潞安矿区井下地应力测量及分布规律研究.pdf
第 3 1 卷第 3期 2 0 1 0年 3月 岩 土 力 学 Roc k a nd So i 1 M e c ha n i c s Vb l 31 M a t . NO. 3 201 0 文章编号1 0 0 0 --7 5 9 8 2 0 1 0 0 3 --0 8 2 7 --0 6 潞安矿区井下地应力测量及分布规律研究 康红普 ,林健 ,张晓,吴拥政 煤炭科学研究总院 开采设计研究分院,北京 1 0 0 0 1 3 摘要在【 J J 西潞安矿区的 l 3个煤矿采用小孔径水压致裂地应力测量装置,完成了6 0个测点的原岩应力测量工作。实测数 据表明潞安矿 5 5 %的测 点最大水 主应力大_ r 垂直主应力,由丁受埋藏深度与地质构造影响,矿 区内各矿地应力值 差别 较大 ,佣地应力大小总体上属于中等地应力值 ;潞安矿 区最大水 平主应力方 向从南到北变化较大 ,构造应力场呈现 出多变 的 形态 。在 实测数据 的基础上 ,绘制 了潞安矿区地应力分布 图;分析 了地应 力随埋藏深度 的变化规律、平均水平主应 力与垂直 主应力 的比值与埋藏深度 的关系。 煤矿井下地应力测量 为井 田开拓 、 巷道布置与支护设计等工程实践提供 了可靠 的基础参数, 提 高了工程设计的科学性、合理性与可靠性 。 关键词地府力测量;水压致裂;地应力场;分布规律 中图分类号T D 3 1 1 文献标识码A I n. s i t u s t r e s s m e a s ur e m e nt s a nd di s t r i bu t i O n l a ws i n Lu’ a n unde r g r o un d c o a l mi n e s KANG Ho n g p u, LI N J i a n, ZHANG Xi a o, W U Yo ng z h e n g C o a l Min i n g a n d D e s i g n i n g B r a n c h , C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e , B e ij in g 1 0 0 0 1 3 , C h in a Ab s t r a c t 6 0 p o i n t s o f i n s i t u r o c k s t r e s s e s h a v e b e e n me a s u r e d i n 1 3 c o a l mi n e s o f L u ’ a n c o a l mi n e a r e a b y me a n s o f h y d r o f r a c mr i n g s t r e s s me a s u r e me n t r i g wi t h s ma l l b o r e h o l e . Th e s tr e s s me a s u r e me n t d a t a p o i n t o u t t h a t t h e ma x i mu m h o r i z o n t a l p r i nc i p a l s t r e s s e s on 55 % of t h e t o t a l me a s u r i ng po i nt s a r e gr e a t e r t ha n t h e v e r t i c a l s t r e s s e s i n Lu’ a n c oa l mi ne a r e a;a nd t h e i n s i t u s tre s s v a l u e s e x i s t g r e a t d i f f e r e n c e s i n v a r i o u s mi n e s b e c a u s e o f d i f f e r e n t b u r i e d d e p t h s an d g e o l o g i c a l s t r u c t u r e s . Ho we v e r ,t h e ma g ni t ude of t h e s t r e s s e s i s g e ne r a l l y mo de r a t e v a l ue. The o r i e n t a t i o ns o f t he ma xi mum ho