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完整版瓦斯抽放设计毕业设计论文
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摘要
随着矿井生产技术水平的快速发展，矿井生产能力大大提高，但随之而来的矿井瓦斯涌出大大增加。
矿井瓦斯已成为制约煤矿安全生产的头号大敌。
文家坡煤矿设计产煤4.0Mt，该矿矿井瓦斯涌出量大，仅靠通风方法难以解决瓦斯超限问题，从而严重制约了该矿的正常生产能力。
本文介绍了该井田的基本情况，预测了矿井瓦斯的涌出量，对抽放瓦斯的必要性与可行性进行了论证。
通过对抽放方法的比较和抽放管路的计算和选择，设计了瓦斯抽放的方法和矿井瓦斯抽放系统。
并计算了抽放系统的管道阻力和瓦斯泵的流量与压力，选择了合适的瓦斯泵型号，建立了地面永久抽放泵站。
最后利用所抽瓦斯进行发电，以达到合理利用瓦斯，使其变废为宝、减少环境污染的目的。
关键词：
瓦斯预测、瓦斯抽放、瓦斯抽放系统、瓦斯利用
ABSTRACT
Withtherapiddevelopmentofproductiontechnologyofmine,mineproductioncapacitygreatlyincreased,buttogreatlyincreaseofminegasemission.Restrictedcoalminesafetyproductionofcoalminemethanecoal4.0Mtcoalmine,theminegasemissionrate,ventilationmethodofgasconcentrationexceedinglimitsaofmine,predictionofminegasemission,justifyingthenecessityandfeasibilityofgasdrainage.Bydrainagemethodofcomparisonandcalculationofdrainagepipeandselection,designofgasdrainagemethodandminegasdrainagesystem.Resistanceofpipelineandtocomputationofdrainagesystemsandflowrateandpressureofagaspump,selecttherightgaspumpmodel,establishedapermanentgrounddrainagepumpingstations.Lastuseofgasforpowergeneration,inordertoachieverationalutilizationofgasanditstreasure,thepurposeofreducingenvironmentalpollution.
Keywords：
gasforecast,gasdrainage,gasdrainagesystem,gasuse
1绪论1
1.1选题背景及研究意义1
1.2瓦斯抽放的国内外研究现状1
1.2.1国外研究现状1
1.2.2国内研究现状2
1.3矿井概况3
1.3.1地理位置及交通3
1.3.2地理环境4
1.3.3含煤地层4
1.3.4煤炭储量及服务年限5
1.3.5开拓方式及采煤方法5
1.3.6矿井通风及瓦斯情况5
1.4研究内容及技术路线图5
1.4.1研究内容5
1.4.2技术路线图6
2矿井瓦斯涌出量的预测8
2.1预测方法的选择8
2.2预测过程9
2.2.1分源预测法的原理9
2.2.2准备资料9
2.2.3预测计算13
2.3预测结果18
3矿井瓦斯抽放的必要性与可行性19
3.1矿井瓦斯来源分析19
3.2瓦斯抽采的必要性19
