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李超峰1,2,3，虎维岳2,3，刘英锋2,3
(1.煤炭科学研究总院，北京 100013; 2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077; 3.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710077)
摘 要:为查明彬长矿区白垩系洛河组地层的水文地质条件，从保水采煤角度提出了洛河组精细化勘探概念，给出了可用于承压含水层垂向富水性评价的综合富水性指数法，依据垂向富水性变化规律对洛河组进行分层，并研究洛河组垂向水文地质条件与特征、自然状态和采煤扰动时洛河组垂向各含水层段之间的水力联系、以及洛河组下段存在的保水采煤意义等。给出了富水性指数计算方法:对地层岩性、厚度、孔隙度3个指标分别赋值、分别赋权重为0.3，0.4，0.3，之后将赋值与权重累积得到单个含水层段的富水性指数(fi)，利用Fi=0.5fi+0.15fi-1+0.1fi-2+0.15fi+1+0.1fi+2计算各地层的综合富水性指数。给出了洛河组含水层垂向富水性分级标准:F<0.003 289为隔水层，0.003 289≤F<0.012 339为弱富水，0.012 339≤F<0.015 504为中等富水，F≥0.015 504为强富水。依据综合富水性指数将高家堡井田T1，T2钻孔洛河组垂向上划分为上、中、下3段。研究结果表明:① 采用综合富水性指数法可以对承压含水层垂向富水性进行精细化评价，可操作性强;② 局部地区洛河组内部发育有泥岩地层，但尚未构成区域上的隔水层;③ 洛河组下段地层既可以减缓和阻止煤层顶板导水裂隙带继续向上发育防止对具有供水意义的中上段地层结构的破坏，又可以阻隔中上段含水层水进入矿井，对保水采煤有利;④ 高家堡矿井首采面回采期间洛河组中上段地下水位下降26.71～43.06 m。通过含水层水量、水位、水质等指标分析，采用控制煤层采高等技术实现了对洛河组含水层结构保护条件下的深埋煤层开采。
关键词:保水采煤;洛河组;分层;垂向富水性;富水性指数;彬长矿区
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李超峰，虎维岳，刘英锋.洛河组含水层垂向差异性研究及保水采煤意义[J].煤炭学报,2019,44(3):847-856.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.6021
LI Chaofeng，HU Weiyue，LIU Yingfeng.Vertical hydrogeological characteristics of Luohe aquifer and its significance of water-preserved coal mining[J].Journal of China Coal Society,2019,44(3):847-856.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.6021
中图分类号:TD823.8
文献标志码:A
文章编号:0253-9993(2019)03-0847-10
收稿日期:2018
0911
修回日期:20181224
责任编辑:常 琛
基金项目:国家重点研发计划资助项目(2017YFC0804106)
作者简介:李超峰(1983—)，男，陕西彬州人，助理研究员，博士研究生。E-mail:lichaofeng007@163.com
LI Chaofeng1,2,3，HU Weiyue2,3，LIU Yingfeng2,3
(1.China Coal Research Institute,Beijing 100013,China; 2.Xi’an Research Institute,China Coal Technology and Engineering Group Corp.,Xi’an 710077,China; 3.Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control Technology for Coal Mine Water Hazard,Xi’an 710077,China)
