曹安業(yè)，朱亮亮，李付臣，竇林名，趙永亮，張貞良

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實驗室，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實驗室，江蘇 徐州 221116；4.兗州煤業(yè)股份有限公司 鮑店煤礦，山東 鄒城 273513)

厚硬巖層下孤島工作面開采“T”型覆巖結(jié)構(gòu)與
動壓演化特征

曹安業(yè)1,2,3，朱亮亮1,2,3，李付臣4，竇林名1,2,3，趙永亮4，張貞良4

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實驗室，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實驗室，江蘇 徐州 221116；4.兗州煤業(yè)股份有限公司 鮑店煤礦，山東 鄒城 273513)

為研究厚硬巖層下孤島工作面開采對強(qiáng)礦震或沖擊礦壓的影響，理論分析鮑店礦103上05孤島工作面厚硬覆巖空間結(jié)構(gòu)及其破斷運(yùn)動對礦震活動的影響，并對孤島面開采的沖擊礦壓危險性進(jìn)行了動態(tài)評價。研究表明：103上05工作面在豎向剖面上為一非對稱“T”型孤島覆巖結(jié)構(gòu)，其長臂側(cè)易出現(xiàn)關(guān)鍵層大尺度破斷運(yùn)動，誘發(fā)強(qiáng)礦震與沖擊礦壓的危險性較高；在水平層面上亞關(guān)鍵層破斷形成“O”型斷裂結(jié)構(gòu)，巨厚主關(guān)鍵層則以大尺度“OX”模式分層破斷。各級關(guān)鍵層的逐級破斷與運(yùn)動是礦震活動的主要動力源。根據(jù)微震實測，礦震活動多集中在“T”型結(jié)構(gòu)長臂側(cè)，尤其是能量大于105J的強(qiáng)礦震主要出現(xiàn)在103上06采空區(qū)與103上05工作面巨厚主關(guān)鍵層中，并表現(xiàn)出很高的S，P波能量比。通過波速梯度異常區(qū)的動態(tài)反演，對“T”型孤島面覆巖運(yùn)動的動壓危險性進(jìn)行評價，效果良好。同時，分別進(jìn)行煤層靜載預(yù)卸壓與低位頂板走向步距式超前預(yù)裂，降低了強(qiáng)礦震活動對煤體的沖擊擾動效應(yīng)。

厚硬巖層；孤島工作面；覆巖結(jié)構(gòu)；礦震；沖擊礦壓；關(guān)鍵層

覆巖的破壞狀態(tài)和運(yùn)動決定了采煤工作面的礦壓顯現(xiàn)程度，也是煤礦礦震、沖擊礦壓等動力災(zāi)害的重要誘發(fā)因素[1]。特別是面臨多側(cè)采空的孤島工作面開采，由于受相鄰采空區(qū)應(yīng)力疊加影響，工作面附近應(yīng)力集中程度與范圍更高，覆巖斷裂高度、運(yùn)動范圍及劇烈程度更大，若同時存在厚硬巖層、大采深等因素交織影響，其開采誘發(fā)強(qiáng)礦震、沖擊礦壓的危險性也就更高[2-3]。

一些學(xué)者對孤島工作面覆巖結(jié)構(gòu)的分類及其運(yùn)動破壞方式對礦震、沖擊礦壓的影響進(jìn)行了研究，對孤島面開采沖擊礦壓、礦震的監(jiān)測預(yù)警進(jìn)行過有意義的探討[2-10]。例如，姜福興[4]提出了長壁采場覆巖空間結(jié)構(gòu)理論，對“O”、“S”、“C”與“θ”型等不同空間結(jié)構(gòu)下的礦壓規(guī)律進(jìn)行了研究。汪華君[5]研究了四面采空“θ”型空間結(jié)構(gòu)的運(yùn)動與控制，提出利用分階段控制放煤率控制頂板運(yùn)動的方法。成云海等[6]研究了三面采空 “C”型孤島工作面覆巖結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與應(yīng)力場分布規(guī)律。賀虎、王國瑞等[2,8]提出了孤島工作面開采的“T”型覆巖結(jié)構(gòu)形態(tài)與分類。