3.3瓦斯抽放可行性20
4抽放瓦斯方法与工艺22
4.1瓦斯抽放设计参数22
4.1.1矿井瓦斯总储量22
4.1.2可抽瓦斯量Qk23
4.2抽放瓦斯方法24
4.3抽放瓦斯方法的确定25
4.3.1本煤层瓦斯抽放25
4.3.2邻近层瓦斯抽放26
4.3.3采空区瓦斯抽放27
4.4抽放瓦斯工艺设计29
4.4.1钻场29
4.4.2各抽放方法钻孔主要参数29
4.4.3封孔31
4.5抽放施工设备及施工量32
4.5.1钻机选型32
4.5.2主要检测仪器、仪表配置32
4.6瓦斯抽放量的确定33
4.6.1瓦斯抽放率33
4.6.2抽放瓦斯量预计33
5瓦斯抽放管路系统35
5.1抽放管路系统选择原则35
5.2抽放管路敷设路线35
5.3抽放瓦斯管径选择36
5.4管网阻力计算36
5.5管路敷设及管路附属设施37
6抽放泵选型及抽放泵站布置40
6.1选型原则40
6.2抽放泵流量计算40
6.3抽放瓦斯泵压力计算40
6.4瓦斯泵的真空度计算41
6.5抽放泵选型41
6.6抽放泵站的位置42
6.7泵站的供电系统及通讯43
6.8泵站给排水系统43
6.9泵站及管路系统综合布置44
7抽放瓦斯管理46
7.1队伍管理46
7.2图纸和技术资料46
7.3管理与规章制度46
7.4常用记录和报表样式47
8瓦斯综合利用51
8.1概况51
8.2瓦斯民用方案51
8.2瓦斯发电方案52
8.4瓦斯利用方案优选54
9主要结论及展望55
9.1主要结论55
9.2展望55
致谢56
参考文献57
1绪论
1.1选题背景及研究意义
“安全第一、预防为主”是我国各行各业都要遵循的安全生产方针。
采煤作业作为高危险行业，在安全生产方面尤为重视。
但是随着煤矿开采技术的快速发展，一方面煤矿机械化水平不断提高，煤矿生产越来越高效化、集约化，另一方面随着煤矿开采深度的不断加深，采煤作业的不断提速，使得矿井瓦斯涌出量一直处于上升状态，对煤矿的安全生产造成重大威胁。
如何处理好煤矿高产高效跟安全生产的关系，是我国煤矿开采在21世纪的重大任务。
我国现有国家重点煤矿657处，在其中有567处矿井有煤尘爆炸危险，高达86.3%；煤与瓦斯突出矿井有130处，高瓦斯矿井有180处，自然发火矿井有361处。
据有关资料统计我国煤矿一次死亡10人以上的特大事故中有70%以上是由于瓦斯（煤尘）爆炸事故。
2002年～2006年，工矿类相关行业死亡10人次以上特重大事故中，煤矿死亡人数就占72.8%～89.3%；而在煤矿企业所发生的一次死亡10人以上事故中，瓦斯事故占死亡人数的77%。
这些血淋淋的事实无不说明了瓦斯事故是制约煤矿安全生产的“头号大敌”。
虽然矿井瓦斯是煤矿安全生产的重大危险源，但从能源角度来讲，瓦斯本身是一种优质洁净的能源。
我国瓦斯储量非常丰富，据初步估算，在全国范围内煤层气资源量大约有30万亿到36万亿立方米。
在我国2000米内，浅层煤层气资源相当于450亿吨标准煤，这意味着这些浅层煤层气如果完全开发可供我国使用20多年。
瓦斯气作为煤碳的伴生能源如果开采得当，在能源紧张的现如今完全可以为国民经济的快速发展做出重大贡献。
从现有技术水平来看，矿井瓦斯抽采可以做到既在保障煤矿高产高效安全生产的同时又能兼顾开发煤层瓦斯，使煤矿开采更加集约化。
文家坡煤矿设计开采4.0Mta，经初步矿井瓦斯鉴定，属于高瓦斯矿井，并且通过通风无法消除瓦斯隐患。
近年来随着煤矿企业对安全生产的愈加重视，使煤炭企业的任务更加艰巨，责任也更加重大。
通过矿井瓦斯抽采对根治矿井瓦斯涌出量大，消除瓦斯这一“煤矿杀手”，实现矿井本质安全具有十分重大的意义。
1.2瓦斯抽放的国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
