防隔水煤岩柱专项设计.docx
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防隔水煤岩柱专项设计
防隔水煤(岩)柱专项设计
一、矿井概况
㈠、地理位置
山西古县安吉欣源煤业有限公司位于古县古阳镇安吉村一带,行政区划归古阳镇管辖。
地理坐标为:
北纬:
36°24′04″~36°25′47″
东经:
112°01′15″~112°05′06″
井田南北宽3.195km,东西长5.73km,面积为12.7444km2。
开采深度1060m至660m。
㈡、矿井地形、地貌
山西古县安吉欣源煤业公司地处太岳山南麓,沁水盆地边缘,太岳山隆起的东南部,属太岳山经向构造带与新华夏构造体系的复合部位。
地形东高西低,最高点位于井田东北部的山梁上,标高为1411.5m,最低点位于矿区西南,标高约997.40m,相对高差414.10m。
矿区内基岩出露良好,植被较发育,纵观该区所处的自然地理条件,属于侵蚀强烈的中山区。
㈢、水系、气象
本井田地表水属黄河流域,为汾河水系洪安涧河支流。
区内的地表水属季节性的,平时水流极小,若遇暴雨时节,水流自东向西顺着沟谷汇聚再向南流至古县县城南7km后折向西沿洪~安涧河在洪洞城南汇入汾河。
本区属暖温带半干旱大陆性季风气候。
据古县气象站2006年~2016年观测资料,年平均气温9.2℃,最高气温36.7℃(2007年7月21日),最低气温-16.6℃(2010年2月1日);年平均降水量535.6mm,最小为288.4mm(2007年),最大为661.8mm(2016年);年平均蒸发量1448.4mm,最小为1315.6mm(2007年),最大为1668.6mm(2016年);结冰期多在十月至次年三月,最大冻土深度为66cm(2012年);夏秋季多东南风,冬春季多西北风,最大风速为13m/s。
㈣、可采煤层
2#煤、3#煤层分述如下:
①、2#煤层:
位于山西组中上部,上距K8细砂岩含水层底板8.09m左右,下距3#煤层10m左右。
2#煤层厚度0~1.43m,平均厚度0.82m,结构简单,偶含1层0.37m夹矸,顶底板以粉砂岩、泥岩为主。
2#煤层可采性指数Km=0.56,2#煤厚变异系数y=40%,全区煤层厚度有一定的变化,综合分析属较稳定的大部可采煤层。
②、3#煤层:
位于山西组下部,上距2#煤层5.80~13.50m,平均10.00m左右,煤层厚度0~1.74m,平均厚度1.26m,结构简单,不含夹矸,顶板以泥岩、粉砂岩为主,底板粉砂岩、泥岩为主。
3#煤层可采性指数Km=0.94,3#煤厚变异系数y=23%,全区煤层厚度有一定的变化,综合分析属较稳定的大部可采煤层。
详见2#煤、3#煤层特征表。
2#煤、3#煤层特征表
地层
单位
煤
层
煤层厚度(m)
煤层间距(m)
夹石
层数
结构
分类
顶板岩性
底板岩性
稳定可采程度
最小~最大
平均
最小~最大
平均
二叠系
山西组
2
0~1.43
0.82
5.8~13.50
10.00
2#煤至3#煤
1
简单
结构
泥岩、粉砂岩
泥岩、粉砂岩
稳定
大部
可采
3
0~1.74
1.26
27.2~37.8
34.20
3#煤至6#煤
简单
结构
泥岩
泥岩
较稳定
大部
可采
二、水文地质情况
㈠、井田地表水及河流
本井田地表水属黄河流域,为汾河水系。
区内的地表水属季节性的,平时水流极小,若遇暴雨时节,水流自东向西顺着沟谷汇聚再向南流至古县县城南7km后折向西沿洪~安涧河在洪洞城南汇入汾河。
㈡、井田含水层
1、第四系砂砾层孔隙潜水含水层
