李 穎，楊 卓，吳 桐

露天煤礦疏干–回灌水帷幕保水采煤模式探討

李 穎，楊 卓，吳 桐

(中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015)

為抑制疏干排水造成的地下水水資源量衰減，并控制露天煤礦煤炭開采對地下水資源的影響范圍，采用了水帷幕保水采煤技術(shù)。以某露天煤礦為背景，建立沙槽回灌平臺進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，再通過數(shù)值方法對回灌區(qū)進(jìn)行模擬計(jì)算，分析疏干–回灌水帷幕的形成和變化規(guī)律。物理實(shí)驗(yàn)方法觀察到回灌水帷幕形成定水頭邊界，阻止漏斗擴(kuò)展的過程，獲得不同回灌水帷幕水頭高度對注水量的影響和注水量與排泄量平衡的最佳水頭。數(shù)值模擬獲得物理模擬類似的結(jié)果，回灌水帷幕位置可以有效限定疏干降落漏斗范圍，回灌水帷幕定水頭高度與疏干區(qū)水位和疏干時間正相關(guān)；最大回灌量受帷幕定水頭高度影響顯著；回灌水帷幕距離采坑越遠(yuǎn)對阻隔帷幕外水源補(bǔ)給的作用越大。物理模擬和數(shù)值模擬表明，改變回灌水帷幕的位置或水頭高度都可以使得礦坑的排水量與帷幕的注水量相等，這就可以最大限度減少疏干水的外排水量。研究表明，疏干–回灌水帷幕可望成為我國露天煤礦區(qū)保水采煤的實(shí)用模式。

露天煤礦；疏干排水；回灌；水帷幕；定水頭；保水采煤

礦井涌水引起礦區(qū)地下水的水位下降、區(qū)域流場改變[1]，甚至造成生態(tài)環(huán)境的破壞，是煤炭開采的不良效應(yīng)。露天煤礦因開挖范圍大、地下水疏干范圍廣，這種不良效應(yīng)更為嚴(yán)重。因此，對于煤炭露天開采，如何能有效抑制地下水位下降和控制地下水資源的衰竭是煤炭資源開發(fā)過程中需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。

目前，針對露天煤礦的保水開采已有學(xué)者提出水資源轉(zhuǎn)貯[2]、防滲墻[3-4]、重構(gòu)含隔水層[5]、冰凍含水層[6]等措施。然而，由于施工和維護(hù)成本、煤炭開采工序以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)等原因，各方法應(yīng)用均受限制。2010年R. F. Rubio等[7]提出將礦井水通過人工回灌的方式補(bǔ)給含水層的方法，既可以存儲水資源，又可以滿足礦井排水。2016年J. C. Baquero 等[8]為了減弱Cobre Las Cruces露天銅礦對周圍人群用水的影響，在36眼疏干井外圍布置了28眼回灌井，形成了密閉的抽水–回灌循環(huán)系統(tǒng)，每年可管理3.2億m3水資源。美國內(nèi)華達(dá)州Carlin Trend地區(qū)的Betze Post露天金礦將85%的礦井水通過回灌井補(bǔ)給地下含水層[9]。T. Myers[10]針對美國Montana地區(qū)的Powder River盆地中煤層氣開發(fā)導(dǎo)致地下水水位下降，將礦井水回注到廢棄煤層或砂巖層中進(jìn)而補(bǔ)充了損失的地下水資源。