1934年日本北海道新愰内矿抽放密闭区瓦斯，这是人类历史上首次在工业规模上利用机械开采瓦斯。
随后几十年内，煤矿瓦斯抽放在西欧、美国、前苏联、东亚开始迅猛发展。
世界瓦斯年抽放量从1951年的134Mm³增至1987年的5431Mm³，大约增加了39倍。
年瓦斯抽放量得到井喷式发展主要有两个原因：
一是这期间抽放瓦斯矿井数目大大增加，二是单个矿井的年瓦斯抽放量的增长。
这期间为提高瓦斯抽放率，各国都对瓦斯抽采技术进行了研究：
前苏联针对低透气性煤层难抽问题，在顿巴斯、卡拉干达和库基巴斯矿区最先提出并试验应用了交叉钻孔强化预抽煤层瓦斯的方法，显著提高了低透气性煤层的瓦斯抽放率；而日本针对开采深度大的煤层时采用大直径钻孔来提高抽采效果；德国和捷克通过向煤层打放射状钻孔以延长抽采时间，成功达到了提高瓦斯抽采量的目的；在封孔工艺上，德国和日本在首先推广应用聚氨酯封孔技术，使抽放负压达到50KPa以上。
近年来由于石油、天然气能源的急缺，煤层气作为煤炭的伴生能源更是受到热捧，美国等发达国家掀起了对瓦斯抽采开发试验的新浪潮。
针对美国煤层埋藏稳定、构造简单、透气性好、倾角低的优点，美国则是采用石油钻井的成熟工艺在井下水平长钻孔预抽瓦斯，获得了很大的成功。
1.2.2国内研究现状
早在1637年，我国明代科学家宋应星在其所著的《天工开物》一书中就记载了利用竹管排放井下毒气，这是我国关于瓦斯抽放的最早记载。
到1938年，抚顺龙凤矿开始机械瓦斯抽采，我国瓦斯抽采技术正式走上了机械化开采的道路。
到如今，我国瓦斯抽采技术发展了七十余年，大致经历了以下几个发展阶段①高透气性煤层预抽瓦斯阶段；②邻近层卸压瓦斯抽采阶段；③低透气性煤层强化抽采阶段；④高产高效矿井（工作面）综合抽采瓦斯阶段。
现如今我国的抽采技术从一开始的单一钻孔抽采，发展到现在的巷道抽放、钻孔抽放、地面抽放和混合抽放，而且煤气一体化开采已经成为我国煤矿开采的新模式。
对于绝大多数抽采方法来说，国内外或多或少均有使用，并不存在“好”与“不好”的界定，仅仅是适用性不同而已。
对我国来说，煤层的主要特点有煤层透气性低、瓦斯含量高、煤层突出危险严重、煤层群开采、地质构造复杂多样，因此决定了我国的瓦斯抽采主要以卸压抽放为主。
以下介绍几种适合我国现状的抽采方法：
1．顺层密集长钻孔抽放本层瓦斯
顺层密集长钻孔主要用于区域性抽放，用在综放面或综采面来降低煤层瓦斯含量或者解决工作面突出问题，一般钻孔深度在80m以上，间距3-5m，预抽时间在半年以上。
为提高抽放效果，布孔时经常采用斜向孔及交叉钻孔，斜向布孔适用于边采边抽，交叉式布孔可以在不增加工程量的条件下，提高本煤层瓦斯抽放的效果。
2．网格式穿层钻孔抽放本层瓦斯
网格式穿层钻孔的优势在于可以有效的解决突出煤层打顺层孔时钻喷孔、塌孔问题。
大面积网格式穿层钻孔预抽试验表明，虽然低透气性煤层瓦斯预抽极为困难，但在合理布置钻孔、保证预抽时间的技术条件下，完全可以达到预期的抽放目的，瓦斯抽采率可以达到百分之三十以上。
目前网格式穿层钻孔已成为我国单一松软低透气性严重突出煤层防突的主要办法，已在白皖等突出严重的矿区推广使用。
3．顶板走向长钻孔抽放邻近层瓦斯
针对高瓦斯无煤柱综采或者综放工作面的特点，为了解决瓦斯超限问题，采用沿开采层顶板岩层走向布置仰面定向水平长钻孔代替顶板瓦斯巷抽放上邻近层瓦斯。
该方法与顶板岩巷抽放法、顶板穿层短钻孔抽放法相对比，在经济和技术上都有显著地优越性，对于采掘接续紧张的矿井，优越性更为显著。
该抽放方法为我国高瓦斯煤层群抽放提供了新的道路，给煤炭生产实现安全高效提供了技术保障。
4．厚煤层开采采空区抽放
在厚煤层分层开采时或综放开采时，由于采空区内丢煤较多，再加上邻近层、围岩瓦斯涌出，使得采空区瓦阿斯涌出量较大，所以进行采空区瓦斯抽放很有必要。