Abstract:In order to explore the hydrogeological conditions of the Cretaceous Luohe Formation in Binchang mining area,this paper proposed the Luohe Formation’s refined exploration concepts from the perspective of water-preserved coal mining,gave a comprehensive water-rich index method which can be used to evaluate the vertical water-richness of confined aquifers.The Luohe Formation was layered according to vertical water-richness.Luohe formation’s vertical hy-drogeological conditions and characteristics,hydraulic connection between the vertical aquifers of Luohe formation before and after mining,and the significance of water-preserved coal mining of the lower aquifer of Luohe formation were studied.Calculation method of water-rich index is given as follows:the indexes of lithology,thickness and porosity are assigned,and their weights are 0.3,0.4,and 0.3 respectively;the value of water-rich index (fi) can be obtained by the cumulative multiplication of values of indexes and weights;then,the comprehensive water-rich index of each layer can be obtained using the following formula Fi=0.5fi+0.15fi-1+0.1fi-2+0.15fi+1+0.1fi+2.Grading standards of comprehensive water-rich index for aquifers in Luohe Formation are given:F<0.003 289 is aquiclude,0.003 289≤F<0.012 339 is weak water-rich,0.012 339≤F<0.015 504 is medium water-rich,and F≥0.015 504 is strong water-rich.According to the comprehensive water-rich index,the Luohe Formation of T1 and T2 drilling in Gaojiabu mine field were divided into the upper,the middle and the lower aquifers vertically.The results shows that:① the comprehensive water-rich index method could be used to evaluate the vertical water-richness of a confined aquifer,and it is simple and easy to use.② Mudstone formations were found in Luohe aquifer in some areas,but have not yet formed an aquiclude in the area.③ The lower aquifer of Luohe formation could not only slow down the destruction of the upper and the middle aquifers structure from water flowing fractured zone,but also prevent the water inflow which was from the upper and the middle aquifers from entering working face.It is beneficial to protecting the groundwater of Luohe aquifer during coal mining;④ During mining the first face of Gaojiabu mine,the controlling height of coal mining was used to protect the groundwater of Luohe aquifer,and the groundwater level in the middle and upper aquifers of the Luohe formation decreased by 26.71-43.06 m.Through the analysis of groundwater volume,water level,and water quality,it have achieved the goals of protecting the aquifer’s structure of Luohe formation and safely mining the deep coal seam.