上述采用地下水回灌形成定水頭邊界，阻止含水層水位下降，保護(hù)水資源的方法稱為注水帷幕。注水帷幕在建筑基坑控沉和防止海水入侵中應(yīng)用較多。其中建筑工程中利用回灌控制沉降經(jīng)驗(yàn)已相當(dāng)成熟，如昆明市銀河星辰花園基坑開挖的實(shí)踐中就采用了井點(diǎn)回灌法建立注水帷幕[11]；上海地區(qū)開展過淺層含水層的回灌試驗(yàn)，防治了地面沉降[12-13]。在防止海水入侵時，美國于19世紀(jì)50年代開始在南加州施工了290口回灌井和773口觀測井，組成3個大型水帷幕工程，總長度將近2.77萬m。該水帷幕工程自建造以來已經(jīng)成功運(yùn)行60多年[14-16]。美國南部奧蘭治縣塔爾伯特淡水帷幕工程(Talbert Barrier Project)由28口回灌井組成，自1975年建成以來，一直運(yùn)行良好[17]。我國在大連、山東等沿海均進(jìn)行過淡水帷幕試驗(yàn)研究[18-20]，有效地阻止了海水倒灌，保護(hù)了沿海地區(qū)的淡水資源。然而，露天煤礦疏干水回灌研究極少，僅有梧桐莊煤礦、中關(guān)鐵礦和鄂爾多斯鈾煤疊置礦區(qū)提出過注水帷幕保水采煤、保水采鈾的設(shè)想[21-24]。個別煤礦還實(shí)施了采空區(qū)儲水[25-26]、廢棄煤礦轉(zhuǎn)變成地下水庫工程[27-28]。但這些和注水帷幕有很大差別，目前尚未有礦井或露天煤礦采用注水帷幕方式保護(hù)地下水資源的案例，注水帷幕的物理實(shí)驗(yàn)也鮮有報(bào)道。

筆者采用物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真模擬，研究注水帷幕阻止含水層地下水水位下降、保護(hù)地下水資源的過程，并求解不同帷幕水頭高度下的回灌水量和回灌效率，尋求能夠平衡礦坑排水和帷幕注水量的帷幕水頭，最大限度地減少礦坑水處理量，形成在特定條件下露天煤礦注水帷幕的回灌量與疏干排水量之間的最優(yōu)模式，以期為我國露天煤礦區(qū)保水采煤的可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐。

1 露天煤礦疏干–回灌水帷幕原理

露天煤礦開采的疏干問題實(shí)質(zhì)上可以視為泰斯定降深抽水的井流問題，滿足泰斯井流方程。

2 回灌水帷幕的實(shí)驗(yàn)?zāi)M

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)依據(jù)

以某露天煤礦為例，取部分區(qū)域進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，再現(xiàn)露天煤礦疏干–回灌水帷幕的形成過程，觀察不同水頭高度與注水量的關(guān)系，以擇優(yōu)選擇水帷幕的定水頭高度和最佳注水量。

露天煤礦地勢北高南低，地形起伏不大。疏干采區(qū)近正方形，邊長約1 000 m。煤層埋深40～70 m，礦坑挖掘深度在50～90 m以上。地層巖性由上至下為第四系的粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)砂土、黏土間夾粉細(xì)砂；白堊系的泥巖、煤層和煤層間夾含礫粗砂巖、砂巖和礫巖。其中煤層和含礫粗砂巖、砂巖、礫巖層是露天煤礦需要疏干的含水層。含水層滲透性良好，具有承壓性，補(bǔ)給來源主要接受側(cè)向徑流補(bǔ)給。露天煤礦采用降水孔疏干法疏干含煤地層水，有降水孔20口，沿采區(qū)四周分布，單井出水能力可達(dá)到1 200 m3/d?；毓嗨∧辉O(shè)置在疏干井外1 800 m的范圍，用20口回灌井以單環(huán)型等間距布設(shè)而成，利用回灌井注水形成，如圖1所示。

圖1 疏干–回灌水帷幕系統(tǒng)原理

回灌水帷幕實(shí)驗(yàn)?zāi)M的依據(jù)是假設(shè)疏干含水層均質(zhì)、各向同性，含水層水平、承壓，且水位呈水平面展布的條件下，將回灌水帷幕設(shè)置為含水層內(nèi)的垂直通道，由于可將回灌水帷幕視為雙邊出水廊道，其水位符合下式：

