王劍波 周 偉 吳冷峻 賈安民

(1.山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司三山島金礦,山東 萊州 261442；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山 243000；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

遠(yuǎn)程集中控制技術(shù)在調(diào)節(jié)通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)壓平衡中的應(yīng)用

王劍波1周 偉2，3吳冷峻2，3賈安民2，3

(1.山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司三山島金礦,山東 萊州 261442；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山 243000；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

圍繞三山島金礦深井開采中出現(xiàn)的兩礦區(qū)系統(tǒng)風(fēng)壓不平衡問題，采用通風(fēng)系統(tǒng)遠(yuǎn)程集中控制技術(shù)、風(fēng)機變頻技術(shù)以及井下通風(fēng)參數(shù)監(jiān)測技術(shù)，對分布于井下各處機站的風(fēng)機及主要通風(fēng)巷道的風(fēng)流風(fēng)壓參數(shù)進(jìn)行計算機遠(yuǎn)程集中監(jiān)測監(jiān)控。在保證系統(tǒng)總風(fēng)量達(dá)到設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，通過對兩礦區(qū)主回風(fēng)機站風(fēng)機運行頻率適時綜合調(diào)控，各貫通處流動風(fēng)量由90.60 m3/s減少至13.6 0 m3/s，有效緩解了兩礦區(qū)之間污風(fēng)相互串聯(lián)影響。通風(fēng)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定運行為加快推進(jìn)礦山數(shù)字化建設(shè)進(jìn)程邁出堅實一步。

遠(yuǎn)程集中控制技術(shù) 風(fēng)機變頻技術(shù) 風(fēng)壓平衡 礦山數(shù)字化建設(shè)

三山島金礦是我國第一個從事大陸架濱海礦床地下開采的硬巖礦山，目前開采的礦體大部分位于海水以下，主要生產(chǎn)礦區(qū)西山礦區(qū)、新立礦區(qū)設(shè)計均采用豎井和斜坡道聯(lián)合開拓，盤區(qū)上向分層充填采礦法開采，礦山設(shè)計生產(chǎn)能力8 000 t/d。西山礦區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)采用主斜坡道、主豎井、進(jìn)風(fēng)井進(jìn)風(fēng)，兩翼南、北風(fēng)井回風(fēng)的對角抽出式通風(fēng)方式。新立礦區(qū)采用中部副井、混合井和措施井進(jìn)風(fēng)，東、西兩端回風(fēng)井出風(fēng)的兩翼抽出式通風(fēng)方式。

1 兩礦區(qū)貫通處風(fēng)流情況

近年來，隨著礦山生產(chǎn)規(guī)模逐年擴大，主要作業(yè)中段逐步延深、生產(chǎn)布局發(fā)生變化，西山和新立兩礦區(qū)在-150、-240、-330、-420、-600 m等中段貫通，原本就多中段、大范圍開采的2個比較復(fù)雜的通風(fēng)系統(tǒng)實際上成為1個更為復(fù)雜的通風(fēng)系統(tǒng)。兩礦區(qū)貫通處通風(fēng)情況具體為：①-150 m水平貫通處風(fēng)量26.87 m3/s，風(fēng)向為西山礦區(qū)至新立礦區(qū)；②-240 m水平貫通處風(fēng)量4.21 m3/s，風(fēng)向為西山礦區(qū)至新立礦區(qū)；③-320 m水平貫通處風(fēng)量31.09 m3/s，風(fēng)向為新立礦區(qū)至西山礦區(qū)；④-420 m水平貫通處風(fēng)量3.70 m3/s，風(fēng)向為新立礦區(qū)至西山礦區(qū)；⑤-600 m水平貫通處風(fēng)量24.73 m3/s，風(fēng)向為新立礦區(qū)至西山礦區(qū)(-600 m水平聯(lián)巷封閉完好，主要從盲豎井和卸礦站漏入)。

貫通巷道相互流動總風(fēng)量為90.60 m3/s，兩礦區(qū)在相互貫通大巷之間的風(fēng)壓平衡問題如果不妥善解決，其中1個系統(tǒng)的污風(fēng)將影響另外1個系統(tǒng)，造成污風(fēng)串聯(lián)及短路漏風(fēng)問題，進(jìn)而嚴(yán)重影響到整個井下生產(chǎn)作業(yè)能否安全順利進(jìn)行。

