厚煤层综放开采技术现状与进展刘.docx
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厚煤层综放开采技术现状与进展刘
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厚煤层综放开采技术现状与进展
中国矿业大学
2009年6月
目录
1高产高效综放开采技术国内外现状1
1.1国外高产高效综采现状1
1.1.1矿井集中化生产概况1
1.1.2高产高效综采工作面参数及工作面配套设备2
1.2我国高产高效综采现状4
1.3综采放顶煤技术在兖州矿区的应用发展5
1.3.1兖矿综放开采的煤层条件5
1.3.2综采放顶煤技术发展过程6
1.3.4综放取得的主要成果8
1.3.4兖州矿区对综放开采的贡献9
1.3.5综采放顶煤开采技术发展展望10
2放顶煤长壁采煤法的基本概念和适应条件11
2.1放顶煤的概念11
2.2放顶煤采煤技术的主要类型12
2.3适应综放开采的采区(工作面)地质条件13
3放顶煤开采的基础理论研究15
3.1综放采场矿山压力研究15
3.1.1综放采场上覆岩层结构与活动规律15
3.1.2综放采场矿山压力控制17
3.2顶煤运移和破坏规律研究19
3.2.1顶煤的变形与破坏机理20
3.2.2厚煤层可放性及其分类22
3.2.3顶煤冒放性的影响因素25
3.3回采工艺参数研究28
3.3.1综放工作面作业方式28
3.3.2综放工作面放煤工艺参数29
3.3.3综放工作面生产系统优化30
3.4综放采区的巷道布置31
3.4.1采区参数的确定31
3.4.2采区巷道的布置方式33
4综放开采工作面的配套设备研究36
4.1国内外综放工作面设备发展概况及趋势36
4.1.1液压支架36
4.1.2采煤机37
4.1.3工作面刮板输送机37
4.2影响设备选型配套的生产技术条件38
4.2.1煤层的赋存条件38
4.2.2煤层倾角38
4.2.3顶板稳定性39
4.2.4底板稳定性39
4.2.5煤层瓦斯含量39
4.2.6水文地质条件39
4.2.7生产系统配套能力39
4.3设备配套的基本原则40
4.3.1生产能力配套40
4.3.2设备性能配套40
4.3.3几何尺寸与空间位置配套41
4.3.4配套中的几个关键环节41
4.4放顶煤液压支架选型41
4.4.1液压支架选型原则41
4.4.2缓倾斜中硬厚煤层放顶煤液压支架的选型原则42
4.4.3放顶煤液压支架设计的技术要求43
4.4.4低位放顶煤液压支架的特点及适应性45
5综放开采安全技术研究46
5.1矿井通风与瓦斯防治技术46
5.1.1综放开采矿井通风技术47
5.1.2瓦斯综合防治技术48
5.2煤层自然发火防治技术51
5.2.1防灭火技术52
5.2.2火灾的预测预报技术53
5.3粉尘防治技术54
6提高综放采出率的理论与技术54
6.1顶煤弱化的技术途径54
6.2坚硬顶煤水力致裂弱化理论与技术55
6.2.1坚硬顶煤水力致裂软化原理55
6.2.2水力致裂软化参数的确定58
6.2.3水力致裂软化工艺59
6.3预爆破弱化煤体理论与技术61
6.3.1预爆破弱化煤体理论61
6.3.2预爆破弱化顶煤技术62
6.4裂隙方位匹配弱化煤体机理65
7附件:
相关文献66
1高产高效综放开采技术国内外现状
1.1国外高产高效综采现状
1.1.1矿井集中化生产概况
自1954年第一个综合机械化采煤工作面在英国诞生以来,经过60年代的完善提高,综采技术装备日益成熟,70年代后期各先进产煤国家不断创出高产高效新记录。
有关专家在20世纪80年代曾提出90年代将出现日产30~40kt的高产综采工作面,并预言一矿一面是今后矿井发展的主要方向,这一目标已在20世纪末实现。
进入20世纪90年代,高产高效世界记录不断刷新,且多向一矿一面发展。