r i z o nt a l pr i nc i pa l s t r e s s e s c h a ng e gre a t l y f r o m s ou t h e r n pa rt t o no r t h e rn pa r t ,t h e t e c t o ni c s t r e s s fie l ds p r e s e n t c h a ng e a bl e s t a t e .Ba s e d o n t he fie l d d a t a , t h e s t r e s s d i s tri b u t i o n ma p o f L u ’ a n c o a l mi n e a r e a wa s d r a wn u p ; t h e s t r e s s v a r i a t i o n wi t h b u r i e d d e p t h , a n d t h e r e l a t i o n b e t we e n t h e s p e c i fi c v a l u e o f t h e me a n h o r i z o n t a l p r i n c i p a l s t r e s s e s t o t h e v e r t i c a l s t r e s s e s a n d b u r i e d d e p t h we r e a n a l y s e d . T h e s t r e s s me a s u r e me n t r e s u l t s p r o v i d e r e l i a bl e f u nd a me n t a l pa r a me t e r s f or e ngi ne e r i n g p r a c t i c e s ,s u c h a s mi ne fie l d d e ve l op me n t ,r oa dwa y l a yo u t a n d s u pp o r t d es i gn ,a nd i mp r ov e t h e s c i e nt i fic d e g r e e , r a t i o na l i t y a nd r e l i a bi l i t y o f e ngi n e e r i n g de s i gns . Ke y w o r d s i n s i t u s t r e s s m e a s u r e me n t ; h y d r o fr a c tur i n g ; i n s i t u s t r e s s fi e l d s ; d i s t r i b u t i o n 1 a w 1 引 言 煤矿巷道 、硐室及采场等地下工程 的稳定性与 其所处的应力环境有很大关系,原岩应力的大小与 方 向显著地影响围岩变形与破坏 。随着煤矿地下工 程规模的不断扩大 ,埋藏深度 的不断增加,地应力 的作用表现得更加突出。因此 ,在煤矿井下进行地 应力测量 ,并分析地应力场分布特征与规律对煤矿 开采与岩层控制具有不可替代的重要作用。 地 应力场 主要 由 自重应力场与构造应力场组 成 。白重应力场 由岩体的重力引起 , 相对 比较简单, 可用上覆岩层的重度与埋藏深度估算。构造应力场 与岩层 内发生过 的构造运动与存在 的地质构造有 关 ,其中尤 以水平方 向的构造运动对地应力的形成 及其分布特点影响最大 。构造应力场的影响因素非 常复杂,与构造运动的类型、规模 、时间与空间演 化、活动状况、一次还是多次等有关。构造应力场 在空问上的分布极不均匀,而且随着 时间的推移在 收稿 日期 2 0 0 8 . 0 9 . 2 6 基金项目国家重点基础研究发展计J J 9 7 3 项目 N o . 2 0 0 6 c B 2 O 2 2 O 3 国家 自然科学基金重人项 目 No . 5 0 4 9 0 2 7 0 。 第一作者简介 康红普, 男, 1 9 6 5年牛, 博, 研究员, 博士生导师, 主要从事矿I l l 岩石力学与岩层控制技术方而的研究工作。 E - ma i l k a n g h p 1 6 3 .c o m 8 2 8 岩 土 力 学 2 0 1 0芷 不断变化,属于非稳定的应力场 。