2 通風(fēng)系統(tǒng)遠(yuǎn)程集中控制技術(shù)研究

隨著計算機網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)以及變頻驅(qū)動技術(shù)日益成熟，計算機遠(yuǎn)程集中監(jiān)控技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)用于井下多機站通風(fēng)系統(tǒng)，不僅使多機站通風(fēng)系統(tǒng)成為名副其實的可控式通風(fēng)系統(tǒng)，而且具有顯著的節(jié)能效果。由于三山島金礦多機站通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)機數(shù)量多，而且分布在井下的廣大區(qū)域內(nèi)，因而風(fēng)機的控制與管理非常不便，管理人員不能隨時了解全礦風(fēng)機的運行狀況，也不能根據(jù)生產(chǎn)需要隨時對某些風(fēng)機進(jìn)行開停及調(diào)速控制，以最大限度地節(jié)約通風(fēng)能耗[1]。

2.1 通風(fēng)系統(tǒng)機站風(fēng)機分布情況和監(jiān)控范圍

2.1.1 西山礦區(qū)

南風(fēng)井-150 m回風(fēng)機站維持現(xiàn)狀，運行1臺DK54-8-№27風(fēng)機(主扇)，電機功率2×280 kW，降壓啟動。

北風(fēng)井-150 m回風(fēng)機站，運行1臺DK46(CII)-8-№28風(fēng)機(主扇)，電機功率2×400 kW，變頻啟動。

2.1.2 新立礦區(qū)

西回風(fēng)井-165 m水平回風(fēng)機站，運行1臺DK62-10-№32風(fēng)機(主扇)，電機功率2×450 kW，變頻啟動。

東回風(fēng)井-165 m水平回風(fēng)機站，運行1臺BDK62-8-№26風(fēng)機(主扇)，電機功率2×250 kW，降壓啟動。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)方案

隨著計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的計算機監(jiān)控系統(tǒng)也日益普遍和完善。根據(jù)三山島金礦井下通風(fēng)系統(tǒng)的實際情況，經(jīng)過對各種控制方式的分析比較，監(jiān)控系統(tǒng)采用以工控計算機、Ethernet通訊控制柜、遠(yuǎn)程I/O控制柜和Ethernet、RS-485通訊網(wǎng)絡(luò)為核心的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控技術(shù)，對全礦的4個主回風(fēng)機站共4臺風(fēng)機進(jìn)行遠(yuǎn)程集中監(jiān)控。

2.2.1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成及原理

整個系統(tǒng)由設(shè)在地表調(diào)度室的主控計算機通過Ethernet網(wǎng)絡(luò)采用TCP/IP協(xié)議與設(shè)在井下的Ethernet通訊控制柜進(jìn)行通訊。Ethernet通訊控制柜將通訊數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為符合DCON協(xié)議的數(shù)據(jù)，通過RS-485網(wǎng)絡(luò)與設(shè)在井下風(fēng)機站控制硐室的遠(yuǎn)程I/O控制柜進(jìn)行通訊。遠(yuǎn)程I/O控制柜根據(jù)主控機的指令完成風(fēng)機的啟停、變頻調(diào)速控制，同時完成對風(fēng)機電流、運行頻率、風(fēng)量風(fēng)壓參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測，并將結(jié)果傳回主控計算機。主控計算機對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，將風(fēng)機的運行狀態(tài)和各種監(jiān)測數(shù)據(jù)以圖形(動畫)和文字方式顯示在主控機屏幕上[2]。

2.2.2 監(jiān)控系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)布線

根據(jù)井下機站位置、井巷分布情況、服務(wù)年限及現(xiàn)有通訊網(wǎng)絡(luò)等條件，確定監(jiān)控系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)布線。分別在西山礦區(qū)、新立礦區(qū)調(diào)度室內(nèi)設(shè)置通風(fēng)監(jiān)控主機，可實現(xiàn)通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)全部功能。在礦部總調(diào)度室設(shè)監(jiān)視計算機，可瀏覽全礦通風(fēng)系統(tǒng)運行狀態(tài)參數(shù)[6]。

通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)主干網(wǎng)絡(luò)通訊介質(zhì)采用鎧裝單模光纜，從通訊控制柜到機站內(nèi)的遠(yuǎn)程I/O控制柜通訊網(wǎng)絡(luò)采用RS-485通訊電纜，通訊網(wǎng)絡(luò)布線如監(jiān)控系統(tǒng)方案圖1所示。

(1)西山礦區(qū)。通訊光纜由設(shè)在西山礦區(qū)地表調(diào)度室的光纖收發(fā)器經(jīng)管纜井下到-150 m水平，經(jīng)回風(fēng)巷進(jìn)入南風(fēng)井-150 m水平回風(fēng)機站的1#Ethernet通訊控制柜，從1#通訊柜分出1路RS-485通訊電纜進(jìn)入本機站的遠(yuǎn)程I/O控制柜；同時1#Ethernet通訊控制柜分出1路Ethernet通訊光纜，沿-150m水平大巷沿北進(jìn)入北風(fēng)井回風(fēng)機站的2#Ethernet通訊控制柜從2#Ethernet通訊控制柜分出1路RS-485通訊電纜進(jìn)入本機站的遠(yuǎn)程I/O控制柜。