德国萨尔公司的恩斯多尔夫矿在长335m,采高3.0m的工作面,用德国艾柯夫公司生产的SL500型电牵引采煤机,日产商品煤11560t。
法国洛林矿区拉鸟弗矿用英国AS公司生产的EI-2000型采煤机,最高日产达22249t。
澳大利亚新南威尔士尤兰矿工作面长为250m,平均采高2.9m,用艾柯夫公司产的EDW—450/1000L型电牵引采煤机,截深1.0m,牵引速度l0m/min,1995年8月创综采面日产煤34130t的高产记录。
英国塞尔比矿1995年产煤10Mt,用AM500型电牵引采煤机创综采面周产109191t的欧洲记录。
美国塞浦路斯公司20英里矿在250X5280m长壁综采面用朗艾道公司安德森EL3000型电牵引采煤机(1426kW),截深0.9m,用2X8566kN电液控制两柱掩护式支架,3X734kW强力刮板输送机,1997年6月产商品煤998064t的世界记录。
国外高产高效矿井现阶段的特点是:
①矿井高度集中生产,井型为3~4Mt/a,一矿一面,年工作日250d,两班生产一班检修。
工作面平均月产300kt以上,日产10kt以上。
工作面生产班7~9人,采煤队在籍30~40人。
工作面效率300~400t/工,全矿300~400人,矿井全员工效30t/工以上;
②广泛采用大功率高效能重型成套机电设备,采煤机总功率在1000kW以上,采高已达5m,大修周期2~3a,可采煤量4Mt~6Mt。
工作面刮板输送机装机功率已达2250kW,槽宽达1200mm,最大输送能力4kt/h,过煤量6Mt以上。
平巷带式输送机装机功率(2~4)×(400~500kW),最大输送能力达3.5kt/h,铺设长度2000m以上。
液压支架普遍采用电液控制和高压大流量供液系统,架型向两柱掩护式方向发展,最大工作阻力已达9.8MN,移架速度已达6s~8s/架。
③工作面推进长度一般2000m~3000m,最长已达5280m,美国西部某矿设计工作面推进长度甚至已达6700m。
④工作面可靠性高,采、装、运和支护设备综合开机率达90%以上。
美国高产高效设备可用率已达97%。
⑤工作面设备配套合理。
美国综采面刮板输送机、转载机、平巷带式输送机的生产能力一般大于采煤机最大生产能力的20%,以便形成由工作面往外生产能力越来越大的煤流,为保持工作面稳定高产创造条件。
⑥工作面设备监测监控设施齐全,自动化程度高,工作面安全设施齐全,安全状况良好,百万t死亡率接近于零。
⑦矿井生产系统,包括煤炭运输、辅助运输、通风、排水、供电、供水、供热、安全生产监测监控及通信等系统先进可靠,能满足高产高效工作面要求。
⑧工作面直接生产成本和矿井吨煤生产成本低,经济效益好。
由于采用了现代化的综采设备,美国地下采煤从1993年开始,生产矿井个数、综采面个数呈减少趋势,而工作面单产和工效、一矿一面的矿井数则不断增加,1993年美国共有长壁综采面85个,其中一矿一面矿井65个,占87%。
综采面平均班产2290t/班,平均工效248t/工。
1994年有80个综采面,其中一矿一面矿井63个,占88%。
综采面平均班产2980t/班,平均工效281t/工。
1995年综采面减少到72个,1996年减少到69个。
1.1.2高产高效综采工作面参数及工作面配套设备
国外长壁工作面从一般综采发展到当今的高产高效综采约经历了15年,这一发展过程说明,由于综采设备不断更新换代,采用重型化、强力化、自动化和机电一体化的装备,走生产集中化的道路,才使工作面的单产和工效大幅度提高。
为满足这一要求,盘区和工作面的几何尺寸必须作相应改变。
所以必须对长壁工作面生产系统进行科学合理的设计,使各部分之间能相互配套,以确保能形成一个安全生产条件好、生产效率高、经济效益好的系统。
长壁采煤工作面的几何尺寸变化见表l.l。
表1.1长壁开采盘区几何参数发展变化趋势