目前覆巖破斷運(yùn)動規(guī)律研究大多針對單一工作面或單一巖層結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析，而巨厚巖層下孤島面覆巖破斷運(yùn)動往往受相鄰多個工作面的開采地質(zhì)條件影響，或是開采作用下的覆巖空間結(jié)構(gòu)相互影響、協(xié)同運(yùn)動與失穩(wěn)的結(jié)果。本文以兗州鮑店煤礦103上05孤島工作面為例，理論分析該孤島面上覆巨厚關(guān)鍵巖層的大尺度破斷結(jié)構(gòu)與過程，基于礦山微震監(jiān)測探索巨厚覆巖破斷運(yùn)動與強(qiáng)礦震活動的相關(guān)性，為工作面強(qiáng)礦震、沖擊礦壓的防控提供依據(jù)。

1 工程概況

103上05工作面位于鮑店煤礦十采區(qū)南部，地面平均標(biāo)高+42.12 m，井下平均標(biāo)高-428 m，最大采深500 m左右，基本頂為22.64 m厚的粗砂巖，尤其是煤層130 m上方賦存厚達(dá)200 m的巨厚粗砂巖(“紅層”)。更重要的是受壓煤影響，采區(qū)未能有序開采，造成該面形成孤島工作面，即南部與103上06采空區(qū)毗鄰，北部與04，03，02，01采空區(qū)相鄰，東部為井田邊界，西部與二采區(qū)采空區(qū)相鄰，如圖1所示。因此，受多層厚硬巖層與孤島結(jié)構(gòu)的雙重影響，其覆巖運(yùn)動和礦壓顯現(xiàn)特征與普通工作面開采有較大差別，工作面附近應(yīng)力集中程度較高，其開采極易誘發(fā)強(qiáng)礦震甚至沖擊礦壓的發(fā)生。

圖1 103上05工作面布置Fig.1 Layout of 10305 isolated face

圖2為103上05工作面內(nèi)99-1鉆孔綜合柱狀圖，根據(jù)關(guān)鍵層理論，判別煤層上方22.64 m厚的基本頂為低位亞關(guān)鍵層，距煤層106 m、厚約20.07 m的粉砂巖層為高位亞關(guān)鍵層，距煤層約130 m、總厚達(dá)206 m的巨厚“紅層”為高位主關(guān)鍵層。同時，考慮到主關(guān)鍵層內(nèi)存在兩層明顯的泥質(zhì)膠結(jié)軟弱夾層，該巖層更可能是分層破斷。

2 孤島面覆巖空間結(jié)構(gòu)形態(tài)分析

2.1 豎向剖面非對稱“T”型結(jié)構(gòu)特征

關(guān)鍵層理論認(rèn)為關(guān)鍵層對采場上覆巖層局部或直至地表的全部巖層活動起控制作用[11]。在厚硬巖條件下，由于單個工作面開采范圍小，巨厚關(guān)鍵層不一定斷裂，反而是相鄰后續(xù)工作面的開采可能導(dǎo)致巨厚關(guān)鍵層形成大尺度的覆巖結(jié)構(gòu)。103上05工作面北側(cè)01，02，03，04采空區(qū)寬度范圍(約750 m)遠(yuǎn)大于其開采深度(約450 m)，頂板垮落充分，屬充分采動，南側(cè)06采空區(qū)寬度(約200 m)相對較小，覆巖裂隙發(fā)育高度有限，開采尚未能引起高位主關(guān)鍵層的大范圍破斷運(yùn)動。

因此，在覆巖豎向剖面上，103上05工作面屬一側(cè)充分采動、一側(cè)非充分采動的非對稱“T”型孤島工作面。考慮到巨厚關(guān)鍵層存在兩層軟弱夾層，該巖層應(yīng)該是分層破斷，其回采前覆巖結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖2 99-1鉆孔綜合柱狀圖Fig.2 Synthesis column of borehole 99-1

圖3 103上05工作面回采前“T”型覆巖結(jié)構(gòu)示意Fig.3 T-type overlying strata structure above 10305 isolated face before face mining

