劉志義 候金亮 趙國(guó)彥 任賀旭 薛振林

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，063039 河北 唐山 ；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院 410083 湖南 長(zhǎng)沙)

二步采場(chǎng)上盤(pán)圍巖穩(wěn)定性分析及工程應(yīng)用

劉志義1候金亮1趙國(guó)彥2任賀旭1薛振林1

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，063039 河北 唐山 ；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院 410083 湖南 長(zhǎng)沙)

三山島金礦二步采場(chǎng)上盤(pán)圍巖揭露后出現(xiàn)剝離和掉碴現(xiàn)象，造成礦石的貧化并嚴(yán)重影響采場(chǎng)的安全。采用當(dāng)量暴露面積法和三維有限元法對(duì)不同參數(shù)的二步采場(chǎng)上盤(pán)圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，通過(guò)計(jì)算和分析不同參數(shù)的采場(chǎng)上盤(pán)圍巖的當(dāng)量暴露面積和揭露后的位移量、應(yīng)力變化，結(jié)合極限允許暴露面積判據(jù)、強(qiáng)度理論判據(jù)和容許極限位移量判據(jù)得出不同參數(shù)的采場(chǎng)上盤(pán)圍巖穩(wěn)定情況，并通過(guò)工業(yè)試驗(yàn)提出采場(chǎng)的合理參數(shù)和上盤(pán)圍巖的控制措施。試驗(yàn)表明，采場(chǎng)寬為10 m，高為10 m時(shí)，采場(chǎng)上盤(pán)圍巖揭露后初期穩(wěn)定性較好， 3 d后局部發(fā)生剝離和掉碴現(xiàn)象，不穩(wěn)定區(qū)域主要集中在中部偏上和靠近采場(chǎng)頂板位置，且采用錨索和金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)方式控制采場(chǎng)上盤(pán)圍巖效果較好，有效保證了采場(chǎng)的安全并控制了礦石的貧化率。

二步采場(chǎng) 上盤(pán)圍巖 當(dāng)量暴露面積 有限元計(jì)算 工程應(yīng)用

采場(chǎng)的穩(wěn)定性對(duì)礦山安全經(jīng)濟(jì)有效地開(kāi)采有著重要的影響，有效保證采場(chǎng)的穩(wěn)定對(duì)礦山的生產(chǎn)有著重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。我國(guó)很多礦山為滿(mǎn)足生產(chǎn)需要，大多采用分礦房礦柱方式開(kāi)采，即先采礦房后采礦柱。然而，在開(kāi)采礦柱時(shí)，其兩側(cè)為強(qiáng)度較弱的充填體，而礦柱本身受采場(chǎng)應(yīng)力集中和爆破震動(dòng)影響強(qiáng)度也變?nèi)酰虼嗽斐傻V柱開(kāi)采時(shí)采場(chǎng)的穩(wěn)定性較差。國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究。例如，姚銀佩[1]針對(duì)新城金礦二步采場(chǎng)的穩(wěn)定性，采用力學(xué)理論和有限元理論，對(duì)充填體的自立能力及采場(chǎng)不同參數(shù)對(duì)頂板穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了研究，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)進(jìn)行了驗(yàn)證；李啟月[2]應(yīng)用有限元理論，對(duì)高應(yīng)力大階段二步采場(chǎng)分段開(kāi)挖過(guò)程中采場(chǎng)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，為礦山采礦方法和支護(hù)參數(shù)的選擇提供了重要的技術(shù)參考；張曉樸[3]采用區(qū)域微震監(jiān)測(cè)與局部點(diǎn)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方式，對(duì)二步采場(chǎng)不同跨度下的采場(chǎng)頂板應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，為采場(chǎng)的穩(wěn)定性作出了準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。然而，對(duì)于傾斜礦體采場(chǎng)的穩(wěn)定性，除了頂板還應(yīng)考慮上盤(pán)圍巖的穩(wěn)定性，因?yàn)樯媳P(pán)圍巖是否穩(wěn)定直接影響礦體的回收率和貧化率，而針對(duì)傾斜礦體采場(chǎng)上盤(pán)圍巖的穩(wěn)定性及支護(hù)方式的研究相對(duì)較少。