(2)新立礦區(qū)。通訊光纜由設(shè)在新立礦區(qū)地表調(diào)度室的光纖收發(fā)器經(jīng)措施井下到-150 m水平，經(jīng)-150 m東大巷進(jìn)入東風(fēng)井-150 m水平回風(fēng)機站的3#Ethernet通訊控制柜，從3#Ethernet通訊柜分出1路RS-485通訊電纜進(jìn)入本機站的遠(yuǎn)程I/O控制柜；從3#Ethernet通訊柜分出1路通訊光纜沿-150 m大巷向西進(jìn)入西風(fēng)井-150 m水平回風(fēng)機站4#Ethernet通訊控制柜，從4#Ethernet通訊柜分出1路RS-485通訊電纜進(jìn)入本機站的遠(yuǎn)程I/O控制柜。

圖1 通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)方案布置

3 系統(tǒng)風(fēng)壓平衡關(guān)鍵技術(shù)研究

通過將新立礦區(qū)和西山礦區(qū)2個既相互聯(lián)系又相對獨立的通風(fēng)系統(tǒng)統(tǒng)一整合為1個復(fù)雜的多機站通風(fēng)系統(tǒng)，在各自保持其通風(fēng)方式和機站設(shè)置條件下，分析研究其相互間風(fēng)流影響關(guān)系，解決三山島金礦兩礦區(qū)貫通中段風(fēng)流互相影響風(fēng)壓不平衡問題。

研究的關(guān)鍵技術(shù)在于計算機網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、風(fēng)機變頻技術(shù)、井下風(fēng)流與風(fēng)壓參數(shù)監(jiān)測控制技術(shù)以及它們之間的有機結(jié)合形成的成套技術(shù)從而對兩礦區(qū)貫通處巷道風(fēng)壓進(jìn)行實時監(jiān)控調(diào)節(jié)[3]。其主要難點在于自主開發(fā)與計算機網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、風(fēng)機變頻調(diào)控技術(shù)及井下風(fēng)流與環(huán)境參數(shù)監(jiān)測技術(shù)有機結(jié)合的適用于礦山井下惡劣環(huán)境下的先進(jìn)穩(wěn)定可靠的控制單元以及監(jiān)控系統(tǒng)軟件，形成井下通風(fēng)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控系統(tǒng)成套技術(shù)及裝置，實現(xiàn)井下通風(fēng)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控，提升礦山通風(fēng)管理水平和通風(fēng)效果，改善工人工作環(huán)境，預(yù)防職業(yè)病發(fā)生，保證礦山安全生產(chǎn)以及通風(fēng)節(jié)能降耗。

風(fēng)速傳感器安裝在兩礦區(qū)-150、-240、-330、-420、-600 m貫通巷道測風(fēng)點的巷道中心高度，并采用細(xì)鋼絲固定，安裝位置要避開巷道斷面不規(guī)則以及滲水位置，以提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及風(fēng)速傳感器的使用壽命[4]。差壓傳感器安裝在兩礦區(qū)貫通巷道兩幫，盡量避開巷道滲水位置，差壓傳感器含有正負(fù)兩個感應(yīng)孔，正負(fù)感應(yīng)孔與正負(fù)兩段導(dǎo)壓軟管連接。正段導(dǎo)壓軟管沿巷道通過風(fēng)墻布置，首端位置置于-150、-240、-330、-420、-600 m貫通巷道測風(fēng)點前10～15 m處的巷道中心高度并用細(xì)鋼絲固定，使導(dǎo)壓軟管的端部與風(fēng)流方向垂直，采集傳導(dǎo)風(fēng)機出風(fēng)口風(fēng)流靜壓。負(fù)段導(dǎo)壓軟管沿巷道布置，末端位置置于測風(fēng)點后5～10 m處的巷道中心高度并用細(xì)鋼絲固定，使導(dǎo)壓軟管的端部與風(fēng)流方向垂直，采集傳導(dǎo)兩礦區(qū)貫通巷道風(fēng)流靜壓。根據(jù)伯努利方程原理，當(dāng)正負(fù)兩段導(dǎo)壓軟管的測點處巷道斷面相同且標(biāo)高一樣時，出口靜壓減去進(jìn)口靜壓即得到風(fēng)機的全壓，直接通過差壓傳感器讀取。為了提高導(dǎo)壓軟管的使用壽命，導(dǎo)壓軟管選用耐腐蝕、耐油污的軟管[5]。差壓傳感器、風(fēng)速傳感器均與PLC控制系統(tǒng)連接。PLC控制系統(tǒng)對風(fēng)速、全壓數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、存儲與處理，以穩(wěn)定運行時間內(nèi)靜壓差的平均值作為兩礦區(qū)貫通巷道的全壓，穩(wěn)定運行時間內(nèi)風(fēng)速的平均值作為-150、-240、-330、-420、-600 m貫通巷道的風(fēng)速。