因“T”型結(jié)構(gòu)長臂側(cè)主關(guān)鍵層尚未斷裂，103上05工作面回采后，05，06工作面采空區(qū)覆巖易形成一個較大結(jié)構(gòu)拱，引起上覆巨厚巖層的整體性破斷運(yùn)動，誘發(fā)高能量礦震活動，強(qiáng)礦震與沖擊危險性相比短臂側(cè)更高。

2.2 水平層面“O-X”型結(jié)構(gòu)特征

在覆巖水平層面上，各級關(guān)鍵層初次斷裂將以“O-X”模式破壞，且各關(guān)鍵層形成的破斷結(jié)構(gòu)亦有主、亞之分[7]。根據(jù)文獻(xiàn)[2]研究成果，因103上05工作面三側(cè)采空，工作面開采后亞關(guān)鍵層板四邊相繼破斷形成“O”形圈，并擴(kuò)展至兩側(cè)斷裂線，且由于“T”型結(jié)構(gòu)兩側(cè)已采空，斷裂線與兩側(cè)原“OX”工作面“X”破斷線貫通，不能形成完整的“O-X”斷裂線；而主關(guān)鍵層因橫跨05，06等多個工作面，主關(guān)鍵層斷裂形成巨型的“O-X”破斷結(jié)型，如圖4所示。

圖4 “O-X”破斷模式Fig.4 O-X fracturing structures

同時，雖然103上05工作面主關(guān)鍵層厚度巨大，但是因存在軟弱夾層等結(jié)構(gòu)面，主關(guān)鍵層破斷很有可能首先沿弱面剪切形成若干獨(dú)立巖層，然后分層發(fā)生“O-X”破斷[12]，如圖5所示。

圖5 主關(guān)鍵層的弱面剪切與“O-X”分層破斷模式Fig.5 Weak plane shear and O-X fracture model of main key strata

3 “T”型覆巖空間結(jié)構(gòu)運(yùn)動對礦震活動的影響

3.1 “T”型覆巖空間結(jié)構(gòu)誘發(fā)震動過程

103上05工作面上方各級關(guān)鍵層的逐級破斷，造成工作面頂板及兩側(cè)巷道煤壁應(yīng)力的疊加連鎖反應(yīng)，是礦震活動的動力源。

根據(jù)文獻(xiàn)[13]，懸頂系統(tǒng)貯存的彈性能為

(1)

式中，U為系統(tǒng)的變形能；ε為系統(tǒng)的應(yīng)變矩陣；σ為系統(tǒng)的應(yīng)力矩陣；V為貯能系統(tǒng)的體積。

考慮103上05工作面的孤島狀態(tài)，設(shè)“T”型覆巖懸頂結(jié)構(gòu)為沿走向方向的簡支梁，在均布載荷q作用下，式(1)[13]可表達(dá)為

(2)

式中，q為均布載荷，Pa；l為懸梁長度，m；b為梁寬，m；E為抗彎剛度；I為梁的橫截面慣性矩；h為梁厚，m。

可見，頂板懸頂越長，其破斷釋放彈性能越多，誘發(fā)礦震能級也越高。基于式(2)與十采區(qū)煤巖物理力學(xué)性質(zhì)，可得亞關(guān)鍵層釋放的總彈性能處于105～106J級，主關(guān)鍵層釋放的總彈性能處于108～109J級。同時，覆巖破斷釋放的總能量中約有0.1%～1%是以礦震震動波的形式釋放[14]，故主、亞關(guān)鍵層破斷過程中誘發(fā)礦震能級分別處于105～107J，102～104J級。

針對103上05工作面的非對稱“T”型孤島結(jié)構(gòu)，頂板產(chǎn)生礦震過程可包括[2]：低位亞關(guān)鍵層拉破斷→低位關(guān)鍵塊旋轉(zhuǎn)擠壓→“T”型長、短臂低位亞關(guān)鍵層旋轉(zhuǎn)失穩(wěn)→高位亞關(guān)鍵層拉破斷→高位亞關(guān)鍵塊旋轉(zhuǎn)→“T”型長、短臂高位亞關(guān)鍵層滑移失穩(wěn)→低位巖層被動失穩(wěn)→“T” 型長臂主關(guān)鍵層弱面剪切→“T” 型長臂主關(guān)鍵層“O-X”破斷。初次震動循環(huán)完成后，相繼發(fā)生周期震動循環(huán)。覆巖局部斷裂誘發(fā)礦震示意如圖6所示。