本研究結(jié)合三山島金礦采場(chǎng)上盤(pán)穩(wěn)定性較差易垮落問(wèn)題,采用當(dāng)量暴露面積法和數(shù)值模擬法,對(duì)上盤(pán)圍巖不同暴露面積下的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)提出采場(chǎng)的合理參數(shù)和上盤(pán)圍巖的控制措施，為礦山安全高效生產(chǎn)提供支撐。

1 工程概況

三山島金礦是我國(guó)大型地下開(kāi)采礦山，礦體主要賦存在黃鐵絹英巖化碎裂巖和黃鐵絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖等蝕變巖內(nèi)，裂隙不發(fā)育，巖石一般較完整[4]。斷裂帶內(nèi)主斷層為F1，位于斷裂帶中偏上部，由斷層泥、糜棱巖及構(gòu)造角礫巖組成，該斷層是成礦期的主要控礦構(gòu)造，沿主斷面穩(wěn)定分布的斷層泥對(duì)深部上升的成礦熱液起到阻隔富集作用。因而，金礦的主礦體產(chǎn)于斷層主裂面以下[5-6]。斷層成礦后有較弱的活動(dòng)，顯張性，使局部礦體被破碎。主斷面延展穩(wěn)定，兩側(cè)發(fā)育有1～10 m厚的碎裂巖帶。主斷裂F1下盤(pán)為礦體，F(xiàn)1斷層面上斷層泥一般厚5～10 cm，靠近F1斷層的巖石破碎，節(jié)理、裂隙發(fā)育，工程揭露后易坍塌。

礦體總體走向62°，傾向南東，傾角平均40°左右。礦體直接上盤(pán)圍巖為絹英化碎裂巖、絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖，礦體下盤(pán)為黃鐵絹英巖化黃崗質(zhì)碎裂巖或黃鐵絹英巖化碎裂巖[7]。礦山設(shè)計(jì)采用盤(pán)區(qū)法分層充填采礦法進(jìn)行開(kāi)采，采場(chǎng)上盤(pán)圍巖由于接近F1斷層，頂板圍巖的穩(wěn)定性受F1斷層影響顯著，開(kāi)采時(shí)采場(chǎng)內(nèi)易發(fā)生較大規(guī)模的剝離和掉碴現(xiàn)象。為滿(mǎn)足礦山生產(chǎn)需要，礦山改用中深孔落礦法回采二步礦房，但回采時(shí)，由于應(yīng)力集中、礦巖受爆破振動(dòng)影響完整性遭受破壞、礦體強(qiáng)度下降及兩側(cè)充填體強(qiáng)度低等原因，使采場(chǎng)穩(wěn)定性大幅下降，尤其是上盤(pán)圍巖穩(wěn)定性較差，礦塊作業(yè)安全性和回采強(qiáng)度大幅下降，且增加了礦石貧化率，難以適應(yīng)公司對(duì)礦山增產(chǎn)擴(kuò)能的需要。

2 當(dāng)量暴露面積法分析上盤(pán)圍巖穩(wěn)定性

大量研究表明，當(dāng)采場(chǎng)形狀不同而暴露面積相同時(shí)，頂板的應(yīng)力狀態(tài)是不同的，相應(yīng)的穩(wěn)定程度也就不同。而大部分采場(chǎng)的形狀主要分為長(zhǎng)方形采場(chǎng)和正方形采場(chǎng)，張志文[8]認(rèn)為當(dāng)正方形采場(chǎng)頂板應(yīng)力的最大值和長(zhǎng)方形采場(chǎng)頂板應(yīng)力的最大值相等時(shí)，即兩者穩(wěn)定性狀態(tài)相同時(shí)，同一巖體中，長(zhǎng)方形采場(chǎng)的暴露面積相對(duì)于正方形采場(chǎng)暴露面積的折合值就稱(chēng)為當(dāng)量暴露面積。當(dāng)量暴露面積相等表明采場(chǎng)頂板最大應(yīng)力相等，因此，當(dāng)量暴露面積主要反映了采場(chǎng)頂板應(yīng)力最大值的大小，而與采場(chǎng)具體形狀無(wú)關(guān)，即其只與采場(chǎng)的長(zhǎng)邊值和短邊值有關(guān)。

