦法開采的經(jīng)濟(jì)效益，因而傾斜礦體被普遍認(rèn)為是崩落采礦法應(yīng)用的禁區(qū)。根據(jù)巖體冒落規(guī)律、散體移動(dòng)規(guī)律與地壓活動(dòng)規(guī)律適應(yīng)性理論，提出了基于采空區(qū)大冒落跨度的分區(qū)崩落采礦法高效開采技術(shù)，采用較大結(jié)構(gòu)參數(shù)回采原生礦體，由回收進(jìn)路二步回采下盤殘留礦量，解決了開采效率與礦石損失貧化之間的矛盾;采用基于臨界散體柱支撐理論的充填塌陷坑方法控制地表巖移范圍。應(yīng)用實(shí)踐表明：這一技術(shù)有效解決了崩落采礦法開采傾斜礦體存在的難題，使應(yīng)用礦山的生產(chǎn)能力提高到400萬t/a，而且采礦損失率和礦石貧化率分別控制在14.8 %和12.6 %，地表塌陷角內(nèi)傾76°，實(shí)現(xiàn)了低貧損綠色高效開采。

關(guān)鍵詞：傾斜礦體;崩落采礦法;分區(qū)開采;采空區(qū);誘導(dǎo)冒落;下盤殘留體;地表巖移控制

中圖分類號(hào)：TD853.36 文章編號(hào)：1001-1277（2020）09-0066-06

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20200910

引 言

傾角30°～50°的傾斜中厚以上礦體，多年來一直首選空場礦石法與充填采礦法開采，其中空場采礦法的采準(zhǔn)系數(shù)較大，生產(chǎn)效率低，而且底部結(jié)構(gòu)對礦巖切割程度大，當(dāng)?shù)V巖穩(wěn)定性差時(shí)，易遭地壓破壞，造成礦石損失貧化大。例如：安慶銅礦采用中深孔分段空場采礦法開采不穩(wěn)固傾斜礦體時(shí)，出現(xiàn)了礦石損失貧化大、作業(yè)不安全、生產(chǎn)能力低等諸多問題[1];玲瓏金礦等采用淺孔留礦采礦法開采中厚傾斜礦體，也出現(xiàn)了礦石損失貧化大等問題[2]。為控制采場地壓，許多礦山采用充填采礦法開采，例如：九杖溝金礦中厚傾斜礦體采用分段充填采礦法開采[3]，蒼山鐵礦傾斜中厚礦體采用大盤區(qū)高分層充填采礦法開采等[4]。充填采礦法有效解決了安全生產(chǎn)問題，但采礦成本相對較高，效率較低，導(dǎo)致低品位金屬礦床開采的經(jīng)濟(jì)效果較差。

為了解決傾斜礦體的高效開采難題，國內(nèi)許多學(xué)者對采用崩落采礦法開采進(jìn)行了大量的研究工作。任鳳玉等利用卸壓原理，對某銅礦不穩(wěn)定傾斜中厚礦體提出了分段卸壓崩落采礦法[5];王衛(wèi)東等[6]對傾斜厚大礦體的回采順序進(jìn)行優(yōu)化研究;鄭重等[7]通過分析傾斜礦體無底柱分段崩落采礦法礦石損失原因，對采場結(jié)構(gòu)及爆破參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化;韋華南等[8]提出了光面爆破與噴錨網(wǎng)支護(hù)巷道維護(hù)技術(shù)及損失貧化控制技術(shù);周宗紅等[9]針對后和睦山鐵礦傾斜破碎礦體，提出了誘導(dǎo)冒落、設(shè)回收進(jìn)路、采用組合放礦方式的無底柱分段崩落采礦法開采方案。但是，這些改進(jìn)的分段崩落采礦法用于傾斜中厚礦體，采礦損失貧化指標(biāo)、開采效率與開采強(qiáng)度等仍不夠理想，此外，該類礦體水平投影面積大，地表塌陷控制問題也亟待解決。