主要为全新统Q4和上更新统Q3地层,岩性为松散黄土砾砂沉积物,分布在山涧河谷地带,岩性为灰白、灰黄色砂土、粉土、砂及砂砾,厚10m左右,该层透水性好,厚度大时可成丰富的地下浅水层。
2、上石盒子组底部(K10砂岩)裂隙含水层
砂岩含水层较稳定,多呈透镜体,岩性为黄绿色,浅灰绿色中-细粒厚层状石英长石砂岩,埋藏浅时,风化裂隙及节理发育,局部含小砾。
钻进消耗量达5.5m3/h,一般钻进消耗量在0.5m3/h以下,因此,该层为弱富水性裂隙含水层。
3、下石盒子组(K9、K8)中细砂岩裂隙含水层
中细砂岩含水层位于1#煤、2#煤层以上,K8为2#煤层直接充水含水层,岩性为灰白色、灰绿色、黄绿色厚层状石英长石砂岩,多为钙质胶结,裂隙稍发育,钻进消耗量在1.00m3/h以下,本次ZK301水文地质钻孔抽水,单位涌水量为0.0021L/s.m,水质类型HCO3-Ca.K+Na型,水位标高1037.52m,因此,含水层为弱富水性裂隙含水层。
4、太原组石灰岩(K4、K3、K2)岩溶裂隙含水层
K4石灰岩为7#煤直接充水含水层,厚度3.45m,岩性为深灰色,致密、块状,裂隙较发育。
K3石灰岩为8#煤直接顶板,厚度5.11m,裂隙较发育,随埋深增加裂隙逐渐不发育。
K2石灰岩为太原组的主要含水层,岩性为深灰色,致密、坚硬、性脆石灰岩,一般分上下两层石灰岩中夹薄层泥岩,含有燧石层及透镜体,为9#、10#煤直接顶板。
平均厚10.24m,局部较发育,揭露K2石灰岩时冲洗液消耗量一般在1.00m3/h以下,ZK301水文钻孔抽水试验,单位涌水量0.0053L/s.m,水质类型HCO3.SO4-K+Na水位标高963.15m,属弱富水性裂隙含水层。
5、中奥陶统峰峰组石灰岩岩溶裂隙含水层
奥陶系峰峰组岩溶裂隙含水层是煤系地层下伏的主要含水层,本井田内施工ZK301水文钻孔在494.90米开始见奥陶系峰峰组石灰岩到703.20米停钻,揭露长度208.30米未穿透,其上段岩性质纯、致密、性脆,上部裂隙发育或较发育多层。
在钻进奥灰厚度3~5m之间,钻进时大多出现12~15m3/h的全漏,下部岩层多为完整,裂隙不发育,下段为泥灰岩夹石膏层,可见有角砾状石灰岩,棱角状灰岩碎块被泥灰岩胶结,钻进时冲洗液消耗量一般在0.5m3/h以内,为相对隔水层。
依据ZK301水文孔O2f+O2s观测静止水位标高为873.32m,水质类型HCO3·SO4-Ca·Mg;又据本井田北部老母坡井田内深水井,取水层位为奥灰系石灰岩水,水位埋深170m,水位标高为880m,水量32m3/h,推断井田内奥灰水位在877.5~881m左右。
㈢、主要隔水层
2#煤、3#煤层至K4石灰岩之间隔水层,由致密的粉砂岩、泥岩组成,一般厚34.30m,具有良好的隔水性能,在无断裂及陷落柱贯通情况下,垂直方向使2#煤、3#煤层以上含水层与K2含水层不发生水力联系。
2#煤、3#煤层以上各砂岩含水层,由于其间存在厚度较大的粉砂岩、泥岩,且各砂岩含水性又不强,因此,垂直方向2#煤、3#煤层以上各砂岩含水层不发生水力联系。
㈣、区域地层
沁水煤田位于沁水坳陷西翼,霍山隆起东翼,地层出露较全。
太古界和元古界主要出露于霍山一带。
下古生界主要出露于霍山东麓,上古生界在煤田分布很广。
中生界仅有零星出露。
新生界主要分布在山涧河谷地带,覆盖于不同地层之上。
区域地层简表
界
系
统
组
厚度(m)
岩性简述
古
生
界
二叠系
上统
上石盒
子组
366.00~605.10
黄绿、灰紫色中、细粒砂岩、砂质泥岩互层夹燧石层,黄绿色砂岩、灰紫色砂质泥岩、紫灰绿色细粒砂岩,中、粗粒砂岩、粉砂岩(含小砾石)、砂质泥岩,浅黄、黄绿色砂岩、泥岩、砂质泥岩夹紫色砂质泥岩。