國(guó)外學(xué)者比爾(Beer)和米克(Meek)研究表明，正方形采場(chǎng)的頂板基本沿對(duì)角線方向發(fā)生破壞，其破壞跡線如圖1所示。而長(zhǎng)方形采場(chǎng)頂板中間有1條裂縫，兩端有2個(gè)三角形的破壞區(qū)，其破壞跡線如圖2所示。

圖1 正方形采場(chǎng)頂板破壞跡線Fig.1 Damage traces of square stope roof

圖2 長(zhǎng)方形采場(chǎng)頂板破壞跡線Fig.2 Damage traces of rectangular stope roof

根據(jù)推導(dǎo)計(jì)算可知，矩形采場(chǎng)的當(dāng)量暴露面積的計(jì)算公式為

(1)

式中,Se為當(dāng)量暴露面積，m2；a為采場(chǎng)的長(zhǎng)邊值；b為采場(chǎng)短邊值；k為長(zhǎng)短比參數(shù)，k=a/b。

由式(1)可知，采場(chǎng)當(dāng)量暴露面積只受采場(chǎng)的長(zhǎng)邊和短邊影響，而其本身又與采場(chǎng)頂板應(yīng)力的最大值有緊密關(guān)系，因此，該參數(shù)能比較客觀地評(píng)價(jià)采場(chǎng)頂板的穩(wěn)定性。當(dāng)采場(chǎng)頂板的當(dāng)量暴露面積超過(guò)了礦巖的極限暴露面積時(shí)，則采場(chǎng)有冒頂?shù)奈ｋU(xiǎn)，反之則安全[9]。

由于礦山采用中深孔爆破回采二步采場(chǎng)礦體，考慮采場(chǎng)的安全和生產(chǎn)效率，合理的開(kāi)采高度為10～15m，因此，根據(jù)式(1)計(jì)算得到不同寬度和不同高度的采場(chǎng)上盤(pán)的當(dāng)量暴露面積變化曲線，如圖3所示。

由圖3可知上盤(pán)圍巖當(dāng)量暴露面積隨采場(chǎng)高度的變化呈線性增長(zhǎng)，其受采場(chǎng)高度的影響要比受采場(chǎng)寬度的影響大，即當(dāng)量暴露面積隨采場(chǎng)高度增加的變化率比隨采場(chǎng)寬度增加的變化率要大，因此在安全的前提下，采場(chǎng)開(kāi)采過(guò)程中可適當(dāng)降低采場(chǎng)高度、加大采場(chǎng)寬度，這樣既能保證采場(chǎng)的生產(chǎn)能力，也能保證采場(chǎng)的安全及降低礦石貧化率。

(a)不同采場(chǎng)寬度■—采場(chǎng)高10 m;▲—采場(chǎng)高12.5 m;◆—采場(chǎng)高15 m

(b)不同采場(chǎng)高度■—采場(chǎng)高8 m;▲—采場(chǎng)高10 m;◆—采場(chǎng)高12 m圖3 不同采場(chǎng)參數(shù)上盤(pán)圍巖當(dāng)量暴露面積變化曲線Fig.3 Variation curve of equivalent exposed area of hanging wall rock with different structure parameters

