和樹棟　張　軼　劉　威

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司；

3.山東東山新驛煤礦有限公司)

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沿空留巷技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望*

和樹棟1,2張軼1,2劉威3

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司；

3.山東東山新驛煤礦有限公司)

摘要實(shí)現(xiàn)我國(guó)煤礦可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵在于合理開采、利用現(xiàn)有煤炭資源、提高資源回采率。沿空留巷技術(shù)在理論和實(shí)用價(jià)值層面促進(jìn)了無煤柱護(hù)巷技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯，符合綠色采礦、科學(xué)采礦的發(fā)展思路。為此，詳細(xì)分析了沿空留巷理論研究、支護(hù)形式的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，剖析了該技術(shù)的應(yīng)用成果，探討了該技術(shù)的發(fā)展方向，為沿空留巷技術(shù)的快速發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞沿空留巷技術(shù)現(xiàn)狀科學(xué)采礦綠色采礦發(fā)展方向

我國(guó)多數(shù)煤礦的井工開采形式?jīng)Q定了其年掘進(jìn)巷道尺度巨大(約4萬km)，其中多數(shù)回采工作面采用留設(shè)煤柱的方式進(jìn)行維護(hù)，該方式可導(dǎo)致全礦煤炭資源總量的約40%遭到損失。因此，研究區(qū)段間無煤柱護(hù)巷技術(shù)不僅可提高煤炭資源回收率，而且在降低巷道掘進(jìn)率方面效果顯著。沿空留巷作為一種無煤柱護(hù)巷方式，在減少巷道掘進(jìn)量、緩解采掘接替矛盾、取消孤島工作面等方面優(yōu)勢(shì)突出。沿空留巷技術(shù)取消了護(hù)巷煤柱，解決了回采工作面推進(jìn)過程中因煤柱應(yīng)力集中造成的沖擊地壓、瓦斯涌出與積聚等問題，在控制煤礦重大事故災(zāi)害方面獨(dú)具優(yōu)越性。沿空留巷技術(shù)是實(shí)現(xiàn)前進(jìn)式和往復(fù)式采煤方法變革的有效途徑，據(jù)統(tǒng)計(jì)，沿空留巷一般可提高采區(qū)采出率10～20個(gè)百分點(diǎn)，可普遍降低巷道掘進(jìn)率25～33個(gè)百分點(diǎn)。因此，該技術(shù)受到了業(yè)內(nèi)人士的高度重視，在理論研究、工程應(yīng)用層面均取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。本研究就該技術(shù)的研究現(xiàn)狀以及發(fā)展方向進(jìn)行分析，供相關(guān)研究參考。

1沿空留巷理論研究進(jìn)展

1.1沿空留巷上覆巖層活動(dòng)基本規(guī)律

沿空巷道上覆巖層活動(dòng)規(guī)律盡管具有獨(dú)特性，但又與常規(guī)工作面回采時(shí)上覆巖層的活動(dòng)規(guī)律有密切關(guān)聯(lián)。錢鳴高等[1]提出了采場(chǎng)上覆巖層的“砌體梁”結(jié)構(gòu)力學(xué)模型、“關(guān)鍵層”理論等，詳細(xì)闡述了覆巖中的厚硬巖層所承受的載荷及變形破壞規(guī)律。宋振騏[2]提出了“傳遞巖梁”力學(xué)模型，認(rèn)為破斷巖梁始終能向煤壁前方及采空區(qū)矸石傳遞作用力，支架與巖梁間的相互作用存在“給定變形”和“限定變形”2種工作方式。陸士良[3]經(jīng)過研究，認(rèn)為留巷頂板下沉量與采厚成正比例關(guān)系，下沉量占采厚的1/10～1/5，在整個(gè)變形過程中屬“給定變形”。何廷峻[4]通過分析工作面端頭形成的三角形懸頂破斷結(jié)構(gòu)，預(yù)測(cè)了該結(jié)構(gòu)在留巷過程中破斷的位置及時(shí)間，為確定滯后加固所留巷道的時(shí)間和長(zhǎng)度提供了理論支撐。孫恒虎等[5]通過相似材料模擬試驗(yàn)探究了沿空留巷圍巖活動(dòng)的前期和后期規(guī)律，提出了前期支護(hù)以“頂”為主、后期支護(hù)以“讓”為主的圍巖控制理念。侯朝炯等[6]以綜放沿空掘巷圍巖的特點(diǎn)為基礎(chǔ)，提出了圍巖大小結(jié)構(gòu)的原理，將基本頂沿傾斜方向形成的結(jié)構(gòu)作為沿空掘巷圍巖的大結(jié)構(gòu)，將巷道周圍錨桿組合支護(hù)以及錨桿與圍巖組成的錨固體作為小結(jié)構(gòu)。柏建彪[7]在所建立的沿空掘巷基本頂弧形三角塊結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)該結(jié)構(gòu)在掘巷前后及受采動(dòng)影響時(shí)的穩(wěn)定性進(jìn)行了力學(xué)分析，闡述了該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性對(duì)沿空掘巷的影響，理論研究和工程實(shí)踐均表明基本頂破斷后形成的砌體梁結(jié)構(gòu)形成了沿空巷道的上部力學(xué)邊界。

