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

厚度(m)

岩性简述

 

 

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。

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

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