3 上盤(pán)圍巖穩(wěn)定性的有限元理論分析

3.1 計(jì)算模型的建立

根據(jù)三山島金礦西山礦區(qū)礦體的開(kāi)采情況，礦體分兩步驟回采，先采礦房后采礦柱，礦房采用上向水平分層充填法開(kāi)采，采用灰砂比1∶8進(jìn)行充填，礦柱采用中深孔落礦進(jìn)行開(kāi)采。因此，計(jì)算模型可分為5個(gè)部分，分別是上、下盤(pán)圍巖，礦體和采場(chǎng)頂、底板，如圖4所示。模型中，x方向?yàn)榈V體走向，y方向?yàn)榈V體水平厚度方向即采場(chǎng)開(kāi)挖方向，z方向?yàn)榈V體豎直方向。

圖4 計(jì)算模型Fig.4 Numerical simulation model

3.2 有限元數(shù)值模擬計(jì)算方案

根據(jù)礦區(qū)上盤(pán)圍巖力學(xué)數(shù)測(cè)試可知，靠近F1斷層的上盤(pán)礦巖硬度系數(shù)f=4～6，屬中等穩(wěn)固[10]。根據(jù)礦巖的穩(wěn)固性可知，中等穩(wěn)固礦巖不支護(hù)的允許暴露面積為50～200 m2。結(jié)合基于當(dāng)量暴露面積法的上盤(pán)圍巖穩(wěn)定性分析結(jié)果可知，采場(chǎng)的寬為8～12 m，高為10～12 m。因此，本模型根據(jù)礦柱的不同開(kāi)采寬度和高度對(duì)采場(chǎng)上盤(pán)圍巖的應(yīng)力、位移進(jìn)行計(jì)算，分析不同采場(chǎng)參數(shù)下上盤(pán)圍巖的穩(wěn)定性，計(jì)算方案如表1所示。

表1 計(jì)算方案

Table 1 Calculation scheme m

3.3 模型計(jì)算力學(xué)參數(shù)

通過(guò)對(duì)三山島金礦西山礦區(qū)的巖體工程地質(zhì)調(diào)查、礦體取樣測(cè)試及充填體強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，有限元計(jì)算中的材料力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 巖體和充填體力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameter of rock mass and backfill body

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

3.4.1 上盤(pán)圍巖位移沉降分析

在采場(chǎng)上盤(pán)圍巖的橫向(A-A)和縱向(B-B)的中部分別布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每隔2 m布置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)采場(chǎng)寬度和高度變化后的上盤(pán)圍巖沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。

圖5 上盤(pán)圍巖監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置Fig.5 Location of monitoring points on hanging wall rock

通過(guò)計(jì)算分析，上盤(pán)圍巖沿A-A方向、B-B方向的位移沉降變化關(guān)系如圖6、圖7所示。

圖6 上盤(pán)圍巖沿A-A方向位移沉降變化曲線Fig.6 Variation curve of displacement alongA-A direction from hanging wall rock■—寬8 m;▲—寬10 m;◆—寬12 m

圖7 上盤(pán)圍巖沿B-B方向位移沉降變化曲線Fig.7 Variation curve of displacement alongB-B direction from hanging wall rock■—寬8 m;▲—寬10 m;◆—寬12 m

由圖6可知：上盤(pán)圍巖沿A-A方向的位移沉降隨采場(chǎng)寬度的增加而呈不均勻增加，增幅越來(lái)越大，且當(dāng)寬度為12 m時(shí)，位移沉降增加量較大，最大達(dá)14 mm；上盤(pán)圍巖在A-A方向上的中部沉降量最大，且隨著采場(chǎng)寬度的增加，數(shù)值逐漸增大，同時(shí)不均勻沉降也越來(lái)越明顯；采場(chǎng)高度增加后，上盤(pán)圍巖的整體位移量變大。

由圖7可知：上盤(pán)圍巖沿B-B方向的位移沉降隨采場(chǎng)寬度的增加呈均勻增加，增幅變化不大，且越靠近采場(chǎng)頂板位置位移量越大；自上盤(pán)圍巖中部向頂板方向靠近，位移量的增長(zhǎng)率很大，圍巖沉降量近似呈線性增長(zhǎng)。

