矿井富水性超前探测及水源快速识别研究.pdf

第４１卷第９期能源与环保Ｖｏｌ  ４１Ｎｏ  ９２０１９年９月ＣｈｉｎａＥｎｅｒｇｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＳｅｐ．２０１９收稿日期２０１９－０５－０４；责任编辑王洁ＤＯＩ１０．１９３８９／ｊ．ｃｎｋｉ．１００３－０５０６．２０１９．０９．０２１作者简介孟凡林（１９８７），男，山东滕州人，工程师，２０１０年毕业于中国矿业大学，现从事矿井开采技术管理工作。引用格式孟凡林，毕国胜．矿井富水性超前探测及水源快速识别研究［Ｊ］．能源与环保，２０１９，４１（９）８７  ９０．ＭｅｎｇＦａｎｌｉｎ，ＢｉＧｕｏｓｈｅｎｇ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎａｄｖａｎｃｅｄｗａｔｅｒ  ｒｉｃｈｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｍｉｎｅａｎｄｒａｐｉｄｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｗａｔｅｒｓｏｕｒｃｅ［Ｊ］．ＣｈｉｎａＥｎｅｒｇｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，２０１９，４１（９）８７  ９０．矿井富水性超前探测及水源快速识别研究孟凡林１，毕国胜２（１．新疆龟兹矿业有限公司，新疆阿克苏８４２０００；２．中煤晋中能源化工有限责任公司，山西太原０３００００）摘要通过对井东煤业矿井掘进巷道超前探测技术和水源识别技术进行研究，总结出矿井特有的岩体地球物理特性及水文地质特征，基于交流电放电法，研发设计了矿井富水性超前探测系统，结合矿区的水文地质特征和水样测试结果，建立了矿井水源库，并研发了矿井水源快速识别技术，成功运用于巷道富水性超前探测和水源识别。研究为类似矿井的水害防治提供了参考依据。关键词超前探测；富水性；水源识别；矿井水害中图分类号ＴＤ７４５．２文献标志码Ａ文章编号１００３－０５０６（２０１９）０９－００８７－０４Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎａｄｖａｎｃｅｄｗａｔｅｒ  ｒｉｃｈｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｍｉｎｅａｎｄｒａｐｉｄｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｗａｔｅｒｓｏｕｒｃｅＭｅｎｇＦａｎｌｉｎ１，ＢｉＧｕｏｓｈｅｎｇ２（１．ＸｉｎｊｉａｎｇＧｕｉｚｉＭｉｎｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ａｋｓｕ８４２０００，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｈｉｎａＣｏａｌＪｉｎｚｈｏｎｇＥｎｅｒｇｙＣｈｅｍｉｃａｌＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｔａｉｙｕａｎ０３００００）ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｒｏｕｇｈｒｅｓｅａｒｃｈｏｎａｄｖａｎｃｅｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｗａｔｅｒｓｏｕｒｃｅｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｍｉｎｅｒｏａｄｗａｙｉｎＪｉｎｇｄｏｎｇＣｏａｌＭｉｎｅ，ｔｈｅｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｒｏｃｋｍａｓｓｕｎｉｑｕｅｔｏｔｈｅｍｉｎｅｗｅｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔｄｉｓｃｈａｒｇｅｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｍｉｎｅｗａｔｅｒ  ｒｉｃｈａｄｖａｎｃｅｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｍｉｎｉｎｇａｒｅａａｎｄｔｈｅｗａｔｅｒｓａｍｐｌｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅｍｉｎｅｗａｔｅｒｓｏｕｒｃｅｒｅｓｅｒｖｏｉｒｗａｓｅｓｔａｂ  ｌｉｓｈｅｄａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅｒａｐｉｄｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｍｉｎｅｗａｔｅｒｓｏｕｒｃｅｈａｄｂｅｅｎｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙａｐｐｌｉｅｄｔｏｒｏａｄｗａｙｗａｔｅｒ  ｒｉｃｈａｄ  ｖａｎｃｅｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｗａｔｅｒｓｏｕｒｃｅｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｓｔｕｄｙｐｒｏｖｉｄｅｓａｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｏｆｗａｔｅｒｄｉｓａｓｔｅｒｓｉｎｓｉｍｉ  ｌａｒｍｉｎｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓａｄｖａｎｃｅｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ｗａｔｅｒ  ｒｉｃｈ；ｗａｔｅｒｓｏｕｒｃｅｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｍｉｎｅｗａｔｅｒｄａｍａｇｅ０引言我国浅部煤炭资源日渐枯竭，造成矿井采煤深度不断增加，矿井水文地质条件更加复杂，水害事故频发［１］。据统计，２０１３２０１７年全国煤矿发生水害事故７９起，死亡２７７人，平均每起事故死亡３．５１人［２］。矿井水害尤其是掘进工作面的突水，是煤矿安全生产过程中不容忽视的问题之一［３］。矿井防治水工作中，解决掘进工作面水害的第一要务是超前探测富水区域和可能存在的导水裂隙带，然后实时判别充水地点水源。目前，煤矿应用于富水性超前探测的方法主要有直流电法、瑞利波及地质雷达法、瞬变电磁法。上述方法各有优缺点直流电法使用的仪器抗干扰能力强，但其方向性较差，探测距离也非常有限；瑞利波及地质雷达法仪器相对笨重，探测距离相对短，一般在２０～３０ｍ，实用范围相对有限；矿井瞬变电磁法应用较广，对富水性反应较敏感，但其抗干扰能力较小［４  ７］。因此，研发一种简便、实用、抗干扰能力强和能实时分析的矿井富水性超前探测系统和水源快速识别系统具有重要的意义。１工程概况１．１水文条件矿区为三面环山的低山丘陵区山间盆地，该盆地北高南低，七里河、马关河、马营河自西向东流，７８２０１９年第９期能源与环保第４１卷由北向南流入朔州平原，构成一个向南开口且具门型结构隔水边界的完整水文地质单元。井田主要含水层自下而上主要有奥陶岩溶水、太原组砂岩裂隙水、山西组砂岩裂隙水、石盒子组砂岩裂隙水，主要隔水层为本溪组隔水层、第三系上新统隔水层。直接充水水源为煤层顶板砂岩裂隙水，间接充水水源为大气降水渗入、地表径流渗入等。１．２突水情况２０１０２０１２年间，共发生２次井下突水，突水均发生在９号煤层开采过程中，井下突水情况见表１。表１井下突水情况Ｔａｂ  １Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒｉｎｒｕｓｈ时间地点水源标高／ｍ最大水量／（ｍ３ｈ－１）总水量／（万ｍ３）备注２０１０１２１１４９２０３主运巷顶板水＋１２２３．５６７约０．８５工作面刚形成，排水系统未形成导致淹巷４５ｍ２０１２０８０７４９２０１综采面顶板水、老空水＋１２０７．３３５０约３．５０顶板初次来压，老空水和顶板水涌入导致淹面１．３工程需求分析中煤平朔集团井东煤业公司的掘进巷道前方存在大气降雨、老空水、断层水、陷落水、风氧化带水等水害。一般巷道富水性超前探测技术手段施工时间长，数据不能及时处理分析，探测结果往往不能起到指导掘进的作用，严重影响巷道的掘进施工；同时矿井水害事故发生前往往会出现突水征兆，若能及时快速地判断出水水源，无论是对掘进巷道还是回采工作面，都具有非常重要的意义。若是老空积水，则需提前采取疏放水，及时发现突如其来的老空透水；若是煤层顶板砂岩裂隙水，可以稍微提高排水能力，并稍加重视，则可以正常掘进［８  ９］。研究矿井巷道富水性超前探测方法并及时对突水水源进行分析判别以指导生产，是矿井巷道掘进急需解决的研究课题之一。