时期
工作面宽度
/m
长壁开采盘
区走向长度
/m
回采巷道
/条数
掘进出煤量与回
采煤量的比值/%
截割深度
/mm
1970~1980
150
1200
4
20~25
750
1980~1990
225
1800
4
15~20
900
1990~2000
330
3000
3
9~15
900~1200
减少盘区的开拓准备工作量,对提高矿井生产效率具有十分重要的作用。
1970年时,准备一个面长150m、走向长度1200m,具有4条回采巷道的工作面时,全部巷道掘进的出煤量占盘区总采出煤量的20%~25%。
而今,随着采煤方法的改革,大型盘区长壁采煤工作面一般只有3条回采巷道。
准备盘区长壁工作面回采巷道时,掘进出煤量占盘区总采出煤量一般不足10%,盘区采出煤量中90%以上来自长壁工作面开采过程。
现在1个面长330m,采煤机截割深度为1070mm的长壁工作面,所采出的煤量是原先面长为150m、采煤机截割深度为750mm的长壁工作面的3倍以上。
单纯将工作面采煤机的截深由750mm改成1070mm,工作面的采出煤量就可增加40%。
当然长壁工作面生产系统的其他组成部分也必须要与加大采煤机的截深、增加产量的能力相互配合相互适应,否则,就不可能实现增加工作面产量的目的。
除美国之外,澳大利亚的高产高效长壁开采也取得了突出的成绩,澳大利亚长壁工作面平均长度为192m,最长的达270m,在克瑞努姆(Crinium)矿,盘区平均长度为1759m,戈登斯敦(Oerdonstone)矿有最长的盘区,达3010m.例如,澳大利亚予然巴禾北煤矿(MoranbahNorthcoalmine)是1999年1月中旬投产的一座现代化大型煤矿.工作面标准长度260m,第1个采区长度2.4km.主平巷南侧的4个采区的长度逐渐增大,最大的采区长度为3km。
主平巷北侧的采区长度变化不大,分布在1.5~1.8km之间。
工作面所用的设备,均为当今世界上量先进的.工作面设备的技术参数如表1-2~4所示。
表1-2液压支架技术特征
项目
参数
额定支撑力
2×980t
支撑高度
2.2~5m
额定支护强度
95t/m:
晕大支护强度
106t/m2
最大的柱底压力
5.7MPa
顶粱前端到工作面的距离
482mm
表1-3采煤机技术特征
项目
参数
切割部电机功率
2×6l0kW
牵引电机功率
2×90kWAC
可选择的块煤破碎机功率
1l0kW
切割高度
3~5m
最大切割速度
24m/min
滚筒尺寸
φ2500×925mm
表1-4可弯曲铠装输送机和转载机技术特征
项目
参数
输送机驱动功辜
2×800kW
输送机槽的尺寸
1750×375×1100m
输送机链条尺寸双链
42×152m
转最机要动功率
375kW
破碎机功率
375kW
1.2我国高产高效综采现状
1982年以前,我国厚煤层的开采基本上采用分层开采或整层开采法.从1982年开始进行缓倾斜特厚煤层一次采全厚综采放顶煤采煤工艺和装备的试验研究工作。
1984年6月,由北京开采研究所和沈阳煤研所共同设计的第一个综放工作面在沈阳矿务局蒲河矿投入了试验.放顶煤液压支架是由北京开采所和沈阳煤研所联合设计,郑州煤机厂制造.该项目于1986年9月进行了鉴定.与此同时,1986年3月在窑街矿务局二矿进行了急倾斜特厚煤层水平分段综采放顶煤采煤法的工业性试验,该项目由北京开采所承担,窑街矿务局和郑州煤机厂协作,试验取得圆满成功,为急倾斜特厚煤层机械化开采开辟了新途径,1986年7月进行了技术鉴定,1988年和1990年该项目分获煤炭工业部和国家科技进步二等奖.综合机械化放顶煤开采技术,经过十几年的发展,在综放开采工艺.综放工作面顶煤运动规律及矿山压力观测,放顶煤液压支架,综放开采的防火、防尘、防治瓦斯等安全技术,提高综放工作面采出率等方面,进行了大量的试验研究和科技攻关工作,取得了一大批科研成果。