厚煤层半封闭采空区瓦斯抽放方法在抚顺矿区首先取得试验成功，通过在采空区后部埋管抽放或者设引巷密闭插管抽放，使得工作面瓦斯抽放率达到80%。
5．综合瓦斯抽放
综合瓦斯抽放法主要用于高产高效矿井在开采高瓦斯且有突出危险煤层时，即在单个工作面或者整个采区采用多种抽放方法进行抽放。
这种方法可以灵活利用多种抽放方法，针对工作面存在的问题，使瓦斯抽采量及抽采率达到最高。
经过半个世纪的发展，我国的瓦斯抽采技术虽然取得了长足的发展，但由于我国井工开采采煤量大，到2000年止，抽放矿井的产煤量仅占总产量的14.8%，抽放瓦斯量仅占瓦斯涌出量的9.9%，故瓦斯抽采的工作还应该继续发展。
1.3矿井概况
1.3.1地理位置及交通
文家坡井田位于彬长矿区东部，东以矿区彬县古河道无煤区为界，西与小庄井田、胡家河井田相邻；南与官牌井田相邻，北至七里铺—西坡背斜南部煤层尖灭线。
东西宽10.22km，南北长10.81km，面积87.39km2。
地理坐标：
东经108°02′00″～108°08′45″，北纬35°06′30″～35°13′40″。
井田公路交通便利，西有彬县至底庙公路，东有彬县至新民公路，均与312国道相接，东南距西安150km，至咸阳与陇海铁路线相接；西北距长武县40km。
井田内有县级公路与县乡相通。
建设中的西（安）～平（凉）铁路，从井田南侧通过。
1.3.2地理环境
本区地形地貌特征由于红崖河贯穿切割，分为东南、西北两塬，两塬主要为黄土塬和河谷阶地，塬面平坦开阔。
全区海拔高程介于+1217m～+870m之间，相对高差为347m。
本区内红崖河自东向西贯穿该区中部，年平均流量为0.7922m³s。
红崖河春冬流量
图1.1文家坡矿井地理位置分布图
大，夏秋流量小，洪水期为每年7、8、9月份。
本区地处中纬带高原区，属暖温带半干旱大陆性季风气候区，冬季干旱，夏季炎热，四季比较分明，雨热同季、气温日差较大，干湿季节分明，年降雨量变化大，常出现干旱。
每年3-5月份为西北季风期，最大风速12.7ms。
年平均降雨量为561.4mm，年平均蒸发量为1547mm。
-2001）附录A，本区抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g。
1.3.3含煤地层
（1）井田地质构造
本井田构造简单，是孟村向斜区的东部延伸地段，称文家坡向斜，南北两翼地层倾角平缓（3～6°），为井田主要聚煤区。
断裂构造不发育，亦没有岩浆岩侵入。
（2）煤层
本井田储量丰富，4号开采煤层为特厚、厚煤层，平均可采厚度8.05m。
1、2、3、4下1号煤层为薄及中厚煤层，平均厚度分别为1.43m、0.87m、1.32m、1.54m，为缓倾斜煤层,倾角为1～6o，开采条件优越,无煤与瓦斯突出危险。
井田煤层的水分含量低，中高挥发分，中～高热值，中～中高硫，中灰，低～低特磷，含油～富油，较低软化温度灰，热稳定性和抗碎强度均优，是良好的动力燃料、工业气化和低温干馏用煤。
1.3.4煤炭储量及服务年限
矿井可开采储量424.08Mt，矿井规模为4.0Mta，后期根据煤化工项目需煤量可扩建至6.0Mta。
按照4.0Mta的矿井规模，再考虑1.40储量备用系数计算，矿井服务年限为75.7a。
1.3.5开拓方式及采煤方法
由于主采煤层4煤埋藏深度均在700m左右，矿井不具备斜井开拓条件，因此确定采用立井开拓。
因为4煤平均煤厚8.04m，所以采用综采放顶煤开采，而1、2、3、4T-1煤层均为局部可采煤层，在可采范围内煤层平均厚度在0.87～1.54m之间，设计采用采用薄及中厚煤层单一走向和倾斜长壁综合机械化采煤法，全部垮落法管理工作面顶板。
1.3.6矿井通风及瓦斯情况
矿井设计采用中央分列式通风方式，抽出式通风方法。
现设计主副井筒进风，路村立井回风。