下统
下石盒
子组
85.40~120.00
灰绿色砂岩、砂质泥岩;黄绿色中粗粒砂岩、黄绿色砂质泥岩、灰白色铝土质泥岩,泥岩及薄煤层。
山西组
35.88~65.60
灰-深灰色细粒砂岩、泥岩、粉砂岩及2~4层煤层。
石炭系
上统
太原组
77.50~139.40
灰色细粒砂岩、粉砂岩、泥岩、砂质泥岩、3~4层石灰岩及5~7层煤层。
中统
本溪组
7.80~34.90
灰色铝土岩、粘土岩、泥岩、砂质泥岩、1~6层石灰岩。
奥陶系
中统
峰峰组
126.80~176.10
石灰岩、角砾状白云质泥灰岩。
上马家
沟组
199.30~256.00
白云质、石灰岩夹泥灰岩,角砾状白云质泥灰岩、白云质豹皮状灰岩、白云质泥灰岩、白云岩。
下马家
沟组
120.20~183.00
白云质石灰岩、石灰岩、泥灰岩、泥质白云岩、白云质泥质角砾状石灰岩、角砾状白云质泥灰岩、粗粒砂岩、泥岩。
下统
亮甲
山组
52.10~60.40
厚层燧石白云岩、厚层含泥质白云岩。
冶里组
46.20~47.30
上部薄层泥质白云岩夹白云质泥岩,中部中厚层状白云岩、燧石白云岩;下部泥质白云岩夹竹叶状白云岩。
寒
武
系
上统
凤山组
86.60~87.90
底部泥岩,下部泥质白云岩、白云岩夹竹叶状白云岩;中部厚一巨厚层白云岩。
长山组
6.00~7.00
泥质白云岩、竹叶状白云岩夹泥岩。
崮山组
31.10~36.40
中上部白云岩、泥质条带白云岩、夹竹叶状鲕粒灰岩;下部竹叶状灰岩、泥岩。
中统
张夏组
111.00~117.50
白云质鲕状灰岩,底部泥质条带灰岩、泥岩。
徐庄组
68.60~73.10
上部白云质鲕状灰岩。
下部紫红色泥岩夹长石砂岩。
下统
毛庄组
4.80~5.30
下部泥质白云岩,下部砂岩。
㈤、区域构造
本井田位于华北板块上山西(过渡)块体的沁水区块中段西部,该区块主要表现为一大型复式向斜,轴向为北北东,次级褶曲走向多为近南北向和北北东向,是在中生代以挤压为主的强大应力场作用下而形成的。
该井田地处沁水煤田西缘,霍山隆起以东,总体构造形态为一走向北东,倾向南东的单斜构造。
地层倾角一般3°~18°,极小范围(GY-3旁)可达14°,构造形态符合区域构造特点。
断层不太发育,地面共发现4条走向近南北,落差10~20m的正断层。
欣源煤矿井下巷道中发现有数条小断层。
无岩浆岩活动。
总述,井田构造属简单型。
矿井构造属简单类型。
断层特征一览表
编号
位置
断层产状
落差
(m)
延伸长度
(m)
控制情况
走向
倾向
倾角
F1
井田西部
NE
SE
70°
15
360
P1x2地层断开
F2
井田中西部
NE
SE
70°
10
400
P1s1地层断开
F3
井田中南部
NE
NW
70°
10~20
1760
P1s1、P1s2
地层断开
F4
井田北东部
NE
NW
70°
10
450
P1s1、P1s2
地层断开
F5
ZK102号孔
东400m处
NE
NW
73°
1.5
500
井下巷道揭露
㈥、2#煤、3#煤层煤质特征
2#煤层原煤的化学性质:
水分(Mad)介于0.24%~2.10%,平均0.73%;灰分(Ad)介于10.47%~28.89%,平均21.96%,属中灰煤;挥发分(Vdaf)介于28.89%~23.39%,平均22.37%;硫分(St.d)介于0.32%~0.57%,平均0.43%;发热量(Vgy.d)(MJ/kg)介于24.984~32.528,平均27.502。
3#煤层原煤的化学性质:
水分(Mad)介于0.22%~1.84%,平均0.61%;灰分(Ad)介于7.82%~25.68%,平均18.92%,属低灰煤;挥发分(Vdaf)介于20.08%~22.78%,平均21.92%;硫分(St.d)介于0.32%~0.64%,平均0.43%;发热量(Vgy.d)(MJ/kg)介于25.505~33.888,平均28.596。
三、施工巷道概况说明
矿井目前以+875m水平开采井田内2#煤、3#煤层。
回采工作面采用走向长壁后退式采煤法,一次采全高,全部垮落法管理采空区顶板,采煤工艺为综采;掘进工作面采用综掘掘进作业,采用锚网梁索喷联合支护。
四、巷道涌水的处理方式
本矿井水文地质简单,巷道涌水的主要来源是2#煤、3#煤层顶板K8、K9细砂岩裂隙水,预计1~1.5m3/h,对这些水可以在出煤(岩)时同时带走。
为预防其它涌水,在巷道迎头准备两台水泵,距迎头60~100m最低洼处设置临时水仓,准备好排水管路,并挖好排水沟,一旦有其它涌水,可直接水泵排水,也可通过排水沟将水排出,确保工作面的安全生产。
五、防隔水煤(岩)柱留设
㈠、防水煤(岩)柱的种类
根据《煤矿防治水细则》和《煤矿安全规程》,结合我矿实际情况需要留设的防隔水煤(岩)柱主要有以下9种:
(1)断层防隔水煤(岩)柱;
(2)相邻井田边界防水煤(岩)柱;
(3)煤层露头防水煤(岩)柱;
(4)采空区防水煤(岩)柱;
(5)水平及采区边界防隔水煤(岩)柱;
(6)井筒、上、下山等主要巷道防隔水煤(岩)柱;
(7)钻孔和陷落柱防隔水煤(岩)柱;
(8)地表水体下保护煤(岩)柱;
(9)村庄建筑物下、工业广场下留设保护煤(岩)柱。
㈡、防水煤(岩)柱的留设原则
1、在有突水威胁但又不宜疏放或注浆堵水(疏放或注浆很不经济时)的地区采掘时,必须留设防水煤(岩)柱。
2、防水煤柱一般不能再利用,故要在安全可靠的基础上把煤柱的宽度或高度降低到最低限度,以提高资源利用率。
为了多采煤炭,充分利用资源,也可以用采后充填,疏水降压、改造含水层(充填岩溶裂隙)等方法,消除突水威胁,创造少留煤柱的条件。
3、留设防水煤(岩)柱必须与矿井的地质构造、水文地质条件、煤层赋存条件、围岩的物理力学特性、煤层的组合结构方式等自然因素密切结合,还要与采煤方法、开采强度、支护方式等人为因素相适应。
4、一个井田或一个水文地质单元的防水煤(岩)柱应该在它的总体开采设计中确定。
即开采方式和井巷布局必须与各种煤柱的留设相适应,否则会给以后煤柱的留设造成极大的困难,甚至无法留设。
5、在多煤层块段,各煤层的防水煤(岩)柱必须统一考虑确定,以免某一煤层的开采破坏另一煤层的煤(岩)柱,致使整个防水煤(岩)柱失效。
6、在同一地点有两种或两种以上留设煤(岩)柱的条件时,所留设的煤(岩)柱必须满足各留设煤(岩)柱的条件。
7、对防水煤(岩)柱的维护要特别严格,因为煤(岩)柱任何一处被破坏,必将造成整个煤(岩)柱无效。
防水煤(岩)柱一经留设即不得破坏,巷道必须穿过煤柱时,必须采取加固巷道、修建防水闸门和其他防水措施,保护煤(岩)柱的完整性。
8、留设防水煤在(岩)柱需要的数据必须在本地区取得。
邻区或外地的数据只能参考,如果需要采用,应适当加大安全系数。
9、防水岩柱中必须有一定厚度的粘土质隔水层或裂隙不发育、含水层极弱的岩层,否则防水岩柱将无隔水作用。
㈢、防隔水煤(岩)柱的留设和计算
1、断层防水煤(岩)柱的留设
断层破坏了岩层的完整性,常常成为含水层间的联系通道。
断层的某一区段是否导水、导水性强弱等情况取决于断层两侧岩层的接触关系、含水层的水压以及采矿活动对断层的重复破坏作用。
含水或导水断层防隔水煤柱的留设、依据安全开采地质、水文地质资料来确定和导水断层防隔水煤柱的留设原则,导水断层两侧不得小于20m。