２矿井富水性超前探测２．１超前探测系统介绍超前探测系统以交流高密度电法原理为基础，采用低功耗嵌入式计算机，能自动进行数据采集、分析和全自动控制电极转换。超前探测系统工作框架如图１所示，该系统可用于矿井巷道顶、底板，巷道两帮及采掘工作面周边地质体的富水性探测，同时可以探测巷道前方富水异常区性、断层、陷落柱等不良地质体。图１超前探测系统工作Ｆｉｇ  １Ａｄｖａｎｃｅｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ２．２超前探测系统主要特点该系统简单易学、易操作，仪器只要一键启动开机，即可实现自检、测量、成图、智能分析地质水文情况以及预警；能在自然与人工等复杂电场的情况下，采用交流电放电法和数学物理方法，产生相应电流，并通过系统过滤相关干扰电场。具体特点及优势如下（１）实时自动成图系统。软件系统对采集的数据实时成图，无需升井后再下载数据进行人工分析，这就大大降低了仪器操作、数据处理对人员素质的高要求。（２）分布式智能电极。电极个数易扩展；有自动检测电极功能，简单容易排除接地不良电极情况，从而减少探测时间。（３）自适应放电电流。“ 数字式” 调节放电电压，根据不同的地质、水文地质情况，自动变化供电电流，以达到精确探测目的。（４）抗干扰能力强。仪器应用“ 数字锁相环” 测量技术，利用多频正弦波放电，此放电方法具有小电流、强抗干扰能力、高精度测量等优点。２．３矿井富水性超前探测系统应用（１）探测方案。在中煤平朔集团井东煤业公司４９２０１主运巷掘进工作面进行了高密度三级交流电法超前探测测试，电极距为５ｍ。探测布置方案如图２所示。８８２０１９年第９期孟凡林，等矿井富水性超前探测及水源快速识别研究第４１卷图２超前探测现场布置Ｆｉｇ  ２Ａｄｖａｎｃｅｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｉｔｅｌａｙｏｕｔ（２）探测结果分析。平朔集团井东煤业公司４９２０５工作面主运巷超前探测结果如图３所示。由探测结果可知，探测区域内主要有３个低阻区域，其具体位置为探测迎头前方５０ｍ处（１号异常区）、６５ｍ处（２号异常区）和７９ｍ处（３号异常区）。在色谱图中相对低阻区域，其区域地质构造相对比较复杂，孕育环境不稳定，其他颜色为过渡区域。结合矿井已有地质资料及现场探测结果可得１号、２号异常区域视电阻率值相对比较弱，其具体地理位置主要表现在地质破碎带、煤岩体侵入、裂隙带岩体潮湿所致；３号异常区域相对视电阻率很低，结合本矿地质地球物理电性实验调查，可基本判断为断层富水区域，建议在实际的掘进揭露时加强该地质区域的钻探验证和防护。图３４９２０５工作面主运巷超前探测Ｆｉｇ  ３Ａｄｖａｎｃｅｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍａｐｏｆｍａｉｎｒｏａｄｗａｙｏｆ４９２０５ｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅ（３）探测结果验证。为了验证超前探测系统的准确性，在巷道迎头施工超前探放水钻孔。当钻孔施工至迎头前方４７．５ｍ处时，钻孔开始有少量水涌出，水量在０．５～１．５ｍ３／ｈ（不影响生产掘进），继续往前施工，直至５５ｍ终孔，钻孔涌水量无明显变化。巷道正常掘进，当施工至探测前方４６ｍ处时巷道开始有淋水，水量在３～５ｍ３／ｈ，与之前物探异常区及钻孔出水位置较吻合。在此处第２次钻探，当钻孔至迎头前方６２ｍ时开始涌水，水量在３～５ｍ３／ｈ；继续钻孔至７５ｍ时，涌水量增大至１１～１５ｍ３／ｈ，实际钻探结果和物探结果基本相符。上述钻探及巷道实际揭露验证了此快速探测系统的准确性，为类似巷道超前掘进探测提供了依据。３矿井水源快速识别技术不同含水层的水介质岩性不同，水动力条件不同，氧化还原环境及酸碱度也不尽相同，其水化学作业是相互独立的，故其常规离子、特征离子成分和数量均有较大差别，据此为判别水源提供依据。根据未知水源的水质类型，再对比已建成的各含水层水源库，通过水质类型及特征离子的对比，就能判别未知水的来源。３．１矿井水源库建立实现矿井水源快速识别的前提是建立矿井水源库。此次建库主要采取样测试的方法，首先对研究矿井进行了地质、水文地质资料的收集（包括矿井水质分析台账、采掘工程平面图、充水性图及相关水文地质台账、图纸等）；然后采集井下各类型水源水样并进行测试，并通过对比水质台账离子浓度进行验证、综合分析，剔除不合格样品，把每次测量结果都输入样品库，并选择特征离子指标，最终建立了井东煤业公司矿井充水水源快速识别样品库。