1.2沿空留巷巷旁支護(hù)阻力基本規(guī)律

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)沿空留巷巷旁支護(hù)阻力進(jìn)行了深入研究，Whittaker等在巖體結(jié)構(gòu)靜力關(guān)系的基礎(chǔ)上提出了分離巖塊力學(xué)模型。前蘇聯(lián)學(xué)者B．胡托爾諾依將采場(chǎng)礦壓懸梁模型在沿空留巷中進(jìn)行了推廣，推導(dǎo)了巷旁支護(hù)切斷直接頂?shù)墓ぷ髯枇τ?jì)算式。Smart等提出了頂板傾斜力學(xué)模型，提出了限制巷道煤體一側(cè)到采空區(qū)邊緣間頂板下沉量的思路，認(rèn)為巷旁支護(hù)設(shè)計(jì)的2個(gè)關(guān)鍵參數(shù)在于頂板傾斜角和轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)位置。陳名強(qiáng)[8]認(rèn)為巷旁支護(hù)的工作阻力應(yīng)能承受由于支撐點(diǎn)和上覆巖層載荷重心不一致引起的附加載荷、上覆巖層破斷時(shí)的動(dòng)壓載荷、弧三角板懸板結(jié)構(gòu)重量及其破斷前移時(shí)的載荷。孫恒虎等[5]將簡(jiǎn)化了的矩形“疊加層板”代替長(zhǎng)壁工作面沿空留巷的煤層頂板，通過條帶載荷法和塑性極限分析法確定了留巷巷旁支護(hù)阻力及巷旁支護(hù)體后期阻力的計(jì)算方法。周華強(qiáng)等[9]通過試驗(yàn)研究，認(rèn)為巷旁充填體通過改變頂板彎矩分布、切落采空側(cè)頂板可控制頂板下沉，減少作用于支護(hù)體系上的載荷，并為留巷頂板平衡創(chuàng)造條件。柏建彪[10]根據(jù)塊體不同時(shí)期的平衡條件推導(dǎo)了不同時(shí)期的巷旁支護(hù)阻力計(jì)算式，但巷道圍巖和老頂斷裂位置等參數(shù)的選定往往受人為因素的影響。馬立強(qiáng)等[11]在巷內(nèi)充填原位沿空留巷技術(shù)基礎(chǔ)上，提出了巷內(nèi)充填原位沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，并深入分析了圍巖與充填體間的相互作用關(guān)系。

2沿空留巷支護(hù)形式研究現(xiàn)狀

2.1巷內(nèi)基本支護(hù)

沿空留巷巷內(nèi)基本支護(hù)由早期的金屬支架或木棚被動(dòng)支護(hù)逐步向錨桿(索)主動(dòng)支護(hù)轉(zhuǎn)變。目前我國(guó)部分礦區(qū)應(yīng)用的留巷巷內(nèi)支護(hù)情況(表1)基本反映了現(xiàn)階段我國(guó)沿空留巷巷內(nèi)支護(hù)的主要形式。