1986年以后,放顶煤采煤法在我国得到迅猛的发展,先后在辽源矿务局,乌鲁木齐矿务局,平庄矿务局推广了急倾斜特厚煤层水平分段放顶煤采煤法:
在平顶山,阳泉、潞安、晋城,郑州、兖州等矿务局推广了缓倾特厚煤层综放采煤法,都取得了良好的技术经济效果.急倾斜综放工作面的月产超过6万t,缓倾斜综放工作面的单产纪录一破再破,1991年阳泉一矿首先创下综放工作面单产14万t/月的记录.使人们看到了综放工作面实现高产高效的前景.此后,各矿区均在不断更新装备,朝着高产高效的方向努力,自1991年以后,综放工作面最高单产和年产不断被刷新.在1991年一年内潞安漳村矿综放工作面月产又突破15万t;晋城凤凰山矿综放最高单产达18万t/月;潞安五阳矿综放工作面单产突破2l万t.1993年潞安王庄矿达31.1万t/月,年产达到253万t;1994年兖州兴隆庄矿综放队年产达272万t;1995年又达300万t.1996年兖州东滩矿综采一队综放工作面年产量达到350万t,1997年又创年产410万t的新水平,2000年又创年产512万t的新记录,2002年又实现了年产600万t综放工作面。
至此,综放开采不仅只是不稳定厚煤层开采的最好方法,而且成为我国实现高产高效矿井建设,进行采煤工艺改革的有效途径。
1.3综采放顶煤技术在兖州矿区的应用发展
兖矿集团于1991年在兴隆庄煤矿5306工作面试验综采放顶煤技术获得成功,1992年起在全矿区迅速推广。
综放开采推动了兖州矿区的整体技术进步,使矿区各项技术经济指标发生了质的飞跃,开辟了一条实现厚煤层开采低投入、高产出、高效益的最佳技术路线,对我国综采放顶煤技术的发展起到了积极的推动作用。
1.3.1兖矿综放开采的煤层条件
1、煤层
兖州煤田和济宁煤田(东区)均属第四系冲积层覆盖的石炭二叠系隐蔽煤田。
煤田基底为奥陶系灰岩,盖层为残存的上侏罗统红色砂岩。
兖州煤田山西组和太原组共含煤24层,平均总厚16m,含煤系数5.1%。
其中,可采和局部可采煤层平均总厚12.7m,含煤系数为4.1%。
山西组主采的第3层煤在煤田北部合并为一层,厚8~10m,中、南部分岔为3上、3下,厚度分别为3.60~7.00m(平均5.23m)、1.27~6.40m(平均3.2m)。
3(3上)煤层埋藏稳定、厚度适中,适于“综放”开采。
济宁煤田共含煤27层:
平均总厚17.11m,含煤系数6.8%。
其中,可采和局部可采煤层共8层,平均总厚10.94m,含煤系数4.4%。
两煤田煤质牌号大部为中变质的2号、3号气煤,煤田深部及太原组煤层局部为气肥煤。
山西组第3层煤是低灰至中灰、低磷、特低硫、高发热量、高挥发分、中等粘结性、富至高油、高灰熔点,中等易选的气煤(CM43);太原组第16上、17层煤是极易选的气煤(QM43)和气肥煤(QF46)。
2、地质构造
兖州煤田位于鲁西南断块东部构造盆地,为不对称向斜构造。
轴向NEE,向E倾伏。
地层倾角2°~15°,一般5°,局部达20°。
煤田内以宽缓褶皱构造为主,断层较稀疏,次级褶曲发育,属中等偏简单类型。
断层可分为3组,以高角度正断层为主,有少量逆断层。
对生产影响较大的构造主要是小断层,亦多属于正断层o
3、煤层顶、底板
兖州煤田“综放”开采的第3层煤直接顶板为l~4m厚的粉砂岩,局部地段有0.5m以下的泥岩伪顶。
其上为10~20m以上浅灰色长石石英中砂岩老顶;煤田中、南部煤层分岔地段,夹石层下部的泥岩、粉砂岩或砂岩作为下层(3下)煤的顶板,夹石层变厚带在泥岩、粉砂岩以上的粉砂岩、细砂岩为下层(3下)煤的直接顶或老顶。
第3层煤的直接底板为1~2m厚的粉砂岩,其下为10~17m厚的细砂岩。
4、地温
据兖州煤田钻孔测定:
非煤系地层地温梯度较小,一般为1.6C/hm;煤系地层地温梯度相应增高,一般为2.7℃/hm;综合平均地温梯度为2.44℃/hm。