Key words:water-preserved coal mining;Luohe formation;layering;vertical water-rich;water-rich index;Binchang mining area
煤炭是我国当前和未来相当长时期内的主要能源资源[1]。针对煤炭开采对自然环境影响这一科学问题，我国科学家、学者等作了大量的研究工作。钱鸣高等建立了绿色开采技术体系[2-4]。范立民提出了保水采煤概念，并诠释了保水采煤的概念和科学内涵，构建了保水采煤研究的基本框架[5-6]。马雄德等通过建立地下水位变化与植被蒸散发关系数值仿真模型定量研究了生态脆弱矿区植被生长与地下水位变化的关系[7]。范立民、王双明等研究得到陕北生态脆弱区合理地下水位埋深为1.5～5.0 m，并确定该区域保水采煤的保水程度是控制采煤区地下水位降幅在5 m以内[8-9]。赵春虎等研究得出覆岩垮落带、裂隙带、弯曲带及地面沉陷区的空间尺度是影响地下水损失的主要因素，并建立模型定量研究了补连塔煤矿采煤引起的松散层潜水损失量[10]。武强等提出了“煤-水”双资源型矿井开采概念与内涵，并提出了矿井地下水控制、利用、生态环保“三位一体”优化结合、清污分流、地表与地下联合疏排、矿井水资源化等煤炭资源开采技术和方法[11-12]。吕广罗等对黄陇煤田永陇矿区崔木井田进行了保水开采区域划分研究，将研究区划分为自然保水开采区、可控保水开采区和保水限采区，并提出了各分区相应的保水开采途径[13]。
查明井田主要含、隔水层的地质与水文地质条件，是《煤矿防治水细则》对防治水工作“勘探清楚”的具体要求[14]，也是进行保水采煤研究的前提。前人普遍将鄂尔多斯盆地巨厚白垩系洛河组地层视为具有统一地下水位、内部水力联系密切的整体含水层。近年来，笔者通过分析矿井井筒掘进和工作面煤层回采揭露、以及水文地质补充勘探等资料认识到:黄陇煤田彬长矿区巨厚洛河组地层是由多层砂岩层段组成的具有多个地下水位的层状非均质含水层，其水文地质条件和水文地质参数在垂向上存在显著差异，具有明显的分层性。
笔者从保水采煤角度提出了洛河组精细化勘探的概念，给出了考虑地层岩性、厚度、孔隙度等的承压含水层水垂向富水性评价方法——综合富水性指数法，依据垂向上富水性变化对洛河组分层，研究了洛河组水文地质条件和水文地质参数等在垂向上的变化规律、内部各层段的水力联系，以及底部砂泥岩互层对保水采煤的科学意义。
彬长矿区位于国家“十三五”规划的14个大型煤炭基地之一的黄陇煤田，多以新建矿井为主。白垩系洛河组含水层是各矿井的主要充水水源和水害威胁。
对洛河组含水层的探查与研究，国内学者已做了大量系统性的工作。1999—2005年，中国地质调查局实施了“鄂尔多斯盆地地下水勘查”项目，系统查明了盆地内白垩系含水层的赋存条件、水文地质参数、水化学特征等[15];李云峰等认识到洛河组地层内由砂岩、泥岩组成的互层状地层特征及其水文地质意义[16]。但前人鲜有对洛河组进行分层。
随着彬长矿区多个新建矿井逐步投入生产，以往对洛河组地层的勘探程度已不能满足生产需要，主要表现在:① 井筒揭露洛河组时涌水量较大，已超出大多勘探报告的认知;② 勘探报告将洛河组视为内部水力联系密切具有统一水位的整体含水层，导致预测的矿井涌水量在考虑洛河组时数值偏大，不考虑时数值偏小[17-18]。涌水量预测结果失去对矿井防治水工作的指导意义;③ 在大埋深、大采高、综放开采等特定条件下，各矿井煤层顶板导水裂隙带发育高度已明显超出《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中给出的经验公式预测数值[19-20];④ 由于洛河组巨厚、富水性中等至强，与矿井相对有限的采掘空间相比其地下水量巨大，洛河组涌水既威胁矿井安全又给排水系统带来较大压力。因此，有必要查清洛河组地层的水文地质条件。
2012年初，“陕西彬长胡家河矿井综合防治水技术研究”项目启动。该项目是在彬长矿区实施的首个洛河组含水层精细化勘探项目。刘英锋等[21]首次发现“自然条件下巨厚洛河组含水层存在上、下分层现象”。2014年，“高家堡矿井首采区白垩系含水层精细探查研究”项目启动。笔者等[22-23]认为“自然条件下，高家堡井田首采区白垩系洛河组含水层可划分为上、下2段，上、下段水力联系较弱”，“洛河组下段可作为阻隔其上段含水层水进入矿井的相对隔水层利用，对矿井防治水工作有利”。随后，亭南矿、大佛寺矿、小庄矿等相继启动白垩系洛河组含水层精细化勘探和研究项目。