4年后稳定投产后增设两对进回风井筒。
据钻孔瓦斯测定成果，本井田各煤层甲烷含量在0.01～0.91mlg·rad之间。
自燃瓦斯成分中甲烷在0.4～20.11%之间，瓦斯分带为二氧化碳～氮气带及氮气～沼气带。
地质报告鉴定本煤层为易自燃～很易自燃煤层，各煤层挥发分一般在30%以上，最高可达37.42%，煤的干燥无灰基挥发分产率与固定碳之比（爆炸性指数）远远大于10%的分界线，表明各煤层煤尘有爆炸性危险。
1.4研究内容及技术路线图
1.4.1研究内容
（1）结合文家坡矿井煤层赋存状况及41盘区综采工作面情况，分析工作面瓦斯来源构成及各自所占比例，对其工作面瓦斯涌出进行预测。
（2）对于文家坡高瓦斯综采工作面瓦斯涌出特点，制定相应的工作面瓦斯治理方案，建立瓦斯抽放与合理通风相结合的综合防治系统，以达到较好的治理效果，使得工作面的安全高效回采。
（3）对瓦斯管路的敷设路线、抽放管路布置以及管径选择、管路敷设以及管路附属设施进行分析，对抽放钻孔参数以及抽放钻孔施工进行说明，为系统完成提供保证。
（4）分析文家坡综放工作面瓦斯抽放系统的抽放效果，确定工作面瓦斯抽放量及矿井抽放率，检验工作面瓦斯综合治理系统的安全性和经济性。
1.4.2技术路线图
技术路线图见图1.2。
图1.2技术路线图
2矿井瓦斯涌出量的预测
2.1预测方法的选择
瓦斯涌出量预测是指根据某些已知的相关数据，按照一定的方法和规律，预估出整个矿井或者局部区域瓦斯涌出量的工作。
对于新建矿井，需要矿井瓦斯涌出量预测资料，作为通风设计以及制定瓦斯措施的依据。
瓦斯涌出量的预测的正确与否，直接影响着煤矿安全生产和经济效益。
若预测偏低，矿井投产不久就需要进行技术改造，甚至被迫减少产量，而预测偏高，则必须要增加投资和通风设备的运行费用。
所以研究矿井瓦斯涌出量的预测方法，提高预测精度，一直是世界各主要采煤国的重要课题之一。
综合国内外传统的瓦斯涌出量预测的方法有：
统计分析法、瓦斯含量预测法、分源预测法、类比法。
近年来由于科学技术的快速发展，尤其是数学方法和计算机技术的发展，出现了一些新的或是进一步优化的预测方法，比如瓦斯地质数学模型法、速度预测法、灰色系统预测法、神经网络预测法、基于遗传规划的预测法等等。
下面详细的介绍对比我国主要使用的瓦斯涌出量预测法优劣及其适用范围（表2.1）。
表2.1瓦斯涌出量预测法对比
方法
简介
优点
缺点
适用性
矿山统计法
据已开采工作面的实测瓦斯资料，经过统计分析得出某一煤层瓦斯涌出量随开采深度的变化规律，并将其应用于计算新采煤工作面瓦斯涌出量。
可以很简单地通过已知工作面的瓦斯涌出量来计算新采煤工作面的瓦斯涌出量。
需要前期积累的资料多，可推测的深度低，推测结果受煤层倾角和瓦斯涌出量的梯度影响，误差较大。
适用于生产矿井的延伸水平、开采水平的新区、邻近的新矿井。
分源预测法
根据采煤工作面同时涌出的瓦斯源及瓦斯源涌出量的大小，预测采煤工作面的瓦斯涌出源的涌出量
技术成熟，预测精度可达85%以上，适用性广。
对瓦斯含量测定值的可靠性和含量点的分布有较高的要求，计算使用经验公式，其结果的精度有一定的局限性。
适用于新建矿井、生产矿井水平延深、新设计采区以及采掘工作面的瓦斯涌出量预测。
类比法
根据生产矿井已采地区瓦斯涌出量的实测资料，计算出采煤工作面的相对瓦斯涌出量与煤层瓦斯含量的比值，还可计算出掘进巷道绝对瓦斯涌出量与煤层瓦斯含量的比值。
简便易行，在地质条件类似的临近新建矿井，利用这两个之间的比值，结合设计方案，便可进行新矿井瓦斯涌出量预测。
煤层瓦斯含量与采、掘瓦斯涌出量的比值通常是变化的，只简单的将这些归为平均值，导致误差比较大，因此只适合做定性分析。
适用于与邻近生产矿井具有相同或相似的地质、开采条件的新建矿井瓦斯涌出量预测。