式中：為含水層厚度；為水帷幕的注水量；為影響范圍；為水帷幕長度；為滲透系數(shù)；公式右側(cè)負(fù)號表示注水。以該公式預(yù)測注水量和排水量。

實(shí)驗(yàn)對象是煤層間的含礫粗砂巖承壓含水層，在該含水層疏干的同時，保持注水水頭，觀測帷幕兩側(cè)水位情況和注水量與排泄量的關(guān)系。

2.2 物理模型

物理實(shí)驗(yàn)根據(jù)露天煤礦的水文地質(zhì)條件設(shè)計(jì)，含水層的滲透系數(shù)和主疏干–回灌含水層基本相同，因尺度太大，無法進(jìn)行相似材料的模擬實(shí)驗(yàn)，選擇以水槽實(shí)驗(yàn)形式進(jìn)行原理性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)平臺的主體為不銹鋼體沙槽，長2.4 m，寬0.8 m，高0.6 m。左側(cè)0.3 m為進(jìn)水倉，右側(cè)0.3 m為排水倉。為了展示流場及其變化過程，實(shí)驗(yàn)僅安排一個含水層。沙槽內(nèi)含水層和頂?shù)装甯羲畬釉谄拭嫔先鐖D2所示。頂板和底層均為膨潤土，模擬隔水層；中間層為石英砂，模擬承壓含水層。

含水層內(nèi)的回灌水帷幕安排在沙槽的中部，由滲透系數(shù)遠(yuǎn)大于含水層的細(xì)礫構(gòu)成，以模擬多重分支的水平導(dǎo)斜注水孔，實(shí)現(xiàn)回灌水帷幕水頭的平穩(wěn)。由于含水層水從沙槽兩端隔板上的小孔流進(jìn)和流出，水的進(jìn)入和排出不夠均勻，流量受限。為了克服這一問題，在靠近上下游隔板處，在含水層內(nèi)各挖一條沙槽，再填入細(xì)礫，如圖2中的左右兩側(cè)。

水頭觀測采用測壓管，利用攝像頭實(shí)時監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采樣頻率可調(diào)。40個監(jiān)測點(diǎn)在水帷幕上下游區(qū)均勻分布，如圖3所示。

2.3 注水水頭條件

試驗(yàn)初始流場為回灌水帷幕建立前的流場，即露天煤礦疏干現(xiàn)狀的降落漏斗。進(jìn)水倉的水頭高度為45 cm，排水倉的水頭為40 cm，水力坡度約為2.1%，與實(shí)際漏斗區(qū)的2.03%相差不大。實(shí)驗(yàn)中回灌水帷幕按照2種定水頭高度條件進(jìn)行：臨界水頭的水帷幕方案和最佳水頭水帷幕方案。其中臨界水頭為礦坑影響半徑處的水頭，即進(jìn)水倉的水頭；最佳水頭為滿足水資源保護(hù)條件時，使得注水量和排泄量平衡的水頭值。

圖2 沿水流方向沙槽實(shí)驗(yàn)物理模型剖面

圖3 水頭監(jiān)測點(diǎn)布置

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

臨界水頭水帷幕方案實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在流場穩(wěn)定時，水頭總體上呈現(xiàn)出以水帷幕為不對稱的分水嶺，如圖4所示。

圖4 以臨界水頭注水的水帷幕形成后含水層水頭等值線

分水嶺在上游區(qū)狹窄，存在于緊靠帷幕處，而遠(yuǎn)離帷幕區(qū)的大部分地區(qū)呈水平狀態(tài)，水力坡度=0，水位得到保持；分水嶺在下游區(qū)寬大，由帷幕區(qū)一直延伸至排泄區(qū)，水力坡度?0，呈持續(xù)向排泄區(qū)流動的狀態(tài)。這說明回灌水帷幕的水量大部分流向排泄區(qū)。實(shí)驗(yàn)中，帷幕的注水量和排水槽的排泄量都發(fā)生了一定的變化(圖5)，當(dāng)流場穩(wěn)定時，帷幕的注水量較排水量高出約2.5%。