洛河组含水层精细化勘探的实质是:通过多种勘探技术、试验与测试等综合对洛河组地层进行勘探，寻找其内部是否存在由于泥岩地层数量和厚度显著增多而引起水文地质条件(如岩性、厚度及其组合特征)、水文地质参数、富水性等与以中、粗粒砂岩为主的主要含水层段存在显著差异的弱富水地层或隔水层，通过采用保水采煤工艺和利用洛河组底部砂泥岩互层状地层达到即保护洛河组含水层又安全采煤的目的。
洛河组含水层精细化勘探的意义:通过利用洛河组底部砂泥岩互层状地层，达到既有效保护洛河组主要含水层段地层结构和地下水资源，又适当提高煤层采高解放煤炭资源、减小工作面和矿井涌水量、一定程度上减弱矿井受到的顶板水害威胁等。
富水性代表含水层给出水的能力，由含水层地下水量多少和给出水速率快慢两方面因素共同决定。含水层地下水量包括静储存水量和动态补给量两部分。静储存水量既有在岩层孔(空)隙中储存的水量，也有水受到弹性压缩储存的水量。岩层孔(空)隙中储存的水量与地层岩性、厚度、孔隙度等有关，弹性储存水量与地层厚度、弹性释水系数、地下水位标高等有关。含水层给出水速率受到地层岩性、孔隙度、渗透系数、弹性释水系数等因素影响。
因此，地层岩性、厚度、孔隙度、水位标高、渗透系数、弹性释水系数等共同决定着含水层给出水的能力，即富水性的大小。
水位标高、渗透系数、弹性释水系数等需要通过现场测量和抽水试验等获得。一般难以获取每个含水层段的水位标高、渗透系数、弹性释水系数等参数，而且是没有必要的。
选取地层岩性、厚度、孔隙度3个指标，分别赋值并对数据进行归一化处理，之后赋权重，将赋值与权重累积得到单个含水层段的富水性指数(fi)。岩性赋值见表1。
表1 地层岩性赋值
Table 1 Parameters value of stratigraphic lithology
地层厚度对含水层富水性的影响，当厚度较小时影响显著;当地层厚度较大(如>5 m)时影响较小，只是增加了含水层的静储存水量。地层厚度赋值见表2。
表2 地层厚度赋值
Table 2 Parameters value of stratum thickness
孔隙度采用T1,T2钻孔岩样测试结果，见表3。
表3 实测孔隙度数值与归一化处理
Table 3 Porosity values and it’s normalized value
采用下式将孔隙度数值归一化至[0,1]的范围:
(1)
式中,x′为x归一化至[0,1]范围后的数值;xmax,xmin分别为统计数据样本的最大值和最小值。
对地层岩性、厚度、孔隙度3个指标分别赋权重为0.3,0.4,0.3。
考虑到相邻地层的影响，基于本地层权重最大，向两侧权重应是对应的且距离越近权重越大等原则，采用如下公式计算地层的综合富水性指数:
Fi=0.5fi+0.15fi-1+0.1fi-2+0.15fi+1+0.1fi+2
(2)
式中,Fi为第i个地层的综合富水性指数，无量纲;fi,fi-1,fi-2,fi+1,fi+2分别为第i,i-1,i-2,i+1,i+2个地层的富水性指数。
依据综合富水性指数对含水层段垂向富水性进行评价，通过研究垂向富水性变化规律对洛河组分层。
依据上述方法，计算求得高家堡井田T1,T2钻孔洛河组内各岩性地层的富水性指数(表4)。
表4 高家堡井田T1,T2钻孔洛河组地层富水性指数
Table 4 Water-rich index of strata in Luohe Formation of the T1 and T2 boreholes in Gaojiabu minefield
一般将泥岩、砂质泥质、粉砂岩等细颗粒地层视为隔水层。取相邻2种不同岩性的富水性指数平均值的平均值，作为相应富水性分界标准，得到洛河组含水层富水性划分标准如下:① F<0.003 289，为隔水层;② 0.003 289≤F<0.012 339，为弱富水;③ 0.012 339≤F<0.015 504，为中等富水;④ F≥0.015 504，为强富水。
综合富水性指数是通过钻孔地层岩性、厚度、孔隙度等资料计算后统计得出的，不同区域数值可能存在差异。
虽然(含砾)粗砂岩富水性指数值介于细粒砂岩与中粒砂岩之间(图1)，但不影响其中等至强富水的性质。
图1 地层岩性平均富水性指数
Fig.1 Histogram of average water-rich index
图2 T1钻孔洛河组综合富水性指数
Fig.2 Comprehensive water-rich index of Luohe Formation in T1 borehole
以高家堡井田T1,T2钻孔为例。