煤层直接和富含水层、导水断层接触,顶底板无突水可能,即煤柱主要是顺层受压时,可参照下述公式计算煤柱宽度:
L=0.5KM
式中:
L—顺层防隔水煤柱宽度(m);
M—煤厚或采高,2煤层的平均厚度为0.82m,3煤层的平均厚度为1.26m;
KP—煤的抗拉强度MPa,KP取8MPa;
P—水头压力MPa,P=50MPa;
K—安全系数,一般取2~5,本设计取5。
2#煤层开采时L=0.5×5×0.82×
=2.05×4.33=8.88(m)
3#煤层开采时L=0.5×5×1.26×
=3.15×4.33=13.64(m)
根据上述计算,如果井巷施工中发现有含水或导水断层,则在含水或导水断层两侧各留设20m防隔水煤柱。
2、井田边界煤(岩)柱的留设
本矿水文地质条件属中等类型,根据《矿井水文地质规程》,采用垂直法留设井田边界保护煤(岩)柱,但相邻矿井之间的井田边界煤(岩)总宽度不得小于40m。
结合实际情况,本矿设计留设井田边界防水保护煤(岩)柱不得小于30m。
3、煤层露头防水煤(岩)柱
煤层露头防隔水煤(岩)柱留设,煤层露头无覆盖、被弱富水性松散含水层覆盖,或被疏干的中等~强富水性的松散含水层覆盖时,有
H防=H裂+H保≮20m计算的防隔水煤(岩)柱留设原则不得小于20m。
式中:
H防—防水煤(岩)柱高度(m)
H裂—垂直煤层的导水裂隙带最大高度(m);
H保—保护层厚度(m);
2#煤层露头防隔水煤柱高度为:
:
H防=H裂+H保
H裂=20
+10=26.0
H保=3×0.82=2.46
H防=26.0+2.46=28.46(m)
3#煤层露头防隔水煤柱高度为:
:
H防=H裂+H保
H裂=20
+10=30
H保=3×1.26=3.78
H防=30+3.78=33.78(m)
L=H/cosα
式中:
L—防水煤柱,m;
H—防水煤柱高度,m;
α—煤层倾角,α=10°
2#煤层露头防隔水煤柱宽度为:
L=28.46÷cos10°=28.02m
3#煤层露头防隔水煤柱宽度为:
L=33.78÷cos10°=33.27m
根据上述计算,并结合实际情况,2#煤、3#煤层露头防隔水煤柱为30m、40m。
4、采空区防水煤(岩)柱;
因本矿为三个煤矿兼并重组矿井,老采空区或老空积水区较多,在设计采区和回采工作面掘进时,应对老采空区或老空积水区位置进行详细调查、分析研究,确定巷道与水体之间的最小距离,防水煤柱一般不能再利用,故要在安全可靠的基础上把煤柱的宽度或高度降低到最低限度,以提高资源利用率。
采空区防水煤(岩)柱留设原则不得小于巷道高度的10倍,经计算为:
10×3.5=35m(巷道最大高度为3.5m)。
在接近老采空区或老空积水区下同一煤层中进行开采时,若老采空区或老空积水区的界线已基本查明,隔水煤柱的尺寸应按含水或导水断层防隔水煤柱的留设要求留设。
故老采空区或老空积水区防隔水煤(岩)柱留设原则不得小于20m,可参照断层防水煤(岩)柱的留设公式计算煤柱宽度。
在采空区或老空积水区附近进行回采煤层时,防隔水煤(岩)柱的尺寸不得小于导水裂隙带最大高度与保护带厚度之和。
故确认采空区留设20m防隔水煤(岩)柱。
5、水平及采区边界煤(岩)柱
当相邻采区工作面需要留设防隔水煤(岩)柱时,其留设和计算方法,可参照断层防水煤(岩)柱的留设公式计算煤柱宽度。
岩柱宽度L不小于10m。
L=0.5KM
式中:
L—顺层防隔水煤柱宽度(m);
M—煤厚或采高,2煤、3煤层的平均厚度依次为0.82、1.26m;
KP—煤的抗拉强度MPa,KP取8MPa;
P—水头压力MPa,P=50MPa;
K—安全系数,一般取2~5,本设计取5。
2#煤层开采时L=0.5×5×0.82×