通过表1.1可看出，分源预测法在预测新建矿井方面有明显的优势，由于文家坡系新建矿井，统计分析法、类比法所要求的数据积累远远达不到，如果使用可能会造成很大的误差，因此选用分源预测法对文家坡矿井瓦斯涌出量进行预测。
2.2预测过程
2.2.1分源预测法的原理
含瓦斯煤层在开采时，因受到采动作业的影响，使煤层及围岩中的瓦斯赋存平衡状态遭到破坏，破坏区内的煤层、围岩所含瓦斯将涌入井下巷道。
瓦斯涌出源即是井下瓦斯涌出的地点。
瓦斯涌出源的多寡、涌出瓦斯量的大小是决定矿井瓦斯涌出量大小的重要因素。
根据抚顺分院的研究，矿井瓦斯涌出的源、汇关系如图2.1所示。
图2.1矿井瓦斯涌出的源、汇关系
2.2.2准备资料
（1）各煤层瓦斯含量测定资料
据钻孔瓦斯测定成果，本井田各煤层甲烷含量在0.01～0.91mlg·rad之间。
自燃瓦斯成分中甲烷在0.4～20.11%之间，瓦斯分带为二氧化碳～氮气带及氮气～沼气带。
瓦斯测定成果见表2.2。
鉴于目前勘探中瓦斯采样手段的限制，仅从钻孔瓦斯资料尚难准确评价未来矿井瓦斯含量及等级。
初步设计矿井瓦斯含量暂时参考大佛寺矿井经验，将报告中最大瓦斯含量乘2.7的备用系数（3号煤最大瓦斯含量：
0.29×2.7=0.783mlg.daf；4号煤最大瓦斯含量：
0.78×2.7=2.106mlg.daf），以此含量计算矿井瓦斯涌出量，并确定矿井瓦斯等级及进行瓦斯抽采系统系统设计。
表2.2钻孔瓦斯测量结果表
项目
煤层号
CH4
mlg.daf
最小—-最大
平均（点）
自然瓦斯成分（%）
CH4
最小—-最大
平均（点）
CO2
最小—-最大
平均（点）
N2
最小—-最大
平均（点）
1
0.01-0.35
0.13（11）
1.05-8.61
4.07（11）
0-1.81
1.14（11）
89.27-98.30
94.79（11）
2
0.13-0.47
0.26（3）
3.50-9.79
5.82（3）
1.22-1.42
1.35（3）
88.79-95.08
92.83（3）
3
0.01-0.29
0.09（8）
0.45-8.85
2.83（8）
0.50-3.65
1.41（8）
92.05-98.75
96.14（8）
4
0.01-0.78
0.20（31）
0-40.30
6.68（31）
0-31.42
4.93（31）
28.67-99.41
87.96（3）
4下1
0.20-0.91
0.56
（2）
5.74-20.11
12.93
（2）
1.31-2.40
1.86
（2）
77.49-92.95
85.22
（2）
（2）各煤层地质特征资料
本区延安组含煤1～9层，自上而下编号为：
1、2、3、4上1、4上2、4上、4、4下1、4下2，具有资源量估算意义的有5层，各个煤层倾角为1～7°。
其中全区可采煤层1层，为4号煤层；大部可采煤层2层：
1煤层和2煤层；局部可采煤层2层：
3煤层和4下1煤层。
不可采煤层4层：
4上1、4上2、4上、4下2煤层。
可采煤层特征见表2.3，
本井田储量丰富，4号开采煤层为特厚、厚煤层，平均可采厚度8.04m。
1、2、3、4下1号煤层为薄及中厚煤层，平均厚度分别为1.43m、0.87m、1.32m、1.54m，为缓倾斜煤层,倾角为1～6o，开采条件优越。
首采盘区4煤41盘区南北长3.0km、东西宽4.0km，该煤层结构简单，大部不含夹矸，少数含夹矸1～2层。
见煤点44个，可采点42个，见煤点可采率95.45%。
4煤层伪顶为小于0.50m的炭质泥岩，分布零星；直接顶板以泥岩、砂质泥岩为主，次为粉砂岩和细砂岩。
伪底为薄层炭质泥岩，勘探区内极少分布，直接底板为灰褐色含鲕粒铝质泥岩和含铝质粉砂岩，偶含菱铁质鲕粒
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