國內(nèi)金屬礦床地下開采中，傾斜礦體約占礦體開采總數(shù)的23 %，大幅提高此類礦體的開采強(qiáng)度，獲得較好的礦石損失貧化指標(biāo)，同時(shí)控制巖移減小礦山環(huán)保壓力，具有重要意義。本文提出傾斜礦體的分區(qū)崩落采礦法開采技術(shù)并有效解決了相關(guān)難題，打破了傾斜礦體為崩落采礦法應(yīng)用禁區(qū)的傳統(tǒng)觀念，為實(shí)現(xiàn)傾斜礦體的高效開采開辟了新途徑。

1 分區(qū)開采原理與方法

采空區(qū)圍巖的冒落過程一般經(jīng)歷4個(gè)階段：初始冒落、持續(xù)冒落、大冒落與側(cè)向崩落（見圖1）。在初始冒落階段，采空區(qū)頂板巖石的節(jié)理逐漸擴(kuò)展和相互貫通，導(dǎo)致巖石破壞并在自重作用下發(fā)生自然冒落;如果采空區(qū)跨度不再擴(kuò)大，頂板冒落到一定高度后，形成比較穩(wěn)定的自然平衡拱，在較長時(shí)間內(nèi)不再發(fā)生冒落;如果采空區(qū)跨度進(jìn)一步增大，則冒落再次發(fā)生，而且發(fā)生冒落的面積與冒落頻率有可能隨采空區(qū)跨度的增大而增加，直到采空區(qū)邊界形成新的應(yīng)力平衡拱為止。在持續(xù)冒落階段，即使不再增大采空區(qū)跨度，隨著時(shí)間的推移，頂板巖石不斷產(chǎn)生陣發(fā)性與周期性的冒落，冒落高度不斷增大，頂板圍巖不再形成長時(shí)間穩(wěn)定的應(yīng)力平衡拱。在大冒落階段，隨著采空區(qū)頂板接近地表，周邊巖體受剪力破壞，常以突發(fā)性形式發(fā)生較大規(guī)模的冒落，采空區(qū)與地表冒通，在地表形成塌陷坑。在側(cè)向崩落階段，塌陷坑周邊巖石逐漸向塌陷坑崩落或滑落，采空區(qū)塌落的界線逐漸向外擴(kuò)展，最后形成陷落帶（見圖1）。

在大冒落之前，隨著采空區(qū)跨度和高度的增加，采空區(qū)冒落的規(guī)模不斷增大，冒落引起的氣浪可能沖擊到附近人員，冒落引起的巖移可能對上部人員與設(shè)備產(chǎn)生陷落危害;在大冒落之后，冒落散體充填了采空區(qū)，地下不再受冒落沖擊危害，僅限于地表可能發(fā)生塌陷或滑落危害。在形成穩(wěn)定的陷落帶后，地表的塌陷或滑落危害也隨之消失。從安全角度出發(fā)，在冒落危害消除的部位，相鄰采場便可安全作業(yè)。

基于上述分析，傾斜礦體采用崩落采礦法開采時(shí)，可根據(jù)頂板圍巖大冒落時(shí)對應(yīng)的采空區(qū)跨度（下稱“大冒落跨度”）進(jìn)行分區(qū)，并留有適度的余地（見圖2）。具體說，就是在上位采區(qū)的采準(zhǔn)工程施工到下位采區(qū)時(shí)，下位采區(qū)的頂板圍巖應(yīng)冒透地表，使其采空區(qū)的冒落危害完全消除，此外，還應(yīng)使下位采空區(qū)的承壓拱不影響上位采區(qū)回采工作面，這樣就可保證下位采區(qū)的冒落過程不影響上位采區(qū)的安全生產(chǎn)。因此，分區(qū)尺寸可具體表示為大冒落跨度與臨時(shí)礦柱寬度之和。其中，臨時(shí)礦柱的寬度等于本采區(qū)工作面下降速度的水平分量乘以下位采區(qū)滯后回采的時(shí)間，且臨時(shí)礦柱的最小寬度不小于采空區(qū)圍巖的承壓拱寬度。