到 目前为止,还 很难用函数形式描述构造应 力场 的分布 与变化规 律,比较可靠的方法是在现场进行地应力测量,然 后基于实测数据,进行统计分析,研究地应力分布 规律,用 以指导工程实践。 地应力测量方法有多种I J J , 包括以测量岩体中 的应变、变形为依据的力学法,如应力恢复法、应 力解除法及水压致裂法等;以测量岩体中声发射 、 声波传播规律、电阻率或其他物理量的变化为依据 的地球物理方法 ;以及根据地质构造和井下岩体破 坏状况提供的信息确定应力方 向。目前,应力解除 法与水压致裂法得到 比较广泛的应用。应力解除法 测量精度 比较高,而且采用一个钻孔就能确定出一 个测点的三维应力l 4 J ; 水压致裂法能测量较深处的 绝对应力,是最直接的测量方法,测量空间范围较 大 ,不需要套芯等复杂工序 ,成功率较高。煤炭科 学研究总院开采设计研究分院根据煤矿井下特点, 开发出适用于煤矿井下巷道中使用的小孔径水压致 裂地应力测量装置【 6 J ,并在多个矿区进行 了地应力 测量 J ,获得大量实测数据。 潞安矿区位于晋东南地区长治市附近 ,是我国 重要的产煤基地。近年来 ,随着矿区煤炭产量、开 采强度、深度与范围不断增加,巷道支护的难度也 越来越大。矿区受多期地质构造运动影响,地应力 场 比较复杂。本文采用小孔径水压致裂地应力测量 方法与装置,在潞安矿区 1 3个煤矿完成 了 6 0个测 点的地应力测量 。基于实测数据 ,分析 了潞安矿区 地应力场分布特征与规律,并将测量结果应用于巷 道支护设计,提高了支护设计的科学性与可靠性 。 2 潞安矿 区地应力测量结果 2 . 1 潞安矿区地理与地质简况 潞安矿区地处山西省东南部,位于太行山中段 西侧,长治盆地之西部,属于沁水煤田东部中段。 大地构造位置处在我国华北地区东部新华夏构造体 系第三隆起带中段,即太行新华夏系一级隆起之上 的二级构造带晋 城一 获 鹿断褶带与武 乡 . 阳 城凹褶带之间。矿区主要构造形态为总体向 西倾斜的北北东向或近似南北 向的宽缓单斜构造, 其上迭加次一级褶曲与断裂。矿区的北部区属丘陵 地带,南部区属高原盆地 内的河谷平原。最高点海 拔 1 l 1 3 m,最低处漳河河床 8 9 9 m,一般地面标高 为 9 0 0 1 1 0 0 m之间,全区地势北高南低,西高东 低。潞安矿区北 以西川 I 断层为界与武夏矿区相接, 南以长治与晋城市行政边界为界, 东以 1 5号煤层露 头为界,西以 1 5号煤层 1 5 0 0 m埋深为界,南北长 4 4 7 7 k m,东西宽约 6 3 . 1 k m,面积 2 0 5 2 ~k m2 。 2 . 2 潞安矿区地应力测量结果 水压致裂地应力测量分为平面应力测量和三维 应力测量【 】 J ,在潞安矿区进行了平面应力测量。 应力测量在井下巷道中进行 。钻孔在巷道顶板中部 垂直 向上布置,测量水平面上的最大与最小水平主 应力,垂直主应力由上覆岩层重量计算得出。钻孔 采用小孔径,直径为 5 6 mm;钻孔长度为 2 0m左 右。 每个钻孔 中进行 3 ~5次测量, 对测量结果进行 分析比较,确定比较合理、可靠的数据作为该钻孔 的地应 力值 。 从 2 0 0 0年到 2 0 0 7年, 共完成了6 0 个测点的地 应力测量。测量地点包括潞安矿业集团公司的屯留 矿、 漳村矿、 五阳矿、 常村矿、王庄矿等 1 1 个矿井, 以及霍尔新赫矿、 善福矿等地方煤矿, 共 1 3个煤矿 。 部分测试结果如表 1 ,表中 为巷道埋深,测点深 度在巷道顶板上方 1 2 ~2 0 m; 、 , 为垂直主应力; 为最大水平主应力; 为最小水平主应力。 表 1 潞安矿区地应力测量结果 Tah i e1 S t r e s sme a s ur e me ntr e s u l t si nLu’ a n c o a lminea r e a 第 3 期 康 红普等 潞安矿 井下地应力测量及分布规律研究 8 2 9 3 潞 安矿 区地应力场特征分析 分 析潞 安矿 区 6 0 个 地应 力测 点数 据 , 发现 地应 力分布呈现一定规律性 。 3 . 1 矿区地应力场类型 6 0个测点中最大水平主应力大于垂直主应力 的测点有 3 3个,占总测点的 5 5%。潞安矿区原岩 应力总体上水平应力占优势 。由于埋藏深度不同及 地质构造原因,矿区内各矿地应力场差别较大。按 照 3个主应力的大小排列, 可分为 3种情况 ① 、 , , 2 5个测点,占总测点数的 4 1 . 7 %;② 、 , O - O - ,2 7个测点,占总测点数的 4 5 %;③ O - v,8个测点,大部分是埋藏较浅的井区,占 总测点数的 1 3 . 