最佳水頭的實(shí)驗(yàn)顯示，注水帷幕的水頭越高，注水量和水力坡度也越大。圖6為注水水頭50 cm的水頭等值線圖，實(shí)驗(yàn)顯示盡管流場仍然以水帷幕為界形成分水嶺，在上游區(qū)，靠近帷幕處的高水力坡度區(qū)呈條帶分布，但大片的遠(yuǎn)離帷幕區(qū)水力坡度≠0，而是<0(逆坐標(biāo)軸方向下降為“–”)。下游區(qū)的情況與臨界水頭的試驗(yàn)類似，顯示以注水帷幕為分水嶺，向兩側(cè)流動，上下游的水力梯度都變得比臨界水頭實(shí)驗(yàn)的更大。水量觀測結(jié)果得出水帷幕此時的注水量較排水量增加了9.75%。

圖5 帷幕注水量和終端排水量與時間關(guān)系曲線

2種方案形成的水帷幕都可達(dá)到保障露天煤礦安全開采的目的，且可隔斷露天煤礦疏干降水引起的降水漏斗影響范圍，其中臨界水頭水帷幕的注水量與排水量相差最小，該水頭為最佳水頭。

圖6顯示注水量略大于露天礦坑的排水量，使排注不平衡，這是因?yàn)闆]有控制好水頭高度(未能實(shí)現(xiàn)精確的定水頭)，使水帷幕處形成小范圍的分水嶺。根據(jù)泰斯井流微分方程，理論上存在能維持排注平衡的定水頭條件，因此，需要在定水頭實(shí)現(xiàn)過程中采用精準(zhǔn)自動控制，來實(shí)現(xiàn)排注平衡。

圖6 水頭提高后水帷幕上下游水頭等值線

3 回灌水帷幕數(shù)值模擬

3.1 模型構(gòu)建

模擬區(qū)總面積約345 km2，南北兩邊為流量邊界，北側(cè)流入，南側(cè)流出，西側(cè)為零流量邊界、東側(cè)隔水?dāng)鄬訛榱懔髁窟吔?。近正方形的露天煤礦采區(qū)位于模擬區(qū)中央，建立模型如圖7所示。模型主要水文地質(zhì)參數(shù)見表1。含水層頂板泥巖將其與第四系地層隔開，無越流補(bǔ)給，底板為穩(wěn)定隔水層無地下水流入或流出，模型在垂向上不分層，初始流場如圖7所示。模型中心圓圈代表正方形的礦坑，礦坑?xùn)|西兩側(cè)的弧形為回灌水帷幕，以保護(hù)帷幕以外的地下水資源。

圖7 三維模型及定水頭邊界(回灌水帷幕)

表1 模型主要水文地質(zhì)參數(shù)

3.2 模擬方案

模擬采用FeFlow7.0三維非穩(wěn)定流，由初始水頭65 m(含水層底板水頭為0 m)開始，以5 m的水頭等差逐次遞增，即依次設(shè)置回灌水頭高度為65、70、75、80和85 m的定水頭模擬回灌水帷幕。模擬由疏干抽水開始時刻為0時刻，同步回灌。

3.3 定水頭邊界條件下地下水系統(tǒng)分析

回灌水帷幕定水頭邊界條件下數(shù)值模擬結(jié)果顯示，疏干區(qū)域(采坑)含水層水位隨著回灌水帷幕保持定水頭回灌時間的持續(xù)而降低，形成以采坑為中心的漏斗狀流場。圖8為各次模擬結(jié)果的采坑中心水位隨時間的變化曲線，從中可以看出采坑中心水位與回灌水帷幕定水頭高度正相關(guān)，定水頭高度對采區(qū)中心水位影響最大為2.5 m。同時，回灌水帷幕定水頭高度提高，疏干區(qū)地下水位降低至相同水平的時間也相應(yīng)延長，定水頭65 m和85 m完成疏干至10 m水頭高度的時間相差103 d，因此，水帷幕的回灌水頭高度與疏干時間正相關(guān)，水頭高度選擇應(yīng)與所需疏降時間相匹配。