采空區(qū)的大冒落跨度與采深密切相關(guān)。在重力場作用下，一般接近風(fēng)化層的淺部采空區(qū)，大冒落跨度主要受巖體強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)弱面控制，可用工程類比法確定;對于遠(yuǎn)離風(fēng)化層的深部采空區(qū)，大冒落跨度主要受重力場與巖體強(qiáng)度控制。在常規(guī)的拱形冒落形式中，采空區(qū)頂板承受的水平壓力，不足以破壞頂板巖體時(shí)，冒落便會(huì)停止。據(jù)此可推得采空區(qū)冒落高度計(jì)算式[10]為：

式中：h為采空區(qū)冒落高度（從采空區(qū)底板算起）（m）;ρ為上覆巖體平均密度（t/m3）;hz為采空區(qū)底板到地表的總高度（m）;l為采空區(qū)跨度（m）;σc為巖體極限抗壓強(qiáng)度（MPa）;δ為頂板等價(jià)承載厚度（m）。

采空區(qū)的最小冒落高度，需滿足采空區(qū)內(nèi)冒落散體的高度不小于上分區(qū)臨近礦體的頂板高度，以保證上位采區(qū)的采準(zhǔn)工程不與下位采空區(qū)相通，此時(shí)對應(yīng)的采空區(qū)跨度可視為等價(jià)大冒落跨度，外加臨時(shí)礦柱寬度，即可計(jì)算出分區(qū)尺寸值。

為提高開采效率，需要加大采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，并盡可能利用誘導(dǎo)冒落技術(shù)。但是，采用分段崩落采礦法開采傾斜礦體時(shí)，采場內(nèi)礦體下盤的三角柱礦量、殘留散體礦石與崩落巖石量，均隨采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的增大而急劇增大。因此，通常采用較小的結(jié)構(gòu)參數(shù)開采，致使生產(chǎn)效率低，礦石損失貧化也居高不下。為解決增大結(jié)構(gòu)參數(shù)與降低礦石損失貧化的矛盾，筆者提出兩步回采方法：第一步，用較大的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)回采原生礦體，用下盤斜切割槽形式減小三角礦量與崩巖量（見圖3）;第二步，用回收進(jìn)路回采下盤殘留礦量。采用大結(jié)構(gòu)參數(shù)開采時(shí)，分段高度與進(jìn)路間距增大后，礦石脊部殘留體增大，為了便于回收，采取將下盤回采進(jìn)路加密1倍等措施，大量回收下盤部位礦量[11-12]。為減小礦石貧化造成的經(jīng)濟(jì)損失，可在地表設(shè)置磁滑輪，甩掉部分廢石，以控制入選品位。

根據(jù)臨界散體柱支撐理論（見圖4），在采空區(qū)冒透地表并形成塌陷坑后，塌陷坑內(nèi)冒落的散體，向塌陷坑邊壁施加主動(dòng)側(cè)應(yīng)力，同時(shí)又承受邊壁巖體變形擠壓的被動(dòng)側(cè)應(yīng)力。這種主動(dòng)與被動(dòng)側(cè)應(yīng)力，隨散體堆高度的增大而增加，當(dāng)施力散體達(dá)到臨界散體柱高度時(shí)，所形成的側(cè)應(yīng)力足以克服邊壁巖體的碎脹，由此支撐邊壁巖體的穩(wěn)定[13]。

在圖4所示的條件下，由幾何關(guān)系可直接得出陷落角與采深之間的關(guān)系式為：

式中：β為陷落角（°）;α為礦體傾角（°）;β0為錯(cuò)動(dòng)角（°）;hc為開采深度（m）;h0為臨界深度（m），等于臨界散體柱高度（hs）與塌陷坑高度之和。

可見，當(dāng)臨界深度（h0）一定時(shí)，hc值越大，β值越大;而當(dāng)采深（hc）一定時(shí)，h0值越小，β值越大。這表明塌陷坑的高度越小，陷落角越大。也就是說，如果向塌陷坑充填散體，使臨界散體柱的位置上移，可有效減小地表塌陷范圍。因此，在采空區(qū)冒透地表后，應(yīng)及時(shí)向塌陷坑充填散體，以控制地表巖移范圍。