圖6 覆巖破斷誘發(fā)礦震過程Fig.6 The process of tremors induced by strata fracturing

3.2 “T”型孤島面開采礦震震源空間演化

如圖7所示，103上05工作面開采后，“T”型長臂側(cè)的05，06工作面區(qū)域礦震活動較集中，覆巖運(yùn)動較劇烈，動壓危險性高，而“T”型短臂側(cè)的礦震分布相對較少，動壓危險性較低。

圖7 部分開采時期礦震活動平面分布Fig.7 Plan view of seismic events during partical mining period of 10305 isolated face

圖8為能量E>105J強(qiáng)礦震空間分布情況?？梢?，強(qiáng)礦震主要分布在“T”型結(jié)構(gòu)長臂側(cè)的巨厚關(guān)鍵層中。05，06工作面的長臂結(jié)構(gòu)使關(guān)鍵層形成大面積懸空條件，關(guān)鍵層大尺度破斷、運(yùn)動誘發(fā)強(qiáng)礦震活動，多次造成工作面礦壓異常與地表晃動。

S，P波的能量比，可快速判別巖層破斷誘發(fā)礦震震源破裂類型。巖層剪切破斷或滑移失穩(wěn)的明顯證據(jù)，即P波能量為S波的一小部分[15]。103上05工作面開采誘發(fā)的高能量強(qiáng)礦震表現(xiàn)出很高的S，P波能量比(ES/EP>20)，甚至達(dá)103數(shù)量級，如圖9所示，ES/EP<10的只占9%?？梢?，強(qiáng)礦震活動主要受“T”型長臂主關(guān)鍵層的層面剪切、滑移失穩(wěn)等誘發(fā)。

4 “T”型孤島面開采動壓危險的P波波速動態(tài)評價

研究表明，高應(yīng)力或高應(yīng)力差區(qū)域，往往出現(xiàn)P波波速的正異常或波速梯度異常[16-17]。煤層開采后形成的采空區(qū)導(dǎo)致覆巖加載到相鄰支撐區(qū)域，形成應(yīng)力降低區(qū)與高應(yīng)力區(qū)。應(yīng)力降低區(qū)(采空區(qū))對應(yīng)低波速區(qū)，應(yīng)力集中區(qū)對應(yīng)高波速區(qū)，高應(yīng)力差區(qū)域則波速梯度變化明顯[16-17]。因此，基于礦山微震監(jiān)測，進(jìn)行礦震P波波速或波速梯度的層析成像，可對103上05工作面“T”型孤島覆巖運(yùn)動誘發(fā)的動壓危險性進(jìn)行動態(tài)評價。

圖10(a)為103上05工作面2012年3月開采初期頂板內(nèi)P波波速梯度成像云圖。圖中比色條代表P波波速梯度異常值A(chǔ)n，且有An=(VG-VGa)/VG,VG為正某點(diǎn)P波波速梯度值，VGa為波速梯度平均值。當(dāng)An為正異常時，數(shù)值越大應(yīng)力集中程度越高，當(dāng)An為負(fù)異常時，絕對值越大卸壓程度越高。由圖可見，高波速梯度異常區(qū)域主要分布在“T”型結(jié)構(gòu)長臂側(cè)的05工作面、06采空區(qū)交接處，判定該區(qū)域為強(qiáng)礦震異常區(qū)，后續(xù)開采階段的動壓危險性較高。圖10(b)為103上05工作面4月份能量E>5×103J的礦震分布，可見下一回采階段的高能量強(qiáng)礦震主要發(fā)生于高波速梯度區(qū)域內(nèi)。