圖8 不同定水頭時疏干區(qū)域地下水水頭變化

定水頭回灌水帷幕的形成是由回灌井向四周逐漸擴(kuò)散的過程，定水頭由回灌井內(nèi)逐漸擴(kuò)散至兩井之間所需回灌水量是變化的，當(dāng)定水頭回灌水帷幕形成后才能保持穩(wěn)定的回灌量，此時回灌水量為回灌水帷幕最大回灌量。為模擬計(jì)算形成各個定水頭水帷幕所需的最大回灌量，采用回灌井為定水頭邊界的回灌方法，模擬各個定水頭條件下單井回灌量與時間的關(guān)系，數(shù)值模擬結(jié)果如圖9所示。不同定水頭條件下單井回灌量與回灌時間的曲線規(guī)律一致，且斜率逐漸減小，后趨于直線。如70 m定水頭試驗(yàn)的0～71 d，回灌水量由1 322 m3/d降至505 m3/d，變動幅較大，說明此階段只是保持了回灌井內(nèi)的定水頭，回灌水帷幕的定水頭還未形成。為保持回灌的定水頭，回灌增壓系統(tǒng)需要一個壓力變化的過程，回灌速度首先需滿足目標(biāo)回灌量。在試驗(yàn)進(jìn)行至262 d以后，回灌量逐漸趨于穩(wěn)定，此時刻以后的回灌量為回灌水帷幕的最大回灌量。模擬顯示回灌量隨定水頭增高成倍增大，實(shí)際生產(chǎn)中為了平衡疏干水量和回灌水量，取回灌水量接近疏干水量的定水頭高度為最佳回灌水帷幕高度。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，本模型在定水頭70 m和75 m時最大回灌量與疏干量接近。而物理實(shí)驗(yàn)顯示當(dāng)帷幕水頭為影響半徑處的水頭時，注水量和排泄量最為接近。這種差別可能是由于本次物理實(shí)驗(yàn)為了帷幕的水頭平穩(wěn)而使用了礫石條帶所致。

圖9 不同定水頭邊界條件回灌水量與時間關(guān)系曲線

過采坑和水帷幕的水頭剖面圖顯示水頭的變化規(guī)律和物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似，在此不再贅述。

實(shí)際回灌過程中水流經(jīng)過回灌井進(jìn)入含水層會有一定的水頭損失，從而導(dǎo)致采用井邊界模擬計(jì)算的值大于回灌井計(jì)算值。因此，在上述模擬結(jié)論基礎(chǔ)上，利用FeFlow軟件里的多層井實(shí)現(xiàn)露天煤礦回灌水帷幕，在疏干量與回灌量接近的定水頭方案中，對水帷幕的回灌量進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

從圖10可以看出，疏干和回灌水帷幕同時運(yùn)行一定時間后，地下水流場將形成以采坑為中心的地下水降落漏斗。本例的地下水水位降深在采坑邊緣約為60 m，采坑中心殘余水頭高度為5 m左右，回灌水帷幕處的水位為65～70 m，以回灌水帷幕為分水嶺，兩側(cè)的水位降深呈不對稱狀的變化規(guī)律，即采坑內(nèi)部距離回灌水帷幕越遠(yuǎn)的地方水位越低。由于露天采坑疏干區(qū)面積小于回灌區(qū)的面積，相當(dāng)于在弱補(bǔ)給的條件下進(jìn)行強(qiáng)疏干，所以露天采坑疏干是能實(shí)現(xiàn)的。本模型回灌水帷幕距離疏干井約1 800 m，回灌井間距為750 m ，將回灌水帷幕設(shè)置為70 m定水頭回灌，水帷幕各井之間不能完全連成一線，回灌水帷幕水位升高并不大。然而，水帷幕在群井注水作用下，使得帷幕外地下水對露天采坑的補(bǔ)給能力大大降低，坑內(nèi)疏干井全部開啟抽水，在坑內(nèi)群井和回灌水帷幕群井作用下，坑內(nèi)抽水能力大于坑外補(bǔ)給能力，且兩者能力的差值根據(jù)與回灌水帷幕距離的不同呈線性分布，距離回灌水帷幕越遠(yuǎn)兩者能力差越大，水力梯度明顯，充分顯示了疏干對露天采坑內(nèi)水位降低的貢獻(xiàn)，以及回灌水帷幕對阻隔帷幕外水源補(bǔ)給的顯著作用。而且，隨著疏干回灌的持續(xù)時間延長，采坑內(nèi)地下水位逐漸降低，即隨著疏干時間增長采坑內(nèi)是可以疏干的。通過上述分析，疏干回灌運(yùn)行一定時間后，回灌水帷幕效果和采坑內(nèi)疏干效果較為明顯，在保持帷幕外水頭變化幅度較小的情況下，采坑內(nèi)的水位已經(jīng)開始呈現(xiàn)明顯的下降。