表1　我國(guó)沿空留巷巷內(nèi)支護(hù)情況

在中厚及厚煤層大斷面巷道中應(yīng)用沿空留巷技術(shù)，隨著巷道圍巖載荷、變形的增加，原使用的金屬支架型鋼重量不斷增加，棚距日益減小，留巷費(fèi)用居高不下。據(jù)統(tǒng)計(jì)，某礦務(wù)局使用的U型鋼可縮性支架受采動(dòng)影響發(fā)生的支架變形破壞情況如表2所示。究其原因：一方面由于金屬支架無法緊密接頂，沿巷道周邊和軸向載荷分布不均勻，產(chǎn)生由于支架變形導(dǎo)致的彈性抗力，即被動(dòng)載荷；另一方面由于支架在載荷作用下產(chǎn)生縮動(dòng)，支架幾何尺寸的改變導(dǎo)致裝配應(yīng)力的產(chǎn)生，進(jìn)而使支架內(nèi)力隨之改變。由此可見，金屬可縮性支架在沿空留巷中的應(yīng)用受到了限制。

表2受采動(dòng)影響支架變形破壞比重

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沿空巷道穩(wěn)定的關(guān)鍵在于對(duì)巷道兩幫和頂板的控制，采用錨桿支護(hù)方式對(duì)巷內(nèi)頂板進(jìn)行主動(dòng)控制，提高圍巖的極限強(qiáng)度和破碎圍巖的殘余強(qiáng)度，使得圍巖的自承能力得到充分發(fā)揮。因此，沿空留巷采用加長(zhǎng)錨固的高強(qiáng)度錨桿(索)支護(hù)，對(duì)于巷內(nèi)頂板具有良好的保護(hù)效果。

2.2巷內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)

沿空留巷在工作面采動(dòng)及采后留巷期間，即在上區(qū)段工作面采前20 m及采后100 m范圍內(nèi)，巷道圍巖活動(dòng)強(qiáng)烈，該范圍內(nèi)需采用加強(qiáng)支護(hù)方式。一般來說，宜采用單體液壓支柱或?qū)ｉT研制的支架進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。我國(guó)部分采用沿空留巷技術(shù)的礦區(qū)巷內(nèi)支護(hù)情況見表3。

表3我國(guó)沿空留巷巷內(nèi)支護(hù)情況

礦井及工作面工作面地質(zhì)條件巷道斷面/m2加強(qiáng)支護(hù)形式福城礦1901S面煤層厚5.01m,傾角14.5°～45°,頂板細(xì)砂巖,底板泥巖及粉砂巖12.60單體液壓支柱、錨桿索聯(lián)合支護(hù)義絡(luò)煤業(yè)38010工作面煤層傾角20°～45°,煤厚0～3.5m3.60單體支柱配π型鋼梁支護(hù)新莊孜礦62110工作面煤厚1.0m,傾角16°～24°,頂板為砂質(zhì)泥巖,厚2.0～3.0m13.44初始采用錨梁網(wǎng)支護(hù),加固采用架噴錨注聯(lián)合支護(hù)孟莊礦Ⅲ4-222工作面煤層均厚1.17m,傾角26°,直接頂泥巖,老頂中粒砂巖,底板泥巖及粉砂巖11.76架棚和支柱聯(lián)合支護(hù)前嶺礦4330工作面煤層傾角40°,煤厚1.88m,頂板泥巖、粉砂巖,厚7.26m,底板泥巖、粉砂巖3.00架棚和支柱聯(lián)合支護(hù)長(zhǎng)溝峪煤礦4槽工作面煤層厚1.6m,傾角35°,直接頂細(xì)砂巖,老頂中砂巖,直接底粉砂巖6.60單體液壓支柱支護(hù)新強(qiáng)礦五采區(qū)煤層厚1.8m,傾角45°,頂板細(xì)砂巖7.20單體支柱支護(hù)太平礦7036工作面煤層厚0.57～1.5m,傾角58°～63°,頂板粉砂質(zhì)泥巖、粗砂巖,底板泥質(zhì)粉砂巖6.60單體支柱支護(hù)