通過RS-485網(wǎng)絡(luò)與設(shè)在井下機站控制硐室的遠(yuǎn)程I/O控制柜以及變頻器相連，形成計算機通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。I/O控制柜根據(jù)主控機的指令對變頻器進(jìn)行控制，完成風(fēng)機的啟停及調(diào)速控制，并對風(fēng)機運行電流、運行頻率進(jìn)行監(jiān)測。同時通過傳感器對主要進(jìn)回風(fēng)巷道的風(fēng)流參數(shù)及大氣環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，并將結(jié)果傳回主控計算機，調(diào)控原理見圖2。

主控計算機通過交換機及Ethernet網(wǎng)絡(luò)采用TCP/IP協(xié)議與設(shè)在井下的Ethernet通訊控制柜相連進(jìn)行通訊。Ethernet通訊控制柜將通訊數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為符合DCON協(xié)議的數(shù)據(jù)。整個系統(tǒng)是適應(yīng)礦山井下條件的硬件組成，由主控計算機、交換機、Ethernet通訊控制柜、遠(yuǎn)程I/O控制柜、分線箱、中繼器、傳感器、變頻器和Ethernet(以太網(wǎng))、RS-485通訊網(wǎng)絡(luò)組合構(gòu)成[2]。

圖2 通風(fēng)系統(tǒng)運行參數(shù)調(diào)控原理圖

根據(jù)三山島金礦井下開采現(xiàn)狀，對主要回風(fēng)機站巷道的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行了調(diào)查與數(shù)據(jù)整理，建立了回風(fēng)機站風(fēng)機基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表和回風(fēng)機站原始數(shù)據(jù)表等通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫模型，見表1、表2。

通過多(級)機站通風(fēng)軟件對方案進(jìn)行系統(tǒng)通風(fēng)效果計算機網(wǎng)絡(luò)模擬解算，將4個回風(fēng)機站風(fēng)機運行頻率在35～50 Hz范圍內(nèi)取值，代入解算程序依次模擬、比較，西山礦區(qū)南回風(fēng)井和北回風(fēng)井回風(fēng)機站風(fēng)機運行頻率取為45 Hz，新立礦區(qū)西回風(fēng)井回風(fēng)機站風(fēng)機運行頻率取為38 Hz，東回風(fēng)井回風(fēng)機站風(fēng)機運行頻率取為47 Hz時，系統(tǒng)總風(fēng)量為752.24 m3/s，見表3，滿足設(shè)計風(fēng)量(745 m3/s)要求，兩礦區(qū)-150、-240、-330、-420、-600 m中段貫通巷風(fēng)量合計為8.52 m3/s。

多(級)機站通風(fēng)軟件計算機網(wǎng)絡(luò)模擬解算結(jié)果具體為：

(1)西山南回風(fēng)井-150 m水平回風(fēng)機站，運行1臺DK54-8-№27(2×280 kW/臺)風(fēng)機，葉片角度45°/40°。運行頻率45 Hz，機站風(fēng)量149.58 m3/s，實耗功率485.23 kW，機站效率67%。

表1 回風(fēng)機站風(fēng)機基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表

表2 回風(fēng)機站原始數(shù)據(jù)表

表3 回風(fēng)機站參數(shù)計算結(jié)果表

(2)西山新北回風(fēng)井-150 m水平回風(fēng)機站，安裝1臺DK46(CII)-8-№28(2×400 kW/臺)風(fēng)機，葉片角度為45°/40°。運行頻率45 Hz，機站風(fēng)量229.43 m3/s，實耗功率766.97 kW，機站效率65%。

(3)新立西回風(fēng)井-165 m水平回風(fēng)機站，安裝1臺DK62-10-№32(2×450 kW/臺)風(fēng)機，葉片角度為45°/40°。運行頻率38 Hz，機站風(fēng)量239.86 m3/s，實耗功率749.92 kW，機站效率84%。