4 結(jié)論

a. 物理模擬實(shí)驗(yàn)顯示，在露天煤礦排水的條件下，在降落漏斗合適的位置建筑回灌水帷幕可以有效地保持含水層的水位、阻止漏斗的擴(kuò)展、保障地下水資源不受破壞；回灌水帷幕的水頭越高，注水量越大。

圖10 定水頭回灌水帷幕流場

b. 通過回灌水帷幕對流場改變的數(shù)值模擬顯示，回灌水帷幕的定水頭高度選擇能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)際疏干水量和回灌水量平衡，最大限度地減少對礦坑排水的處理量。

c. 數(shù)值模擬顯示，回灌水帷幕位置可以有效限定疏干降落漏斗范圍；回灌水帷幕定水頭高度與疏干區(qū)水位和疏干時間正相關(guān)；最大回灌量受帷幕定水頭高度影響顯著；回灌水帷幕距離采坑越遠(yuǎn)對阻隔帷幕外水源補(bǔ)給的作用越大。

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Discussion on the water-preserved coal mining by dewatering-reflooding water curtain in open-pit coal mines

LI Ying, YANG Zhuo, WU Tong

(CCTEG Shenyang Engineering Company, Shenyang 110015, China)

To suppress the attenuation of groundwater resources caused by drainage and control the influence range of coal mining on groundwater resources, the coal mining technology with water curtain was adopted. Taking an open-pit coal mine as the background, this paper established a sand trough recharge platform to carry out physical experiments, and used a numerical method to simulate the irrigation area, so as to analyze the formation and variation of the dewatering-reflooding water curtain. Physical experiments were carried out to observe the formation of a fixed head boundary by water injection curtain which prevented the expansion of funnel, the influence of different heights of water injection curtain head on water injection volume and the optimal water head which balanced the water injection and excretion were obtained. The numerical simulation results were similar to that of physical simulation. Under the condition that the aquifer falling funnel had been formed, the closer the water injection curtain is to discharge area, the greater the recharge amount to reach the predetermined head. And it took longer for water level to recover to a predetermined value under the condition of a given amount of water injection. In both physical and numerical simulation, changing the position of the water injection curtain or the height of the water head can make the pit drainage equal to the water injection of the curtain, which can minimized the external displacement of drainage water. The experiment and numerical simulation show that the water injection curtain is expected to be a practical model for water-preserved coal mining in open-pit coal mines in China.

open-pit coal mine; mine water draining; water recharge; water curtain; constant water head; water-preserved coal mining

語音講解

TD741

A

1001-1986(2021)06-0160-07

2021-05-13；

2021-08-20

中國煤炭科工集團(tuán)有限公司科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)資金專項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目(2018-2-ZD005)；綠色礦山建設(shè)要求及標(biāo)準(zhǔn)研究課題(NK001-2018)

李穎，1979年生，女，內(nèi)蒙古科左后旗人，碩士，高級工程師，從事露天礦疏干防排水工作. E-mail：330287646@qq.com

楊卓，1985年生，女，黑龍江伊春人，碩士，高級工程師，從事水土保持和綠色礦山規(guī)劃設(shè)計(jì). E-mail：32525924@qq.com

李穎，楊卓，吳桐. 露天煤礦疏干–回灌水帷幕保水采煤模式探討[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(6)：160–166. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.06.019

LI Ying，YANG Zhuo，WU Tong. Discussion on the water-preserved coal mining by dewatering-reflooding water curtain in open-pit coal mines[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(6)：160–166. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986. 2021.06.019

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(責(zé)任編輯 周建軍)