圖10(c)為103上05工作面2012年4月頂板內(nèi)P波波速梯度成像云圖，可見高波速梯度異常的反演可信區(qū)域仍主要分布在“T”型結(jié)構(gòu)長臂側(cè)的05工作面及05，06面交接處，上述區(qū)域在后續(xù)開采階段為強(qiáng)礦震異常區(qū)，動壓危險性較高。圖10(d)為103上05工作面5月份能量E>5×103J的礦震分布，下一階段的高能量礦震主要發(fā)生于高波速梯度異常區(qū)域內(nèi)。

圖10(e)為103上05工作面2012年7月份頂板內(nèi)P波波速梯度成像圖。由圖可見，高波速梯度異常區(qū)域仍主要分布在“T”型結(jié)構(gòu)長臂側(cè)05,06工作面區(qū)域，而8月份能量E>5×103J的礦震、尤其是E>5×105J的高能量礦震主要發(fā)生于高波速梯度異常區(qū)域內(nèi)或臨近區(qū)域，可見103上05工作面開采的強(qiáng)動壓危險主要受“T”型結(jié)構(gòu)長臂側(cè)覆巖破斷運(yùn)動所控制。

圖10(g)為103上05工作面2012年9月份臨近終采線開采時頂板內(nèi)P波波速梯度成像圖。由圖可見，隨著工作面逐漸接近十采區(qū)邊界煤柱區(qū)域，采空區(qū)的大范圍貫通及上覆巖層的組合運(yùn)動使P波波速梯度異常區(qū)也有所擴(kuò)大，高波速梯度異常區(qū)在“T”型結(jié)構(gòu)長、短臂及采區(qū)邊界煤柱區(qū)域均有分布。圖10(h)為103上05工作面10月末采階段能量E>5×103J的礦震分布，礦震活動基本分布于反演的高波速梯度可信區(qū)域內(nèi)，耦合性較好。

圖10 P波波速梯度異常反演結(jié)果Fig.10 Velocity inversion results of 10305 isolated face

圖11 103上05工作面大直徑鉆孔卸壓示意Fig.11 Sketch of deep hole pressure-relief in 10305 isolated face

5 “T”型孤島面開采動壓擾動效應(yīng)的防控

為防止“T”型孤島面覆巖空間運(yùn)動誘發(fā)采掘空間沖擊礦壓災(zāi)害，103上05工作面超前對兩巷煤體進(jìn)行了大直徑鉆孔卸壓處理，釋放靜態(tài)彈性能，降低工作面靜載應(yīng)力集中程度，靜載鉆孔弱化方案如圖11所示。

同時，工作面主關(guān)鍵層、高位亞關(guān)鍵層因距離煤層較遠(yuǎn)，無法對其實施深孔爆破、水力致裂等控制措施，只有通過對低位亞關(guān)鍵層實施結(jié)構(gòu)強(qiáng)度弱化，提高煤巖介質(zhì)對震動波的阻尼影響，以降低高位關(guān)鍵層破斷誘發(fā)強(qiáng)礦震對煤體的動態(tài)破壞效應(yīng)。工作面開采過程中，沿推進(jìn)方向在兩巷每隔10 m、超前實施了低位關(guān)鍵層預(yù)裂爆破，弱化頂板結(jié)構(gòu)，減小了基本頂來壓步距和運(yùn)動劇烈程度，如圖12所示。

圖12 103上05工作面頂板預(yù)裂爆破示意Fig.12 Schematic diagram of roof pre-blasting borehole in 10305 isolated face

通過上述對103上05孤島工作面誘發(fā)沖擊危險的靜載、動載力源的針對性解危處理，降低了“T”型孤島面覆巖空間運(yùn)動對工作面煤體的動壓擾動影響，確保工作面安全回采。

6 結(jié) 論

(1)在豎向剖面上103上05工作面為非對稱“T”型孤島結(jié)構(gòu)，且“T”型長臂側(cè)關(guān)鍵層易出現(xiàn)大尺度斷裂運(yùn)動，動壓危險性較高；在水平層面上亞關(guān)鍵層破斷只能形成“O”型斷裂結(jié)構(gòu)，巨厚主關(guān)鍵層易出現(xiàn)大尺度“OX”型分層破斷。工作面“T”型覆巖結(jié)構(gòu)的破斷運(yùn)動，是礦震活動的主要力源。