3 %。 在文王山大断层 以北 域 五阳矿、夏店矿、 善福矿 ,共1 1个测点,所处巷道埋深为 2 4 0 5 8 9 m。 H v O - h ,4个狈 0 点 ; v H h ,6 个测点;O - v,1 个测点。西部的夏店矿全 部测点垂直主应力大于水平主应 力,而在东部的五 阳矿、善福矿,水甲主应力占明显优势。 在文王 山南大断层至■岗I I l 北正断层之间的中 部区域 屯留矿、常村矿、漳村矿、王庄矿、石圪 节矿、 郭庄矿 , 共 3 5 个测点, 所处巷道埋深为 1 6 5 ~ 5 4 0 m。 H v h ,1 4个测点; v H h , 1 7个测点; v4个测点。西部的屯留 矿巷道埋深较大 5 1 5 5 4 0 m ,全部测点垂直主 应力大于水平主应力;北部漳村矿 、 , O - 、 、,O - 的测点各 占一半;其余煤矿 7 0 %以上 的测点水平主应力大 于垂直主应力,而且王庄矿浅 部 1 6 5 2 2 0 m测点全部为 O - V最小 水平主应力也大于垂直主应力。 在二岗山大断层以南的区域 高河矿 、 司马矿、 霍尔新赫矿 , 共 1 1 个测 点, 所处巷道埋深为 2 1 3 ~ 4 7 4 m。 H v O - h ,7个湖 0 点; v H h ,4 个测点。西南部的霍尔新赫矿与 中北部的高河矿全 部测点水平主应力大于垂直主应力 ;东部司马矿 H v h 、 v H 的测点数相差不大 。 3 . 2 矿 区主应力方 向分布 根据实测结果绘制的潞安矿区地应力分布如 图 1 。 在潞安矿区构造应力场中, 在文王山大断层以北 区域,最大水平主应力方向基本集中在 N1 1 . 8 。 w~ N3 4 . 5 。 W 之 间。 在文王山南大断层至二 岗山北正断层之 间中部 区域的 3 5个测点,其中 2 1个测点的最大水平主应 力方向集 中在 N1 9 . 1 。 W~ N7 2 . 9 。 W 之间。屯留矿 8 个测 点最大水平主应力方 向全部集中在 N1 3 . 6 。 E ~ N4 4 . 8 。 E之 间。紧邻屯留矿 的郭庄矿 3个测点中也 有 2个测点最大水平主应力方向集中在该范围内。 图1 潞安矿区地应力分布图 Fi g . 1 I n- s i t u s t r e s s di s t r i but i o n ma p i n Lu’ an c o al mi ne ar e a 在二岗山大断层以南的区域,最大水平主应力 方 向全部集 中在 N8 . 0 。 E ~N5 1 . 2 E 之 间,并且 1 1 个测 点中有 1 0个测点的最大水平主应 力集中在 N22 . 0 。 E~ N5 1 . 2。 E。 由此可见,潞安矿区最大水平主应力方 向从南 8 3 0 岩 土 力 学 2 0 1 0 正 到北变化较大,构造应力场呈现 出多变的形态。在 文王山大断层以北区域,最大水平主应力方向基本 集中在 NN W 方向。由于受文王山南、北大断层 的 影响,文王山大断层和二岗山大断层之间的中部矿 区,最大水平主应力方向发生了由N NW- N WW 方 向扭转的趋势。而屯留矿 由于受余吾大逆断层的影 响,最大水平主应力方向发生了向 N E向扭转的趋 势。在二岗山大断层 以南的区域,最大水平主应力 方 向主要集中在 N NE方 向。 3 . 3 主应力值随深度的变化规律 从各矿地应力值看,王庄矿、司马矿及石圪节 矿巷道埋深浅,所测地应力值也不大;其他大部分 矿井巷道埋深都集中在 3 0 0 --5 0 0 m 范围内;屯留 矿巷道埋深最大,全部都在 5 0 0 m 以上 。根据测量 结果绘制了地应力随巷道埋深变化的曲线,如图 2 所 示 。 从图看出,最大与最小水平主应力值总体上有 随巷道埋深增加而增大的趋势 ,但由于受到多个地 质构造的影响,导致水平应力值离散性很大,规律 性较差,这也正是地质构造复杂煤矿矿区井下地应 力分布的明显特点。 在潞安矿区所有测点中, 埋深最浅的为 1 6 5 m, 最深的为 5 8 9 m。其中 1 6 5 2 5 0 m有 1 2 个测点; 2 5 0 4 0 0 m有 2 7个测点; 4 0 0 1 3 1 以上有 2 1 个测点。 在 1 6 5 2 5 0m的 1 2个测点中,只有石圪节矿 的 1 个测点最大水平主应力小于垂直主应力,其他 1 1 个测点的最大水平主应力均大于垂直主应力,而 且最小水平主应力也大于垂直主应力的有 8个测 点,占 6 6 . 