2.3巷旁支護(hù)

沿空側(cè)巷旁支護(hù)體材料和性能的選擇直接決定了沿空留巷施工的成敗。支護(hù)體需在短時(shí)間內(nèi)承載快強(qiáng)，通過一定的支護(hù)阻力將采空側(cè)的懸空頂板切落，并能夠適應(yīng)留巷后期圍巖的劇烈變形。目前多數(shù)礦井在應(yīng)用沿空留巷技術(shù)時(shí)都設(shè)置巷旁支護(hù)。

2.3.1傳統(tǒng)巷旁支護(hù)形式

(1)木垛巷旁支護(hù)。木垛巷旁支護(hù)在沿空留巷技術(shù)發(fā)展的初期應(yīng)用較多，形式多為單排木垛。優(yōu)點(diǎn)是控頂面積大，采空側(cè)單排木垛適于擋矸，架設(shè)靈活、方便，后期支承能力大，相對(duì)穩(wěn)定。缺點(diǎn)是木材消耗量大；早期低支承能力無法起到減緩頂板下沉的作用；木垛可縮量大，無法起到切斷采空區(qū)頂板的作用；木垛屬寬幅巷旁支護(hù)類型，增加了作用于巷內(nèi)支架上的載荷；無法對(duì)采空區(qū)實(shí)現(xiàn)封閉。該支護(hù)形式主要適用于薄及中厚煤層。

(2)密集支柱巷旁支護(hù)。密集支柱屬中強(qiáng)度、有限可縮量的窄幅巷支護(hù)類型。支柱早期承載快強(qiáng)，易通過改變架設(shè)間距調(diào)節(jié)其承載能力，適用于不同的采高。該支護(hù)形式對(duì)頂?shù)装宓耐暾砸筝^高，軟弱頂?shù)装鍡l件下支柱易于插入頂?shù)装暹M(jìn)行卸載，進(jìn)而失去支撐和切頂作用，極易受采空區(qū)冒落矸石的沖擊發(fā)生傾倒，支柱的架設(shè)質(zhì)量決定了其工作性能。密集支柱適用于薄及厚煤層以及圍巖中等穩(wěn)定以上條件的巷道。

(3)矸石帶巷旁支護(hù)。矸石帶屬寬幅、大可縮量巷旁支護(hù)類型。但由于矸石帶初期不承載、后期壓實(shí)后承載性能提升，但此時(shí)頂板已大量下沉并失去穩(wěn)定性。堆砌的矸石帶增加了頂板的懸跨度，易造成頂板沿煤壁邊緣斷裂致使巷內(nèi)支護(hù)體上載荷增加。但該支護(hù)方式材料來源廣泛、價(jià)格低廉，在經(jīng)濟(jì)上是有效的巷旁支護(hù)方式，對(duì)于頂板較穩(wěn)定的巷道，在確保砌帶速度、砌筑質(zhì)量的前提下，沿空巷道后期會(huì)取得較好的支護(hù)效果。該支護(hù)形式多應(yīng)用于薄煤層沿空留巷。

(4)人造砌塊巷旁支護(hù)。人造砌塊作為巷旁支護(hù)方式，優(yōu)點(diǎn)是材料來源廣、價(jià)格低廉、構(gòu)件的剛性大、承載快，壓縮2%便可達(dá)到最大載荷。缺點(diǎn)是受載超過抗壓時(shí)砌塊易呈脆性破壞，導(dǎo)致承載能力迅速下降，大采高煤層留巷應(yīng)用砌塊支護(hù)時(shí)存在穩(wěn)定性差等問題。