2 分區(qū)崩落采礦法在小汪溝鐵礦的應(yīng)用

西鋼集團(tuán)燈塔礦業(yè)有限公司小汪溝鐵礦（下稱“小汪溝鐵礦”）位于遼寧省燈塔市東南35 km處的雞冠山鄉(xiāng)廖家村北溝。小汪溝鐵礦床為沉積變質(zhì)型磁鐵礦床，鐵礦石產(chǎn)于太古界中鞍山群煙龍山組變質(zhì)巖系陽起磁鐵石英巖、透閃磁鐵石英巖與綠泥磁鐵石英巖中，礦體呈似層狀、透鏡狀產(chǎn)出，局部有分支復(fù)合現(xiàn)象，最小厚度20 m，最大厚度90 m，平均厚度24.15 m。 礦體傾角上陡下緩，一般25°～40°，礦體側(cè)伏角15°～35°，走向長400～800 m，傾向最大延深400 m。頂板圍巖以混合巖為主，有少量云母石英巖、斜長角閃巖、綠泥石英巖，多呈塊狀結(jié)構(gòu)，淺部風(fēng)化裂隙發(fā)育。根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查與巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度測定數(shù)據(jù)進(jìn)行巖體穩(wěn)定性分級，得出的礦巖穩(wěn)定性級別見表1。

根據(jù)礦體形態(tài)與表1參數(shù)，分析確定上、中、下3個(gè)分區(qū)同時(shí)開采方案[14]，3個(gè)分區(qū)的首采分段分別為300 m分段、240 m分段與60 m分段（見圖5）。

上、中位采區(qū)礦體厚度較小，取分段高度12 m，進(jìn)路間距10～12 m，首采分段的采準(zhǔn)工程布置形式與回采工作線形狀見圖6。采用進(jìn)路端部口不敞空的出礦控制方式，當(dāng)工作面推進(jìn)到圖6中③線位置時(shí)，采空區(qū)周圍出現(xiàn)地壓顯現(xiàn)，巷道兩幫出現(xiàn)裂縫，眉線破壞高度加大。此后，采空區(qū)頂板圍巖逐漸冒落，回采到圖6中④線位置時(shí)，采空區(qū)冒透地表。由此得出的初始冒落跨度為55 m ，大冒落跨度為69 m 。冒透地表后的塌陷區(qū)狀態(tài)見圖7。

中位采區(qū)首采分段的采空區(qū)跨度小，依靠多個(gè)分段回采提供的連續(xù)回采空間誘導(dǎo)上覆巖層自然冒落。每一分段均采用進(jìn)路端部口不敞空的出礦控制方式，回采過程見圖8。

在2010年8月，當(dāng)回采到192 m分段時(shí)，中位采空區(qū)冒透地表。在中位采空區(qū)大冒落之前，位于采空區(qū)邊緣12～15 m的進(jìn)路出現(xiàn)了地壓顯現(xiàn)，表現(xiàn)為頂板表面脫落、拱角片落、巷道幫被壓裂等。冒落后，地壓顯現(xiàn)得以緩解。中位采區(qū)與上位采區(qū)的臨時(shí)礦柱寬度為86 m，中位采區(qū)采空區(qū)邊緣的地壓顯現(xiàn)，未影響上位采區(qū)回采工作面的正常生產(chǎn)。

上位采區(qū)與中位采區(qū)的整個(gè)冒落過程，都在作業(yè)工人不知不覺中完成，表明初始冒落形式為零星冒落。

在中位采空區(qū)冒透地表后，利用地表磁滑輪甩棄的廢石與新建小露天采場剝離的廢石充填塌陷坑，使塌陷區(qū)隨著回采工作面下移的擴(kuò)展速度得到了有效控制，特別是在沿礦體傾向方向，控制后的塌陷范圍遠(yuǎn)小于采空區(qū)水平投影范圍。礦山2015年1月的實(shí)測結(jié)果為：陷落角內(nèi)傾75.29°～78.13°，平均76.66°（見圖9）。