上盤(pán)圍巖位移變化云圖如圖8所示。由圖中可以看出，上盤(pán)圍巖最大位移量的區(qū)域集中在上盤(pán)圍巖中部以上靠近采場(chǎng)頂板的位置，且當(dāng)采場(chǎng)高度增加時(shí)，最大位移量的分布區(qū)域會(huì)增加，上盤(pán)的不穩(wěn)定區(qū)域就會(huì)變大，有產(chǎn)生大面積冒落的可能，這將嚴(yán)重影響采場(chǎng)的安全性，因此，在開(kāi)采過(guò)程中要加強(qiáng)該區(qū)域的支護(hù)。

圖8 上盤(pán)圍巖位移變化云圖Fig.8 Displacement nephogram of hanging wall rock

3.4.2 上盤(pán)圍巖應(yīng)力分析

不同寬度和高度采場(chǎng)的上盤(pán)圍巖應(yīng)力變化計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖9 上盤(pán)圍巖拉應(yīng)力變化特征Fig.9 Ensile stress variation of hanging wall rocks■—采場(chǎng)寬度10 m;◆—采場(chǎng)高度10 m

由圖9可知：采場(chǎng)高度為12 m時(shí)，上盤(pán)圍巖的拉應(yīng)力比采場(chǎng)高度為10 m時(shí)的大；采場(chǎng)高度為12 m時(shí)，上盤(pán)圍巖的拉應(yīng)力變化率比采場(chǎng)高度為10 m時(shí)的大，且變化較大；采場(chǎng)高度為10 m時(shí)拉應(yīng)力變化率較小且平穩(wěn)；當(dāng)采場(chǎng)高度為12 m時(shí)，不同寬度采場(chǎng)上盤(pán)圍巖的拉應(yīng)力均大于上盤(pán)巖石的抗拉強(qiáng)度，即上盤(pán)巖石發(fā)生了破壞。

由應(yīng)力云圖可知：上盤(pán)圍巖應(yīng)力區(qū)域隨著寬度的增加不斷擴(kuò)大，拉應(yīng)力區(qū)主要分布在上盤(pán)圍巖中部偏上；當(dāng)采場(chǎng)高度為12 m時(shí)，拉應(yīng)力分布區(qū)域明顯擴(kuò)大，且與頂板相交處基本交匯；當(dāng)采場(chǎng)高度為10 m時(shí)，拉應(yīng)力區(qū)分布相對(duì)較小，且主要分布在上盤(pán)圍巖中部偏上。如圖10所示。因此，在生產(chǎn)中應(yīng)在該位置加強(qiáng)支護(hù)。

圖10 上盤(pán)圍巖應(yīng)力云圖Fig.10 Stress nephogram of hanging wall rocks

綜合上述當(dāng)量暴露面積法和有限元法對(duì)上盤(pán)圍巖的穩(wěn)定性分析，建議二步采場(chǎng)的寬度為10 m，高度為10 m，同時(shí)，在開(kāi)采過(guò)程要加強(qiáng)上盤(pán)圍巖暴露面中部以上區(qū)域的支護(hù)。

4 工業(yè)試驗(yàn)

將上述建議的采場(chǎng)參數(shù)應(yīng)用到三山島金礦553#盤(pán)區(qū)4號(hào)采場(chǎng)，采場(chǎng)采用中深孔落礦進(jìn)行開(kāi)采。上盤(pán)圍巖揭露后初期穩(wěn)定性較好，3 d之后上盤(pán)圍巖中部偏上位置出現(xiàn)剝離和掉碴現(xiàn)象，尤其是在爆破震動(dòng)的影響下掉碴現(xiàn)象非常嚴(yán)重，嚴(yán)重影響采場(chǎng)的安全和礦石的貧化率，如圖11所示。因此，為確保開(kāi)采安全，礦山采用錨索和金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)方式對(duì)上盤(pán)圍巖進(jìn)行支護(hù)，尤其對(duì)上盤(pán)圍巖中部偏上位置加強(qiáng)支護(hù)，如圖12所示。