綜合上述分析，沿空留巷普遍存在支護(hù)阻力、可縮性等力學(xué)性能與沿空留巷圍巖變形不相適應(yīng)，采空區(qū)密閉性較差，人工勞動(dòng)強(qiáng)度較高等缺點(diǎn)，所以長(zhǎng)期以來我國(guó)沿空留巷多應(yīng)用于條件較好的薄及中厚煤層，而在厚煤層、急傾斜煤層等條件較差的煤層中多采用沿空掘巷技術(shù)。

2.3.2巷旁支護(hù)新材料和新技術(shù)

(1)高水速凝材料巷旁支護(hù)。高水速凝材料混合后具有凝固快速、承載快強(qiáng)、塑性變形量大、易于泵送、構(gòu)筑機(jī)械化程度高等優(yōu)點(diǎn)。但由于材料價(jià)格相對(duì)較高，對(duì)充填袋的要求(抗靜電、阻燃)也較高，因而制約了其在煤礦中的廣泛應(yīng)用。高水速凝充填材料是在高水速凝材料中按配比加水?dāng)嚢璜@得，28 d 強(qiáng)度可達(dá)8～20 MPa。高水灰渣充填材料是高水速凝材料外加活性灰渣進(jìn)行改性得到的一種充填材料，28 d強(qiáng)度可達(dá)3～5 MPa。應(yīng)用高水充填新技術(shù)時(shí)需建立較完善的充填材料加工制備和泵運(yùn)充填系統(tǒng)，前期成本投入較大，此外，充填體受材料、工藝性能的影響，導(dǎo)致接頂質(zhì)量得不到保障，因而仍難以推廣應(yīng)用。

(2)膏體材料巷旁支護(hù)。膏體材料巷旁支護(hù)是將膏體狀充填材料經(jīng)加工制備、泵送、鋼管輸至由模板構(gòu)筑的充填空間內(nèi)凝結(jié)而成。材料由膠結(jié)料、骨料加水?dāng)嚢杌旌暇鶆蚨?，矸石在材料中的比重可達(dá)85%以上，減少了礦井地面排矸，膏體材料28 d 強(qiáng)度可達(dá)3～9 MPa。膏體材料巷旁支護(hù)的塑性變形特征顯著，材料達(dá)到峰值強(qiáng)度后，隨著變形的增大，承載能力緩慢下降。該特性使得巷旁支護(hù)在整個(gè)留巷過程中實(shí)現(xiàn)了“讓”與“抗”的有機(jī)結(jié)合，保證了巷道的支護(hù)效果。從材料力學(xué)特征、經(jīng)濟(jì)性等方面分析，沿空留巷應(yīng)用膏體材料巷旁充填技術(shù)是可行的。

2.4巷旁充填布置

留巷的方式在一定程度上影響著沿空留巷圍巖的穩(wěn)定性。沿空留巷在滿足巷內(nèi)、巷旁支護(hù)參數(shù)要求的同時(shí)，根據(jù)巷旁充填體與原巷道的相對(duì)位置關(guān)系，可供選取的巷旁充填體的布置形式如圖1所示。

原位留巷是沿空留巷最為常見的巷旁充填體布置方式，該方式可一次性保持巷道原有形狀，無需再次擴(kuò)巷，但巷道維護(hù)可能會(huì)出現(xiàn)一定的困難。其他留巷布置方式均隨著巷旁充填體向煤壁側(cè)靠近，縮小了原有巷道的尺寸，在頂板來壓、采動(dòng)影響時(shí)更有利于巷內(nèi)頂板的維護(hù)，但在巷道來壓穩(wěn)定之后，仍需耗費(fèi)一定的人力、物力對(duì)巷道重新進(jìn)行刷幫擴(kuò)巷，恢復(fù)巷道原有的形狀。

圖1　沿空留巷巷旁墻體布置形式

3總結(jié)與展望

3.1總結(jié)

沿空留巷技術(shù)經(jīng)過近50 a的研究、試驗(yàn)、引進(jìn)和推廣，條件較好的薄及中厚煤層沿空留巷的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及充填體作用機(jī)理的研究日趨成熟，取得的成果主要有：