(2)礦震活動多集中在“T”型結(jié)構(gòu)長臂側(cè)，尤其是強(qiáng)礦震主要發(fā)生于05,06工作面巨厚主關(guān)鍵層中。通過礦震P波波速梯度反演，可動態(tài)評價采動過程中礦震危險區(qū)與動壓危險性，佐證了“T”型覆巖結(jié)構(gòu)運(yùn)動對高能量礦震的誘發(fā)作用。

(3)對工作面分別進(jìn)行煤層靜載預(yù)卸壓與低位頂板走向步距式超前預(yù)裂，提前對煤體動、靜載進(jìn)行弱化處理，提高煤巖介質(zhì)對震動波的阻尼作用，“T”型孤島結(jié)構(gòu)誘發(fā)的強(qiáng)礦震擾動未導(dǎo)致工作面的破壞性沖擊失穩(wěn)。

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CharacteristicsofT-typeoverburdenstructureandtremoractivityinisolatedfaceminingunderthick-hardstrata

CAO An-ye1,2,3，ZHU Liang-liang1,2,3，LI Fu-chen4，DOU Lin-ming1,2,3，ZHAO Yong-liang4，ZHANG Zhen-liang4

(1.SchoolofMines,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221116,China;2.KeyLaboratoryofDeepCoalResourceMining,MinistryofEducationofChina,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221116,China;3.StateKeyLaboratoryofCoalResourceandSafeMining,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221116,China;4.BaodianCoalMine,YanzhouCoalMiningCompanyLimited,Zoucheng273513,China)

To study the influence of isolated coal face mining on rock burst or strong tremor,the structure characteristics of thick-hard strata above 10305 isolated face were analyzed in this paper,and the seismic activity and burst risk were also monitored and analyzed.The results show that the strata structure above 10305 isolated face is an unsymmetrical isolated “T” structure,with the main key strata fractured on the short-arm side and non-fractured on the long-arm side,that is,the long-arm main key strata will fractrure and move in large-scale after face mining,and the risk of strong tremor or rock burst is relatively high.In addition,the inferior key strata can only form “O” fracturing structures,and the super-thick main key strata will form layered “O-X” structures,while the fracturing and movement of main and inferior key strata are the main sources of seismic activities.According to seismic monitoring,seismic events manily located on the long-arm side of “T” structure,especially the strong tremors occurred almost within the super-thick main key strata above 10305 and 10306.Moreover,the stong tremors present high ratios of S-wave to P-wave energy,which means they are mainly the results of shear fracturing or slip movement of main and inferior key strata.The burst risks caused by unsymmetrical “T” structure were evaluated by volocity gradient inversion,and the evaluation results are satisfactory.The big-diameter pressure-relief boreholes in coal seam and pre-blastings in main roof were implemented respectively in advance,and the burst effects of strong tremors were greatly reduced.

thick-hand strata;isolated coal face;overburden structure;tremor;rock burst;key stratum

10.13225/j.cnki.jccs.2013.2019

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973)資助項目(2010CB226805)；國家自然科學(xué)基金青年基金資助項目(51204165)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目(SZBF2011-6-B35)

曹安業(yè)(1982—)，男，江蘇鹽城人，副教授，博士生導(dǎo)師。E-mail:caoanye@163.com。通訊作者：竇林名(1963—)，男，青海平安人，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail:lmdou@126.com

TD324

A

0253-9993(2014)02-0328-08

曹安業(yè)，朱亮亮,李付臣,等.厚硬巖層下孤島工作面開采“T”型覆巖結(jié)構(gòu)與動壓演化特征[J].煤炭學(xué)報,2014,39(2):328-335.

Cao Anye，Zhu Liangliang,Li Fuchen,et al.Characteristics of T-type overburden structure and tremor activity in isolated face mining under thick-hard strata[J].Journal of China Coal Society,2014,39(2):328-335.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.2019