结合地层厚度和综合富水性指数的突变进行洛河组分层。总体来看，T1钻孔可分为上、中、下3段(图2)。孔深495.71～571.06 m层段洛河组单层厚度较小，综合富水性指数较小;在571.06 m处综合富水性指数急剧增大，富水性由弱变强，之下地层数值均较大，且单层厚度显著增大，具有明显的分层性。因此，将571.06 m作为上段与中段的分界。洛河组中段下部的单层厚度有所减小，但其综合富水性数值普遍较大，虽为弱富水但接近中等富水。在829.71 m处综合富水性指数急剧减小，其下为10.20 m厚的粉砂岩，之下地层单层厚度普遍较小、富水性弱且接近隔水层，具有明显的分层性。因此，将829.71 m作为中段与下段的分界。
同样，将T2钻孔洛河组地层也划分为上、中、下3段，上段与中段分界为孔深615.06 m，中段与下段分界为孔深830.31 m(图3)。
以高家堡井田T1,T2钻孔为例。洛河组地层岩性、厚度、出水量、水位、水温、水质、水文地质参数、富水性等在垂向上存在明显差异(表5)。对地层厚度与岩性、富水性、水质等补充说明。
(1)地层厚度与岩性。
洛河组各层段细颗粒与粗颗粒岩性地层累计厚度如表6和图4，5所示。洛河组上段泥岩类与砂岩类地层累计厚度相当，甚至泥岩类地层稍大，砂岩和泥岩类地层的单层最大厚度和平均厚度相当。中段以细、中、粗粒砂岩为主，砂岩类地层累计厚度达213.72～241.68 m，单层最大厚度达43.36～49.36 m;泥岩类地层厚度可忽略。下段泥岩类地层累计厚度显著增大，比砂岩类地层累计厚度略小。
图3 T2钻孔洛河组综合富水性指数
Fig.3 Comprehensive water-rich index of Luohe Formation in T2 borehole
表5 T1，T2钻孔洛河组垂向水文地质特征
Table 5 Vertical hydrogeological features of Luohe Formation in T1 and T2 boreholes
续 表
表6 T1,T2钻孔洛河组岩性厚度统计
Table 6 Stratified lithology thickness of Luohe Formation in T1 and T2 boreholes
图4 T1钻孔洛河组地层累计厚度
Fig.4 Histogram of accumulated thickness of strata in Luohe Formation of T1 borehole
图5 T2钻孔洛河组地层累计厚度
Fig.5 Histogram of accumulated thickness of strata in Luohe Formation of T2 borehole
(2)地下水位。
洛河组中段地下水位高于上段和下段(图6)，洛河组中段通过垂向渗流或越流补给上段和下段。
图6 洛河组各层段水位标高及地下水垂向渗流示意
Fig.6 Groundwater level and vertical seepage in Luohe Formation
2009年，在研究区勘探期间[21]获得白垩系洛河组水位为+939.51～+951.31 m，侏罗系延安组水位为+995.90～+1 070.14 m(图7和表7)，存在含水层埋深越大水位越高的规律。
高家堡矿井于2012年初开始建设，首采工作面于2015年6月份贯通，2015-12-09开始试生产。本次抽水试验期间(2014-05-03—2015-04-28)，由于受到井筒建设和井下巷道掘进等工程疏放水的影响，T1,T2钻孔监测的洛河组全段水位分别为+927.74 m和+927.21 m，与距离较近的G2钻孔2009年水位相比较下降约12 m。
图7 钻孔位置示意
Fig.7 Location of boreholes
表7 勘探期间洛河组与延安组水位
Table 7 Groundwater level of Luohe Formation and Yan’an Formation during exploration
正是受到矿井建设的影响，洛河组下段地下水位出现较为显著的下降;中段巨厚且强富水、接受地下水侧向径流补给的条件相对较好，其水位降幅较小，从而导致中段水位高于下段水位。
洛河组中段地下水位高于上段地下水位，反映着原始地下水位状况。
(3)富水性。
依据洛河组中段与其它层段的混合抽水试验，可得到其单位涌水量的区间范围。洛河组全段单位涌水量为1.489 5～3.063 7 L/(s·m)，中上段q为1.370 1～3.184 6 L/(s·m)，而上段q为0.516 4～0.774 1 L/(s·m)，下段q为0.010 7～0.012 8 L/(s·m)。因此，洛河组中段的单位涌水量应大于1.489 5 L/(s·m)且其大值应大于3.184 6 L/(s·m)，富水性强。
(4)水质。
自洛河组上段向下段埋深增大，地下水中重碳酸根离子呈线性减小，硫酸根离子呈线性增大(表8和图8)。
表8 洛河组地下水水质成果
Table 8 Groundwater quality results of Luohe Formaiton
注:
矿化度单位均为mg/L。
图8 洛河组地下水水质Piper图