通常-650m以上层段的地温不超过31C,属正常地温区;-650~-950m层段的地温为31~37℃,属Ⅰ级高温区;-900m以深的地温将超过37℃,属Ⅱ级高温区。
5、煤层瓦斯
矿区各矿井瓦斯涌出量较低,历年瓦斯鉴定结果均为低瓦斯矿井。
在正常通风情况下,矿井瓦斯涌出量比较均匀,大多数采掘工作面风流、回风流中瓦斯浓度都很低,一般不会出现瓦斯超限。
当通风系统失常或遭到破坏(如局部通风机停风)时,则可能出现瓦斯积聚和超限现象。
在沿空送巷时,如果通风系统不合理,即使局部通风机正常送风,采空区瓦斯也可能泄出,造成瓦斯积聚。
如1993年11月24日东滩矿14303运顺西头沿空送巷时,回风流瓦斯积聚浓度达7%~8%o这充分说明,瓦斯仍是威胁安全生产的一大隐患,如果麻痹大意,甚至可能发生瓦斯燃烧和爆炸灾害。
6、煤尘爆炸指数
各可采煤层均有煤尘爆炸危险。
据1996年测定结果,上组煤煤尘爆炸指数为37.42%~42.16%,下组煤为42.3%~49.0%。
2000年各矿井煤尘爆炸指数鉴定结果分别为:
南屯40.0;兴隆庄39.96;鲍店42.16;东滩37.42;济二矿37~39;济三矿41.0。
7、煤层自燃倾向性
矿区开采第3层煤的矿井均发生过自然发火,开采第16上和17层煤的矿井从未出现过自燃现象。
近几年各矿多次采取煤样用“着火点法”和“吸氧法”对3层煤自燃倾向等级进行了鉴定,结果表明矿区内各层煤都有自然发火倾向。
根据吸氧法鉴定结果,南屯、兴隆庄、鲍店、东滩、济三和杨村矿的煤层自燃倾向性等级均为Ⅱ类,济二矿为Ⅲ类。
地质报告提供的煤层自然发火期为3~6个月。
8、储量
截至2000年末,兖州矿区9座生产和在建矿井总能利用储量为35.38亿t,其中适宜“综放’’开采的厚煤层(兖州煤田3上、3,济宁煤田3下)储量9.15亿t,占总量的25.86%。
1.3.2综采放顶煤技术发展过程
20世纪90年代,随着世界煤炭工业的飞速发展和我国高产高效矿井建设目标的提矿区原有的综采装备和分层开采工艺严重制约了兖州矿区厚煤层矿井的发展,突出表现在:
(1)工作面高产问题。
1980~1992年的13年间,矿区厚煤层开采一直采用分层开采工艺,年产水平在150万t上下徘徊,难有大的突破。
(2)分层开采工艺问题。
传统的分层开采工艺存在诸多不利因素的影响,长期制约着矿区综采生产进一步发展。
①顶板因素的影响。
开采一分层时,顶板压力大,煤壁片帮严重,且因岩性相变、伪顶发育,工作面冒顶频繁;回采二、三分层时,常常因假顶质量差、开采周期过长、金属网变质腐蚀等造成网下易漏矸冒顶,同时顶板事故往往会诱发机械事故,引起一系列事故链锁反应,形成生产恶性循环,限制了工作面高产稳产。
②煤厚变化的影响。
厚煤层分层时,常常因煤层厚度不稳定,局部区域层分叉或变薄,使分层采高不能确保综采设备的顺利通过,给生产和现场管理带来很大困难,也直接影响到工作面单产水平的提高。
(3)设备老化问题。
使用综采生产13年后,综机设备因老化和事故率增高而制约着生产发展。
设备更新是原地踏步还是向前发展需要做出决策。
鉴于上述原因,20世纪90年代初矿区面临生产发展路子的重新选择和采煤工艺改革的双重难题。
根据国内外厚煤层开采经验及矿区生产实践,一致认为分层开采作为一种传统的厚煤层采煤方法,比放顶煤综采工艺,存在着工艺复杂、生产成本高、效率低、效益差等问题,已不适应市场经济和煤炭高产高效发展的需要,而放顶煤综采技术在开采特厚煤层时可实现高产、高效、低耗和安全生产。
兖州矿区的厚煤层有条件使用综放采煤技术,符合低投入、高产出的改革目标,不失为实现高产高效生产的一条合理途径。
矿区的4对大型生产矿各主要生产系统的能力均有余富,主井提升的实际能力都在设计值的133%以上,所以对主要生产系统无需进行重大改造,就能为高产高效提供可靠的保证。