(1)沿空留巷圍巖變形是由工作面回采引起的基本頂破斷、失穩(wěn)造成的。工作面推進(jìn)過后，裂隙帶巖層的急劇沉降導(dǎo)致巷道頂板在短期內(nèi)劇烈下沉。多數(shù)情況下，沿空留巷頂板下沉速度在工作面后方10～20 m處最大，60～70 m以后頂板下沉趨于穩(wěn)定。

(2)沿空巷道的頂板沿傾向向采空區(qū)方向傾斜明顯，沿傾斜方向巷旁煤體邊緣卸載寬度為1～3 m，側(cè)向支承壓力峰值距巷道2～5 m，支承壓力影響范圍為30～50 m。

(3)采動(dòng)期間巷道頂板下沉量與煤厚成正比關(guān)系，一般為采厚的1/10～1/5，基本屬于“給定變形”。隨著煤層采厚的增加，巷內(nèi)支護(hù)由被動(dòng)單體柱支護(hù)向主動(dòng)錨桿(索)支護(hù)發(fā)展，部分礦井配合使用工字鋼或U型可縮性支架進(jìn)行支護(hù)，效果顯著。

(4)巷旁支護(hù)不可能完全阻止回采覆巖來壓導(dǎo)致的巷道頂板劇烈沉降，厚硬頂板條件下需設(shè)置強(qiáng)力的切頂支架或進(jìn)行人工挑頂緩解支護(hù)體系上的荷載，否則，所留巷道的維護(hù)難度仍會(huì)加大。

3.2展望

(1)沿空留巷工程實(shí)踐多數(shù)是在緩傾斜、薄及中厚煤層、頂板穩(wěn)定煤層開展的，在急傾斜、厚煤層、深井多水平等不利條件下開展沿空留巷工程實(shí)踐仍有待進(jìn)一步研究。

(2)以往建立的沿空留巷力學(xué)模型一般僅考慮巷旁支護(hù)與頂板巖層的相互作用關(guān)系，忽視了巷內(nèi)支護(hù)對(duì)維護(hù)巷道的作用，特別是忽視巷幫煤體對(duì)沿空留巷頂板的支承作用。

(3)在不同的頂板條件下，針對(duì)工作面?zhèn)认蝽敯鍞嗔呀Y(jié)構(gòu)與破斷規(guī)律、充填體承載性能、載荷傳遞特征等方面的研究仍需深入。

(4)研發(fā)適用于不同頂板條件下沿空留巷圍巖運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的低成本新型巷旁充填材料及支護(hù)方式是沿空留巷技術(shù)的重點(diǎn)攻關(guān)方向之一。

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Research Status and Development Direction of Gob-side Entry Retaining Technique

He Shudong1, 2Zhang Yi1,2Liu Wei3

(1.State Key Laboratory of Gas Monitoring and Emergency Technology; 2.China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute;3.Dongshan Xinyi Coal Mine Co.Ltd.of Shandong Province)

AbstractThe keys of the efficient and sustainable development in coal mines in our country is reasonable exploitation,utilization of the existing coal resources and improvement of resources stoping rate.The development of roadways protection without coal pillars technique is promoted by the god-side entry retaining technique in the aspect of theoretical and practical value,and it has obvious technical and economic advantages,besides that,it is consistent with the development thought of scientific mining and green mining.In order to better understand the technique,the development status of domestic and foreign of the god-side entry retaining theory and god-side entry retaining technique are analyzed in detail,the results obtained during the application process of the god-side entry retaining technique are discussed in depth,based on the above analysis results,the development direction of the god-side entry retaining technique is studied to provide reference for the development of the god-side entry retaining technique.

KeywordsGob-side entry retaining, Technical status, Scientific mining, Green mining, Development direction

(收稿日期2015-12-29)

*國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2012BAK04B01)；中國(guó)煤炭科工集團(tuán)有限公司科技創(chuàng)新基金(編號(hào)：2013ZD002)。

和樹棟 (1989—)，男，助理工程師，碩士，400037 重慶市沙坪壩區(qū)上橋三村55號(hào)。

·采礦工程·