Fig.8 Piper map of groundwater quality in Luohe Formation
洛河组上段矿化度最小，下段矿化度显著增大，中上段和全段水样矿化度介于上段和下段之间但更接近上段。洛河组上段、中上段和全段地下水水质类型中多含有重碳酸根离子，表明其接受大气降水和地表水补给的条件相对较好;下段地下水水质类型中无重碳酸根离子且矿化度较高，反映其地下水径流条件较差、相对封闭的地下水储存环境。
(5)流量测井。
流量测井解释T1钻孔出水层段位于洛河组中段，T2钻孔出水层段位于洛河组上段和中段(图9)。
由于平面上仅相距80 m，流量测井解释出的T1,T2钻孔出水层段基本重合是合理的。
由地下水位数据可知，洛河组中段地下水位略高于上段和下段(表5)。因此，目前洛河组中段通过垂向越流补给上段和下段。
图9 流量测井解释的出水位置
Fig.9 Main aquifers explained by the flow logging of Luohe Formation
通过群孔抽水试验、井下放水试验等查明，自然状态下洛河组中上段与下段存在微弱水力联系[21]。
由于受各自水文地质条件影响和采煤形成的垂向裂隙破坏程度的不同，工作面回采期间洛河组中上段与下段水位降幅差异较大，形成了更大的水位差。期间，洛河组下段水位下降139.90～196.37 m，平均168.16 m;而中上段水位下降26.71～43.06 m，平均35.23 m(图10和表9)。在水力梯度的作用下，洛河组中上段与下段之间的垂向水力联系一定程度上有所加强。
将洛河组底部砂泥岩互层状地层划分为下段，既可以一定程度上减缓或阻止煤层顶板导水裂隙带继续向上发育防止对中上段含水层结构的破坏，又可以作为阻隔中上段含水层水进入矿井的相对隔水层利用。
表9 高家堡矿井首采面回采期间洛河组水位降幅统计
Table 9 Groundwater levels decline in Luohe aquifer during the mining of the first face of Gaojiabu Mine
注:T2钻孔为洛河组中上段水位观测孔，G2～G5为洛河组全段水位观测孔。
图10 高家堡矿井首采面回采期间洛河组不同层段水位变化趋势
Fig.10 Groundwater levels in different sections of Luohe aquifer during the mining of the first face of Gaojiabu Mine
评价地下水资源的主要指标包括水量、水位、水质等。高家堡矿井首采面煤层厚度为11.5～14.0 m，控制煤层为3.5～7.5 m[19]。工作面回采期间实测[20]导水裂隙带高度为74.00～173.00 m。导水裂隙带向上最大发育至洛河组中段和下段分界面位置附近，已基本波及整个洛河组下段含水层，但对洛河组中段的波及程度轻微。期间洛河组中上段地下水位下降26.71～43.06 m，降幅为3.71%～10.63%(表9)，降幅较小，依然承压。水位降幅可以反映地下水损失量，由洛河组中上段地下水位降幅微小可知其地下水未被大规模疏放，对其区域供水的影响较小;洛河组地层埋深较大(T1,T2钻孔洛河组顶界埋深分别为615.88～627.39 m)，除采煤形成的顶板裂隙使其地下水径流加速之外，不会造成如水质污染等负面影响。因此，通过控制煤层采高等，实现了对具有区域供水意义的洛河组中上段含水层结构保护条件下的深埋煤层开采。
(1)给出了考虑地层岩性、厚度、孔隙度的含水层富水性评价方法——综合富水性指数法。该方法适用于承压含水层垂向富水性评价及研究。综合钻孔取芯、水文常规测井、岩样测试等资料即可进行含水层垂向富水性评价，方法可操作性强，结果可通过抽(放)水试验等资料验证。
(2)依据综合富水性指数，将洛河组划分为上、中、下3段。洛河组中上段富水性中等至强，是具有区域供水意义的主要含水层段;下段为砂泥岩互层，富水性弱。洛河组下段地层既可以减缓和阻止煤层顶板导水裂隙带继续向上发育防止对具有供水意义的中上段地层结构的破坏，又可以阻隔中上段含水层水进入矿井，对保水采煤有利。
(3)洛河组地层岩性垂向上存在差异，局部地区发育泥岩隔水层，但尚未构成区域上的隔水层。因此，只有通过精细化勘探之后才能明确洛河组是否具有分层性，即并非洛河组都可以划分出下段弱含水层(如孟村矿首采区)。
(4)高家堡矿井首采面回采期间，通过控制煤层采高进行巨厚承压含水层下深埋煤层保水采煤实践。期间，导水裂隙带未大规模波及洛河组中段含水层;洛河组主要含水层段——中上段地下水位下降26.71～43.06 m，降幅为3.71%～10.63%。采煤未对洛河组地下水造成大规模疏放，对其区域供水的影响较小;未造成洛河组地下水水质污染等。通过导水裂隙带高度、含水层水量、水位、水质等指标变化情况分析，高家堡矿井首采面实现了对洛河组中上段含水层结构保护条件下的深埋煤层开采。
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