上位采區(qū)與中位采區(qū)，采用二次回收下盤殘留等措施，礦石回采率為85.2 %，礦石貧化率為12.6 %，取得了良好的礦石回收效果。

下位采區(qū)礦體厚度較大，取分段高度15 m，進(jìn)路間距18 m，首采分段為60 m分段，回采進(jìn)路布置形式見圖10。根據(jù)分段采空區(qū)跨度，按式（1）分析計(jì)算采空區(qū)冒落高度，并據(jù)此計(jì)算出冒落散體量。計(jì)算結(jié)果表明，在中位采區(qū)回采到下位采區(qū)邊界之前，下位采區(qū)需要連續(xù)回采3個(gè)分段的礦石，才能滿足冒落散體的堆積高度不小于中位采區(qū)相鄰礦體頂板標(biāo)高的要求。按生產(chǎn)進(jìn)度推算，到中位采區(qū)的回采工作面降低到下位采區(qū)邊界之時(shí)，下位采區(qū)可完整回采4個(gè)分段以上的礦量。因此，下位采區(qū)的位置能夠滿足邊界礦體安全開采的要求。

下位采區(qū)仍采用進(jìn)路端部口不敞空的放礦控制方式，用散體隔離采空區(qū)與工作面的空間聯(lián)系，確保安全生產(chǎn)。在60 m分段回采結(jié)束后，采空區(qū)就開始冒落，到2015年7月29日，采空區(qū)冒透地表，此時(shí)45 m分段至15 m分段已回采結(jié)束，回采工作面下降到0 m分段，采空區(qū)總面積約50 000 m2，采空區(qū)總體積約180萬m3。大冒落時(shí)，在0 m分段作業(yè)人員聽到巖石冒落的聲響，約10 min后聽到第二次冒落聲響。幾乎在冒落聲響出現(xiàn)的同時(shí)，看到在回采進(jìn)路端部涌出夾雜灰塵的氣流。但是氣流速度很小，主要是灰塵擴(kuò)散，使附近斜坡道運(yùn)輸停工半小時(shí)，未影響其他生產(chǎn)。冒透地表后，對采空區(qū)進(jìn)行了高強(qiáng)度充填，至2016年8月底，測得陷落角內(nèi)傾70.15°～75.94°（見圖11）。

在隨后的開采中，因0 m分段之下礦體收縮變小，采空區(qū)的寬度未再擴(kuò)大;地表塌陷區(qū)隨時(shí)充填塌陷凹坑，并分層堆放廢石，保持塌陷區(qū)散體表面高度基本不變，結(jié)果塌陷范圍未發(fā)生明顯變化。截至2019年10月12日，地下回采到-78 m分段，測得地表陷落角內(nèi)傾74.19°～76.00°。

在以往采礦理論中，用崩落采礦法開采不允許上、下分區(qū)，原因是沒有消除采空區(qū)危害的可靠方法。小汪溝鐵礦基于采空區(qū)大冒落跨度確定分區(qū)尺寸，實(shí)現(xiàn)了上、中、下3個(gè)分區(qū)同時(shí)安全開采，將生產(chǎn)能力由原設(shè)計(jì)的100萬t/a提高到400萬t/a，同時(shí)利用塌陷區(qū)堆放廢石，不僅節(jié)省了廢石堆放場地，而且大大減小地表塌陷范圍，取得了良好的技術(shù)效果，2011年被評為國家青山工程。

小汪溝鐵礦最大采深約390 m，按陷落角內(nèi)傾76°估算，塌陷面積不足地下回采面積的12 %。而且采深越大，塌陷面積所占比例越小?？梢娚畈績A斜礦體采用分區(qū)崩落采礦法回采+地表充填的開采技術(shù)，可取得更好的環(huán)保型安全高效的開采效果。