7 %。随着埋深增加,最大、最小水平主 应力增加较快 大部分测点分布在图 2对应直线的 匕 方 。 g 攥 到 主应力值/ MP a 0 2 4 6 8 l 0 l 2 I 4 1 6 I 8 ‘ 一 最小水平主应力 一 一最大 水平主 应力 图2 潞安矿区地应力随深度变化 F i g . 2 I n - s i t n s t r e s s v s . d e p t h i n Lu ’ a l l c o a l mi n i n g a r e a 在 2 5 0 4 0 0m的 2 7 个测点中,1 4个测点的最 大水平主应力大于垂直主应力,占 5 1 . 9%。全部测 点的垂直主应力均大于最小水平主应力。随着埋深 增加,最大、最小水平主应力增加速度变缓,而且 出现明显的波动 测点分布在 图 2对应直线的两 侧 。 在 4 0 0 m 以上的 2 1 个测点,有 8个测点的最 大水平主应力大于垂直主应力,占 3 8 . 1 %,其中包 括高河矿、郭庄矿及霍尔新赫矿的全部测点。屯留 矿全部测点的垂直主应力大于最大水平主应力。随 着埋深增加,最大、最小水平主应力增加速度进一 步变缓 大部分测点分布在图 2对应直线的下方 。 由此可见,在浅部井区,水平应力 的增加速度 大于垂直应力;随着埋深增加,水平应力的增加速 度逐渐降低 ,最大水平主应力有接近垂直主应力的 趋势。 3 .4 矿区主应力量级分析 统计潞安矿区 6 0个测点测试结果, 最大水平主 应力极值为 1 6 . 9 4 MP a 。 最大主应力小于 l 0 a的 有2 3 个测点, 占3 8 - 3%, 大于 l 0 MP a 且小于 1 8 MP a 的测点有 3 7个,占6 1 . 7 %。 根据相关判断标准0 ~1 0 MP a 为低应力区, l 0 n1 8 MP a 为中等应力区,1 8 ~3 0 MP a为高应力 区;大于 3 0 MP a为超高应力区。因此,潞安矿区 地应力整体上属于中等地应力值矿区,局部地区属 于低地应力场。 3 . 5 平均水平与垂直主应力比值随埋深变化规律 将平均水平主应力 最大与最小水平主应力的 平均值与垂直主应力的比值同深度的关系绘制出 散点图,参照布朗. 霍克 B r o wn . Ho e k 世界范围 内地应力分布规律的研究成果及分析方法I 1 引 ,回归 分析了潞安矿区平均水平主应力与垂直主应力的比 值 随深度变化的规律。 令平均水平主应力和垂直主应力的比值为 k k 1 2 o r v 又令尼百 ab,/ / - / , H 式中a 、b为待定常数,则有 ka x b,因此, 可以认为 k与深度的倒数成线性关系 钠 。 将测试数据经线性回归分析得到a 1 9 1 . 9 7 , b 0 . 3 0 5 6 , 即 k 0 . 3 0 5 6 2 . L Z 布 朗. 霍克总结了世界范围内的有关地应力资 0 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ● 2 3 4 5 6 7 第 3期 康红普等潞安矿区井下地应力测量及分布规律研究 8 3 1 料,提出了k的表达式 后8 0 00. 4 H 巷道支护效果与安全性。 3 5 结论 并提出了内外包线的曲线 0 . 3≤ k≤ 0 . 5 4 H H 比较式 2 、 3 和 4 看出,潞安矿 区地应力 k 与深度的关系, 与布 朗. 霍克总结的关系曲线总体规 律特征相似,但数值有一定差异 ,与布朗. 霍克的内 包线比较接近 。 布 朗一 霍克总结世界范围内的地应力数据不仅 有沉积岩,还包括大量的岩浆岩和变质岩的测试数 据 。此外,由于世界不同地域受历史及现今构造运 动的影响程度差异大,从而形成的构造应力场特征 差异也很大,这也是布 朗. 霍克内、外包线数值差异 较大的原因之一 一。 煤矿地层主要是沉积岩,其物理力学性质与岩 浆岩、变质岩有很大区别 。潞安矿区地应力测量与 分析结果表 明, 虽然地应力变化趋势与布朗. 霍克总 结的关系 曲线相似,但煤矿地层地应力有其 自身的 特点,不能简单套用其他行业甚至其他煤矿矿区的 测试结果 。 3 . 6 最大与最小水平主应力比值 的分布特征 在潞安矿区 6 0个测点中, / 最大为 2 . 0 4 , 最小为 1 . 4 4 ,平均为 1 . 7 2 ,最大与最小水平主应力 差值较大。