同时,分层综采工艺在矿区已趋成熟,以此为基础转化为综放开采将是一大优势,可望取得立竿见影的效果。
为此,兖州矿区针对自己的条件,经过多方面的考察论证和可行性研究,确定了3号煤层及3上煤层一次采全高综采放顶煤工艺的试验方案,实施后获得成功,并以此作为矿区厚煤层工艺改革的主攻方向和今后生产发展的主体模式。
针对综采放顶煤存在的一系列技术难题,进行了综放关键设备和工艺、安全保障技术、提高采出率和含矸率控制技术、环境保护和综合利用技术4个方面25个专题的研究,全面组织、系统攻关,取得了一系列技术成果,各项指标处于世界领先水平。
2000年矿区综放总产量达到1933.952万t,综放工作面平均单产达到272093t/(个·月),工作面效率143.8t/工,为全国综放开采单产第一名,处于世界长壁高产工作面的领先行列。
综放开采推动了兖州矿区的整体技术进步,使矿区各项技术经济指标发生了质的飞跃,开辟了一条实现厚煤层开采低投入、高产出、高效益的最佳技术路线。
综合说来,兖州矿区综采放顶煤技术的发展过程可大致分为以下3个阶段。
1.试验、推广阶段(1992~1994年)
(1)试验阶段(1992年7~12月)。
该阶段“以综放工艺成功、单产水平突破100万t”为标志。
1992年兖州矿区针对自己的条件,经过多方面的考察论证和可行性研究,确定在兴隆庄煤矿采用综合机械化放顶煤新工艺,并将原铺底网用ZZP5200-1.7/3.5型液压支架改造成ZFS5200-1.7/3.5型放顶煤支架,于1992年6月在兴隆庄煤矿5306工作面试运转、试生产。
从1992年7月1日正式生产到年底采完,试验一举成功,共生产原煤64.4万t,回采率达到81%,平均月产99750t,回采工效达到32.803t/工,实现了安全、高产的目的,为兖州矿区放顶煤开采奠定了基础。
试验阶段配套的主要设备有ZFS5200-17/35型放顶煤支架、ZFG5200-18/32型过渡支架、AM-500型采煤机、SGB-764/264W型前部输送机、SGZ-764/320D型后部输送机、SZB-764/132型转载机、SDJ-150型带式输送机、MRB-1.25/31.5型泵站。
除过渡支架是专用设备外,其他设备全部是矿区分层综采所使用或改造的设备。
(2)推广阶段(1993~1994年)。
该阶段“以大面积推广应用、更新部分设备和单产首次突破200万t”为标志。
自1992年矿区第一个综放工作面(5306)试验成功之后,综放工艺技术在全矿区得到迅速推广,先后在兴隆庄、鲍店、南屯和东滩4对综采矿井大面积应用,并在综放生产规模、单产水平和高产高效采煤队等方面取得突破性进展。
在这期间对刮板输送机、转载机和顺槽胶带机等煤流运输设备进行了更新。
1994年有2个综采队年产量突破200万t,其中兴隆庄矿综采一队年产2723689t,列当年全国综采队榜首。
2.完善提高阶段(1995~1998年)
该阶段以“工艺参数优化、设备更新和单产水平达到300~400万t”为标志,初步形成了适合矿区开采特点的专用放顶煤装备和工艺技术。
在这期间使用了以ZFS5600为代表的新型专用放顶煤支架,刮板输送机等煤流运输设备升级上档。
1995年兴隆庄综采一队一举突破年产300万t大关,实际产煤3006036t,成为全国第一个年产超过300万t的综放队;1997年东滩矿综采二队年产突破410万t;1998年矿区有4个综采队达到年产300万t以上的水平,其中东滩综采队首先突破年产500万t大关。
3.创新发展阶段(1999~2000年)
该阶段以“加大截深,优化工艺,设备升级,提高单产”为目标,以成功推广应用“九五”攻关专用型放顶煤设备为标志。
在这期间煤机更新,采用了MGTY400/900-3.3D型电
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