=2.05×4.33=8.88(m)
3#煤层开采时L=0.5×5×1.26×
=3.15×4.33=13.64(m)
根据上述计算,并结合实际情况,水平及采区边界煤(岩)柱按20m留设。
6、井筒及井下主要巷道防隔水煤柱
结合本矿实际情况,设计井筒及井下主要巷道两侧各留设50m防隔水煤柱,各煤层按σ=δ=55°、β=65°的岩层移动角推算至所采煤层连线形成的区域,即为井筒及井下主要巷道保护煤柱。
依据防隔水煤柱的留设原则,井筒周边及井下主要巷道两侧不得小于50m。
7、钻孔和陷落柱防水煤(岩)柱
根据山西煤炭地质144勘查院2010年7月提交的《兼并重组整合矿井地质报告》,矿区范围内共钻探施工16个钻孔,经查钻探原始资料,16个钻孔均封闭良好。
在钻探施工期间未进行钻孔取沙浆样验证,无确切的钻孔取沙浆样验证资料时,必须对钻孔留设防隔水煤(岩)柱。
钻孔防水煤(岩)柱按下述公式留设防水煤(岩)柱:
防隔水煤柱的留设原则,钻孔周边不得小于20m。
L=0.5KB
式中:
L—防隔水煤柱宽度(m);
B—巷道的跨度(宽或高取其大者)(m),B=5m;
KP—煤的抗拉强度MPa,KP=8MPa;
P—水头压力MPa,P=50MPa;
K—安全系数,一般取2~5,本设计取2。
L=0.5×5×2×
=21.6(m)
经计算,钻孔防隔水煤(岩)柱取30m,用下式计算结果进行校正。
取其大值为半径,以钻孔中心点为圆心,所得圆面积即为导水钻孔的防隔水煤(岩)柱。
L=Hcosα+F
式中:
L—导水钻孔防隔水煤柱厚度(m);
H—导水裂隙带高度(m),按上式计算得,2煤=26m,3煤=30m;
α—岩层塌陷角(55°~65°),取65°;
F—钻孔偏离系数,取15m
2#煤层开采时L=26×cos65°+15=26×0.42+15=25.9(m)
3#煤层开采时L=30×cos65°+15=30×0.42+15=27.6(m)
根据上述计算,并结合实际情况,钻孔防隔水煤(岩)柱按30m的半径进行留设,陷落柱防水煤(岩)柱留设与钻孔防隔水煤(岩)柱留设类同。
8、地表水体保护煤柱
井田范围内无地表水体的存在,因此,无需留设保护煤柱。
9、村庄建筑物下、工业广场下留设保护煤(岩)柱
井田内地面有一个村庄建筑物,有副立井工业广场、主斜井工业广场需留设保安煤柱。
参照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》其原则是村庄、工业广场划定的坐标连线位置,在地形图上均以边界外推划出20m围护带,以围护带线地表向下第四系地层段按45°角做斜线,交与岩层顶部。
在交与岩层顶部点按75°角向下方向做斜线到各煤层顶板交点,在以交点向上方向做垂直投影到地表点,为村庄、工业广场保安煤柱留设宽度。
经实际作图得留设保安煤柱宽度为2#煤层82m、3#煤层85m。
村庄、工业广场保安煤柱留设宽度原则不得小于100m。
地面没有重点保护的建筑物、公路,无需留设保护煤柱。
各种煤(岩)柱尺寸见下表。
本矿生产过程中,严禁在各种防隔水煤柱中进行采掘,严禁破坏各种防隔水煤柱。
各种煤(岩)柱尺寸表
序号
名称
2#煤层(m)
3#煤层(m)
1
断层防水煤(岩)柱
20
20
2
井田边界煤(岩)柱
30
30
3
煤层露头防水煤(岩)柱
30
40
4
采空区防水煤(岩)柱
20
20
5
水平及采区边界煤(岩)柱
20
20
6
井筒及井下主要巷道
50
50
7
钻孔和陷落柱防水煤柱
30
30
8
村庄、工业广场下保护煤(岩)柱
100
100
山西古县安吉欣源煤业有限公司
2020年1月7日