由于最大、最小主应力差值较大造成岩 体内剪应力较大 ,超过岩体抗剪强度时,岩体将发 生断裂 ,为断层、节理等构造的形成提供了有利的 应力条件,这也是潞安矿区断层、节理等构造 比较 发育、分布密集的力学动因之一。 4 工程应用 地应力测试成果 已经在潞安矿区各矿的巷道布 置与支护设计中得到广泛应用【 1 。在进行巷道布置 时,尽量考虑地应力大小与方向对巷道 围岩稳定性 的影响, 基于地应力场分布特征进行巷道布置优化 , 尽可能使工程量大、服务时间长的巷道轴线方 向与 最大水平主应力方 向平行或呈小角度。 在各矿的巷道支护设计中也充分应用了地应力 测量成果。基于地应力及其他物理、力学参数建立 数值模型 , 分析地应力大小与方向对巷道 围岩位移、 应力分布、破坏范围及支护体受力的影响;模拟不 同支护形式与参数的巷道支护效果;通过多方案 比 较,确定比较合理的巷道支护设计。这种方法显著 地提高了支护设计的科学性与可靠性,保证 了井下 1 潞安矿区地应力场 中总体上水平应力占一 定优势。在浅部井区地应力场以水平应力为主,在 较深部井区,垂直应力占明显优势。但由于埋藏深 度不同及地质构造原因,矿区内各矿地应力场差别 较大。 2 潞安矿区整体上属于中等地应力值矿区, 局部地区属于低地应力场。最大与最小水平主应力 值总体上有随巷道埋深增加而增大的趋势,但 由于 受到地质构造 的影响,水平应力值离散性较大。 3 在浅部井区,水平应力值随埋藏深度增大 而增加的速度大于垂直应力;随着埋深增加,水平 应力值的增加速度逐渐降低,最大水平主应力有接 近垂直主应力的趋势。 4 潞安矿区平均水平主应力与垂直主应力的 比值随深度变化可用式 2 表示。 5 由于受文王 山、二岗山、余吾等大断层 的 影响,潞安矿区最大水平主应力方向从南到北变化 较大 ,构造应力场呈现出多变的形态 。 6 潞安矿区最大与最小水平主应力差值较大, 为断层、 节理等构造的形成提供了有利 的应力条件。 参 考 文 献 [ 1 ] 蔡美峰.地应力测 量原理与技术 【 M】 . 北 京科学 出版 社, 2 0 0 0 . 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Ro c k a n d S o i l Me c h a n i c s , 2 0 0 6 , 2 7 5 8 1 6 8 22 . 下转第 8 4 4页 岩 土 力 学 2 0 1 0 钲 【 5 】 C HO W Y K, C HI N J L L E E S L . Ne g a t i v e s k i n f r i c t i o n o n p i l e g r o u p s [ J ] . I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l f o r Nu me r i c a l a nd Ana l yt i c al M e t ho d i n Ge o t e c hni c s ,1 99 0 ,1 4 75 91 . 【 6 ] 杨涛.复合地基沉降计算理论、 位移反分析模型和二灰 土桩软基加 固实验研究【 博士学位论文 D ] .南京 河海 大学。 1 9 9 7 . [ 7 ] A L A MG I R M, MI UR AN. De f o r m a t i o n a n a l y s i s o f s o f t g r o u n d r e i n f o r c e d b y c o l u m n a r i n c l u s i o n s [ J ] . Co mp u t e r s a n d Ge o t e e h n i e s , 1 9 9 6 , 1 8 4 2 6 7 --2 9 0 . 【 8 ] 赵明华,贺炜,曹文贵. 基桩负摩 阻力计算方法初探[ J ] . 岩土力学, 2 0 0 4 , 2 5 9 1 4 4 2 1 4 4 6 . Z HAO M i n g h u a ,HE W e i ,CAO W e n - g u i .S t u d y o n c a l c u l a t i o n o f n e g a t i v e s k i n f r i c t i o n r e s i s t a n c e o n p i l e s [ J ] . 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