３．２矿井水源快速识别系统矿井水源快速识别系统工作流程如图４所示。水源样品库建好以后，通过与现代地球化学、数学及计算机科学相结合，利用数学模型对矿井水化学数据进行处理，通过嵌入式系统开发了矿井水源识别软件以及矿井水源快速识别仪。３．３矿井水源快速识别系统应用分别在４９２０１运９号钻窝放水孔和４９２０１主运巷迎头钻孔取水样，并用矿井水源快速识别仪测试水样，测试结果见表２。据现场水文地质条件及后９８２０１９年第９期能源与环保第４１卷期巷道掘进验证，矿井水源快速识别系统识别结果正确。图４矿井水源快速识别技术工作流程Ｆｉｇ  ４Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｍｉｎｅｗａｔｅｒｓｏｕｒｃｅｒａｐｉｄｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ表２水样采集与测试成果Ｔａｂ．２Ｗａｔｅｒｓａｍｐｌｅｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎａｎｄｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓ４结论（１）总结出井东煤业矿井特有的岩体地球物理特性及水文地质特征，基于交流电放电法，研发设计了矿井富水性超前探测软件及硬件系统，该系统可适应自然电场及人工电场等复杂条件下，具备抗干扰、小电流、低电压、自动成图突出特点。（２）对探测区进行钻探与掘进揭露验证，验证结果与快速探测成果基本吻合，充分证明了矿井富水性超前探测系统的准确性，可以达到快速探测的目的，为类似巷道掘进探测提供了实践依据。（３）建立了井东煤业矿井水源库，基于数学模型研发了矿井水源快速识别系统。应用结果表明其测定速度快、准确性高，可为矿井水害防治工作提供参考借鉴。参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）［１］张党育．深部开采矿井水害区域治理关键技术研究及发展［Ｊ］．煤炭科学技术，２０１７，４５（８）８  １２．ＺｈａｎｇＤａｎｇｙｕ．Ｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｆｏｒｗａｔｅｒｐｏｌｌｕｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｉｎｄｅｅｐｍｉｎｉｎｇａｒｅａｓ［Ｊ］．ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１７，４５（８）８  １２．［２］蒋星星，李春香．２０１３２０１７年全国煤矿事故统计分析及对策［Ｊ］．煤炭工程，２０１９，５１（１）１０１  １０５．ＪｉａｎｇＸｉｎｇｘｉｎｇ，ＬｉＣｈｕｎｘｉａｎｇ．２０１３  ２０１７ｎａｔｉｏｎａｌｃｏａｌｍｉｎｅａｃｃｉ  ｄｅｎｔｓｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓ［Ｊ］．ＣｏａｌＥｎｇｉｎｅｅｒ  ｉｎｇ，２０１９，５１（１）１０１  １０５．［３］靳德武．我国煤矿水害防治技术新进展及其方法论思考［Ｊ］．煤炭科学技术，２０１７，４５（５）１４１  １４７．ＪｉｎＤｅｗｕ．Ｎｅｗｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｃｏａｌｍｉｎｅｗａｔｅｒｄａｍａｇｅｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌ  ｏｇｙａｎｄｉｔｓｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙｉｎＣｈｉｎａ［Ｊ］．ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏ  ｇｙ，２０１７，４５（５）１４１  １４７．［４］徐佳，朱鲁，翟培合，等．三维电法超前探在巷道掘进水害防治中的应用［Ｊ］．煤炭技术，２０１４，３３（１２）５８  ６０．ＸｕＪｉａ，ＺｈｕＬｕ，ＺｈａｉＰｅｉｈｅ，ｅｔａｌ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｒｅｅ  ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ  ａｌｅｌｅｃｔｒｉｃａｄｖａｎｃｅｐｒｏｓｐｅｃｔｉｎｇｉｎｗａｔｅｒｄａｍａｇｅｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｉｎｒｏａｄｗａｙｄｒｉｖｉｎｇ［Ｊ］．ＣｏａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１４，３３（１２）５８  ６０．［５］徐文星，王玉和，王圣龙，等．瞬变电磁技术在掘进巷道水害防治中的应用［Ｊ］．现代矿业，２０１４，３０（５）１０１  １０３．ＸｕＷｅｎｘｉｎｇ，ＷａｎｇＹｕｈｅ，ＷａｎｇＳｈｅｎｇｌｏｎｇ，ｅｔａｌ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｒａｎｓｉｅｎｔｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｗａｔｅｒｄａｍａｇｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｒｏａｄｗａｙ［Ｊ］．ＭｏｄｅｒｎＭｉｎｉｎｇ，２０１４，３０（５）１０１  １０３．［６］曲兴玥，邱梅，施龙青．基于因子聚类分析的矿井水源识别［Ｊ］．煤炭技术，２０１８，３７（１２）１３７  １３９．ＱｕＸｉｎｇｙｕｅ，ＱｉｕＭｅｉ，ＳｈｉＬｏｎｇｑｉｎｇ．Ｍｉｎｅｗａｔｅｒｓｏｕｒｃｅｉｄｅｎｔｉｆｉｃａ  ｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｆａｃｔｏｒ  ｃｌｕｓｔｅｒａｎａｌｙｓｉｓ［Ｊ］．ＣｏａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１８，３７（１２）１３７  １３９．［７］李松峰，李永军．瞬变电磁法在晋牛矿巷道超前探测中的应用［Ｊ］．华北科技学院学报，２０１８，１５（５）２９  ３１．ＬｉＳｏｎｇｆｅｎｇ，ＬｉＹｏｎｇｊｕｎ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｅｍｉｎａｄｖａｎｃｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｒｏａｄｗａｙｉｎｊｉｎｎｉｕｍｉｎｅ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｃｉ  ｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１８，１５（５）２９  ３１．［８］李松峰，李永军，魏军军．高密度电法在矿井富水性探测中的应用［Ｊ］．华北科技学院学报，２０１３，１０（３）１２  １４．ＬｉＳｏｎｇｆｅｎｇ，ＬｉＹｏｎｇｊｕｎ，ＷｅｉＪｕｎｊｕｎ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈｄｅｎｓｉｔｙｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｍｅｔｈｏｄｉｎｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｍｉｎｅｗａｔｅｒａｂｕｎｄａｎｃｅ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１３，１０（３）１２  １４．［９］连会青，刘德民，尹尚先．水化学综合识别模式在矿井水源判别中的应用［Ｊ］．煤炭工程，２０１２（８）１０７  １０９．ＬｉａｎＨｕｉｑｉｎｇ，ＬｉｕＤｅｍｉｎ，ＹｉｎＳｈａｎｇｘｉａｎ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｃｏｍｐｒｅ  ｈｅｎｓｉｖｅｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｈｙｄｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙｉｎｍｉｎｅｗａｔｅｒｓｏｕｒｃｅｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＣｏａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１２（８）１０７  １０９．０９

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