(4)新立東回風(fēng)井-165 m水平回風(fēng)機站，運行1臺BDK62-8-№26(2×250 kW/臺)風(fēng)機，葉片角度為45°/40°。運行頻率47 Hz，機站風(fēng)量88.37 m3/s，實耗功率280.28 kW，機站效率74%。

運用通風(fēng)系統(tǒng)遠(yuǎn)程計算機集中監(jiān)控技術(shù)在地表調(diào)度室對三山島金礦兩礦區(qū)主要回風(fēng)機站風(fēng)機運行變頻進(jìn)行綜合調(diào)控，風(fēng)機運行頻率調(diào)為模擬值后，分析由貫通巷道設(shè)置的傳感器傳回主控計算機的風(fēng)流參數(shù)。兩礦區(qū)貫通處風(fēng)流情況具體為：①-150 m水平貫通處風(fēng)量5.26 m3/s，風(fēng)向為西山礦區(qū)至新立礦區(qū)；②-240 m水平貫通處風(fēng)量4.21 m3/s，風(fēng)向為西山礦區(qū)至新立礦區(qū)；③-320 m水平貫通處風(fēng)量2.19 m3/s，風(fēng)向為新立礦區(qū)至西山礦區(qū)；④-420 m水平貫通處風(fēng)量0.35 m3/s，風(fēng)向為新立礦區(qū)至西山礦區(qū)；⑤-600 m水平貫通處風(fēng)量1.59 m3/s，風(fēng)向為新立礦區(qū)至西山礦區(qū)。貫通巷道相互流動總風(fēng)量為13.60 m3/s(理論模擬值為8.52 m3/s)，兩礦區(qū)風(fēng)壓基本達(dá)到平衡，見表4。

表4 通風(fēng)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

(1)通風(fēng)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控系統(tǒng)成套裝置及技術(shù)先進(jìn)，布線簡單，其通訊控制系統(tǒng)模塊化，通訊網(wǎng)絡(luò)分區(qū)化，具有投資省、故障率低、運行穩(wěn)定可靠、系統(tǒng)維護(hù)簡單、可擴展性強等優(yōu)點。

(2)多機站通風(fēng)系統(tǒng)的計算機遠(yuǎn)程集中監(jiān)控，達(dá)到了提升礦山通風(fēng)管理水平和通風(fēng)效果，改善工人工作環(huán)境，間接減少與預(yù)防職業(yè)病發(fā)生率，保證礦山安全生產(chǎn)，實現(xiàn)通風(fēng)節(jié)能降耗等目的，礦山通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能10%以上。

(3)采用風(fēng)機變頻調(diào)速技術(shù)，在滿足設(shè)計總風(fēng)量要求的同時，各貫通處流動風(fēng)量由90.60 m3/s減少至13.60 m3/s，有效緩解了兩礦區(qū)之間污風(fēng)相互串聯(lián)影響，通風(fēng)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定運行為加快推進(jìn)礦山數(shù)字化建設(shè)進(jìn)程邁出堅實一步。

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(責(zé)任編輯 石海林)

Application of Centralized Remote Control Technology in the Balance Regulation of the Ventilation System Air Pressure

Wang Jianbo1Zhou Wei2，3Wu Lengjun2，3Jia Anmin2,3

(1.SanshandaoGoldMine，ShandongGoldMining(Laizhou)Co.，Ltd.，Laizhou261400，China;2.SinosteelMaanshanInstituteofMiningResearchCo.，Ltd.，Maanshan243000，China；3.HuaweiNationalEngineeringResearchCenterofHighEfficiencyCyclicUtilizationofMetalMineralResourcesCo.，Ltd.，Maanshan243000，China)

Around the unbalance of air pressure appeared in two mining areas during deep mining of Sanshandao Gold Mine，such techniques as the remote centralized control technology of ventilation systems，the fan inverter technology and the underground ventilation parameter monitoring technology were adopted to realize the remote centralized monitor on the fans distributed in each underground fan station and the airflow pressure parameters at the main ventilation roadway.Based on the total amount of air meeting the design requirements，the air flow at each run-through was reduced from 90.60 m3/s to 13.60 m3/s through comprehensively regulating the frequency of fans at main return air fan station in two mining areas.By this method，cross pollution of the air between the two mines can be effectively alleviated.The stable running of the remote centralized ventilation monitoring system starts a solid step forward in accelerating the process of building the digital mine digitization.

Centralized remote control technology，F(xiàn)an inverter technology，Pressure balance，Construction of digital mine

2015-01-20

王劍波(1962—)，男，高級工程師。

TD725

A

1001-1250(2015)-04-282-05