此外，對于分區(qū)交界部位礦體，通過調(diào)整進(jìn)路方向使之垂直于采空區(qū)邊壁，采取錨網(wǎng)噴漿支護(hù)措施，也實(shí)現(xiàn)了安全回采[14]。

小汪溝鐵礦的應(yīng)用實(shí)踐表明，用分區(qū)崩落采礦法開采傾斜礦體，可實(shí)現(xiàn)安全高效的開采目標(biāo)。

3 結(jié) 語

采用崩落采礦法開采傾斜礦體的生產(chǎn)能力低、礦石損失貧化大與地表破壞范圍大等難題，是開采工藝不適應(yīng)巖體冒落規(guī)律與散體移動(dòng)規(guī)律造成的。理論分析與小汪溝鐵礦的生產(chǎn)實(shí)踐表明：基于采空區(qū)大冒落跨度的分區(qū)崩落采礦法，可有效提高傾斜礦體的開采強(qiáng)度;用較大結(jié)構(gòu)參數(shù)回采原生礦體，由回收進(jìn)路二步回采下盤殘留礦量，可有效解決開采效率與礦石損失貧化之間的矛盾;基于臨界散體柱支撐理論的充填塌陷坑方法，可有效控制地表巖移范圍。

[參 考 文 獻(xiàn)]

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Efficient mining technology of zoned sublevel caving

in mining inclined ore bodies and its application

Ren Fengyu1，Ding Hangxing1，Ren Sitong1，Zhao Yunfeng2

（1.School of Resources & Civil Engineering，Northeastern University;

2.The Lighthouse Mining Co.，Ltd.of West Steel Group）

Abstract：When inclined ore bodies are mined with caving mining method，the mining intensity and production capacity are poor，the ore loss and dilution are high，the surface subsidence area is large and the land area occupied by the mine is large，greatly reducing the mining economics of caving mining method.Therefore，the mining of inclined ore bodies are deemed as the restricted area for caving method.According to the rock caving rules，loose body movement rules and crustal pressure activities rule adaptation theory，the efficient mining technology of zoned caving mining based on big caving span in mined-out area is proposed，which employs relatively big structural parameter to extract primary ore bodies，recovers residual ores in the foot wall in two steps through the recovery approach，and solves the contradiction between mining efficiency and ore loss and dilution;the rock movement range is controlled with filling collapse pit method based on critical loose body column support theory.Application practice shows that the technology effectively solves the challenge facing caving mining method when inclined ore bodies are mined and increases the mine production capacity to 4 million t/a，and the mining loss rate and ore dilution rate are controlled at 14.8 % and 12.6 % respectively，the surface collapse angle is 76° inward inclined.The method achieves green and efficient mining with low dilution and loss.

Keywords：inclined ore body;caving mining method;zoned mining;mined-out area;induced caving;footwall remnant orebody;surface rock movement control

收稿日期：2020-08-20; 修回日期：2020-08-31

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（51534004）

作者簡介：任鳳玉（1956—），男，內(nèi)蒙古敖漢人，教授，博士生導(dǎo)師，博士，研究方向?yàn)榈V山“三律”（散體流動(dòng)規(guī)律、巖體冒落規(guī)律與地壓活動(dòng)規(guī)律）和破碎難采礦體的采礦方法;主持的重大項(xiàng)目有“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“金屬非金屬礦山重大災(zāi)害致災(zāi)機(jī)理及防控技術(shù)研究”，國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“誘導(dǎo)下巖體斷裂冒落時(shí)空演化”，“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“金屬礦床高效地下開采關(guān)鍵技術(shù)研究及示范”的“地下礦山新型崩落采礦技術(shù)與應(yīng)用”課題等;獲得的主要獎(jiǎng)項(xiàng)有國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)、中國金屬學(xué)會(huì)冶金科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，中國有色金屬工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，中國冶金礦山企業(yè)協(xié)會(huì)冶金礦山科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，中國黃金協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)等;沈陽市和平區(qū)文化路三巷11號(hào)，東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，110819;E-mail：happyrst@163.com