圖11 回采采場(chǎng)上盤(pán)圍巖Fig.11 Hanging wall rock of mining stope

圖12 回采采場(chǎng)上盤(pán)圍巖支護(hù)Fig.12 Support of hanging wall rock of mining stope

工業(yè)試驗(yàn)證明，寬10 m、高10 m的二步采場(chǎng)上盤(pán)圍巖揭露后初期穩(wěn)定性較好，后期采用錨索和金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)能有效控制圍巖的位移變形，保證了采場(chǎng)的安全，降低了礦石的貧化率。

5 結(jié) 論

(1)該礦區(qū)采場(chǎng)上盤(pán)圍巖的穩(wěn)定性受采場(chǎng)高度的影響較為明顯，當(dāng)采場(chǎng)高度由10 m增加到12 m時(shí)，采場(chǎng)上盤(pán)圍巖的當(dāng)量暴露面積、應(yīng)力的增加量比采場(chǎng)高度由8 m增加到10 m的大很多，且上盤(pán)圍巖產(chǎn)生的拉應(yīng)力超出了圍巖自身的抗拉強(qiáng)度，最大位移量的范圍產(chǎn)生了很大的擴(kuò)展。

(2)采場(chǎng)上盤(pán)圍巖的不穩(wěn)定區(qū)主要集中在中部偏上和靠近采場(chǎng)頂部位置，開(kāi)采過(guò)程中要加強(qiáng)支護(hù)。

(3)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)可知，上盤(pán)圍巖揭露后初期穩(wěn)定性較好，后期出現(xiàn)剝離和掉碴現(xiàn)象，甚至產(chǎn)生局部冒頂現(xiàn)象；經(jīng)采用錨索和金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，能有效控制上盤(pán)圍巖變形，降低了采場(chǎng)礦石的貧化率，保證了采場(chǎng)開(kāi)采安全。

(4)綜上所述，建議礦山二步采場(chǎng)的寬為10 m，高為10 m，且采用錨索和金屬網(wǎng)對(duì)上盤(pán)圍巖進(jìn)行支護(hù)，尤其要加強(qiáng)上盤(pán)圍巖中部偏上和靠近采場(chǎng)頂部位置的支護(hù)，這樣能有效控制上盤(pán)圍巖變形，保證采場(chǎng)的安全和降低礦石的貧化率。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Engineering Application and Stability Analysis of the Hanging Wall Rock of the Second-step Stope

Liu Zhiyi1Hou Jinliang1Zhao Guoyan2Ren Hexu1Xue Zhenlin1

(1.SchoolofMiningEngineering，NorthChinaUniversityofScienceandTechnology2.SchoolofResourcesandSafetyEngineering，CentralSouthUniversity)

Ore dilution and stope safety were seriously affected by the phenomenon of stripping and rockfall occurred in the hanging wall rock of second-step stope in Sanshandao Gold Mine.Equivalent exposed area method and 3D-FEM were combined to analyze the stability of the hanging wall rock of second-step stope with different structure parameters.Equivalent exposed area，displacement and stress variation were calculated when the hanging wall rock was exposed with different parameters of the stope，stable situation was reflected based on the Maximum Permissible Exposure Area Criterion，Strength Theory Criterion and Maximum Permissible Displacement Criterion.The reasonable parameters of the stope and control measures of the hanging wall rock were suggested to apply according to the industrial test with the theoretical results.The test showed that the phenomenon of stripping and rockfall was occurred when the hanging wall rock was exposed after three days，though which was stable during the early days.The unstable areas were distributed at the mid-height of the hanging wall rock，and the location near stope roof.The combination support pattern of cable and wire mesh was adopted to control the deformation of the hanging wall rock，the supporting effect was good and stope safety and ore dilution were effectively guaranteed according to the industrial test.

Second-step stope，Hanging wall rock，Equivalent exposed area，F(xiàn)EM simulation，Engineering application

2015-08-03

華北理工大學(xué)青年基金項(xiàng)目(編號(hào)：Z201407)。

劉志義(1987—),男,助教,碩士。

TD803

A

1001-1250(2015)-11-143-06