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煤炭学报
煤炭学报

刘峰

月刊

0253-9993

mtxb@vip.163.com

010-84262930

100013

北京和平里青年沟东路5号煤科院内

煤炭学报/Journal Journal of China Coal SocietyCSCD北大核心CSTPCDEI
查看更多>>《煤炭学报》于1964年创刊，为季刊。1966年停刊，1979年复刊， 1993年改为双月刊，1995年改为大16开本，并申办创刊了《煤炭学报》英文版《Journal of Coal Science & Engineering(China) 》，半年刊。《煤炭学报》是中国煤炭学会主办的煤炭系统最高水平的综合性学术刊物，现为双月刊，112页。主要刊载与煤炭科学技术相关的基础理论和重大工程研究的理论成果，包括煤田地质学、矿山岩体力学、采矿工程、煤矿安全、环境保护、煤矿机电一体化、煤的加工与利用、煤炭经济研究等领域的学术论文。30多年来，为传播煤炭科学技术起到了重要的作用。 多年来，《煤炭学报》一直以“登一流文章，创一流期刊”为指导思想，培养了一支基础理论知识扎实、专业水平高的稳定的编辑队伍，使《煤炭学报》质量逐步提高。《煤炭学报》1992年荣获全国第一届优秀科技期刊评比二等奖，获中国科协优秀科技期刊二等奖；1997年获全国第二届优秀科技期刊评比一等奖，获中国科协优秀科技期刊一等奖；1999年荣获首届中国期刊奖；2001年入选“中国期刊方阵”,并被评为“双奖期刊”。《煤炭学报》在包括10名中国科学院、中国工程院院士的编委会领导下，每年都制定了明确的报道重点，使刊物能紧紧围绕煤炭重大科技攻关项目发表相关的基础理论论文。《煤炭学报》发表的论文反映了煤炭科学技术的最新研究成果，起到了促进煤炭科学技术交流和发展的龙头作用，为繁荣煤炭科学技术事业作出了重要贡献。《煤炭学报》被国内外近20家数据库和文摘期刊所收录，如IEA Coal Abstract CD-ROOM（美国）、 Ei Page One、美国的能源科学与技术数据库、美国地质文摘、中国科学技术期刊文摘数据库、中国科学引文数据库、日本科学技术文摘速报、РЖ、Coal Highlights（英国）、Geological Abstract（英国）、Geomechanics Abstracts（英国）、中国学术期刊文摘、中国力学文摘、矿业文摘等等。
正式出版
收录年代

    基于激波管理论的突出冲击波超压预测模型及试验验证

    杨雪林文光才孙海涛闫发志...
    4822-4841页
    查看更多>>摘要：突出过程中常伴随极强的动力效应，产生的突出冲击波会造成一定的人员伤亡，甚至破坏风门等通风设施，进而扩大事故灾害范围。为了更贴近现场实际，根据现场实际突出事故现象，建立了煤与瓦斯突出动力学模型;基于激波管理论，阐释了巷道内突出冲击波形成机制，指出突出瞬间喷向巷道空间的高速瓦斯气流压缩空气形成突出冲击波，且突出瓦斯气流加速阶段释放的瓦斯膨胀能决定突出冲击波的强度;建立了基于突出孔洞瓦斯压力、突出口直径的突出冲击波超压峰值预测模型。利用煤与瓦斯突出冲击动力效应及致灾特征模拟试验系统，开展了不同瓦斯压力、装煤量条件下的突出动力效应模拟试验。试验结果表明:突出模拟试验过程中冲击波超压的实测值与理论值一致，验证了理论模型的正确性。且装煤量相同时，突出冲击波超压随瓦斯压力的增大而增大;而当瓦斯压力相同时，随装煤量的增大，冲击波超压变化较小。相同瓦斯压力条件下，突出口径会影响冲击波超压的大小。突出口径较小时，突出瞬间释放的瓦斯膨胀能较小，导致冲击波超压值较小。突出冲击波强度p′2和冲击波超压∆p′与突出口和巷道直径之比s1/s2 呈线性增加关系。因此，瓦斯压力和突出口径是影响突出冲击波强度的主要因素。此外，突出模拟试验过程中，突出冲击波超压在模拟巷道内随传播距离不断衰减。通过分析巷道内冲击波超压峰值数据，发现公式y=aΔPmaxx-1/2 能够较好地描述巷道内冲击波超压衰减规律。突出冲击波传播至管道末端，由于障碍物反射作用形成二次冲击波。该研究可为突出矿井科学、合理地设计和布置安全防护措施提供指导。

    煤与瓦斯突出冲击波超压超压预测模型瓦斯压力衰减规律

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    煤层渗透性对煤与瓦斯突出的影响规律及控制机理

    张超林刘明亮王恩元王培仲...
    4842-4854页
    查看更多>>摘要：煤与瓦斯突出是矿井灾害中一种破坏性巨大的瓦斯动力现象，严重威胁煤矿安全生产。煤层渗透性是综合反映煤层特性的重要参数，利用自主研发的多功能煤与瓦斯突出模拟试验系统，开展了不同渗透率条件下(1。38×10-15、6。69×10-15、7。34×10-15 和 9。10×10-15 m2)煤与瓦斯突出物理模拟试验。结果表明:随着煤层渗透率的增加，突出两相流运移形态逐渐由栓流演变为分层流和沙丘流，且煤粉运移速度及其峰值逐渐降低，由 1。38×10-15 m2 条件下 31。98 m/s减小为 9。10×10-15 m2 条件下 20。10 m/s;伴随突出两相流运移产生的冲击波呈现阶段式演化特征，对应负相压区间冲击波超压谷值的最大绝对值大于正相压区间冲击波超压峰值，且在巷道前端随煤层渗透率的增加而下降;4次试验对应相对突出强度分别为 75。63%、44。65%、38。01%、10。97%，拟合得到相对突出强度随煤层渗透率增大呈指数下降关系。理论分析认为，瓦斯压力梯度是以渗透力的形式作用于煤体，而煤层渗透性主要是通过影响瓦斯渗透力动态变化，进而影响煤与瓦斯突出强度以及突出两相流运移状态;随着煤层渗透率的增加，瓦斯流动受到的阻力减小，瓦斯压力下降较快，难以形成高瓦斯压力梯度，同时暴露面附近的瓦斯渗透力较低，并快速向远处转移，无法进一步破坏暴露面煤体，导致突出强度下降，甚至不发生突出。最后，从瓦斯压力梯度和瓦斯渗透力的角度系统探讨了煤与瓦斯突出全过程演化特征，得出煤层渗透率在突出各个阶段均占据重要作用，结合我国煤与瓦斯突出预测现状及难题，认为煤层渗透率有望成为突出预测新指标，关键在于如何结合煤矿现场实际条件确定其临界值，分别从试验研究、理论分析和工程实践等方面提出了未来展望。

    煤与瓦斯突出煤层渗透率突出两相流瓦斯压力梯度瓦斯渗透力

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    温度冲击效应诱导干热岩孔裂隙结构演化及损伤破坏机制

    孙勇翟成丛钰洲郑仰峰...
    4855-4872页
    查看更多>>摘要：干热岩型地热能是一种清洁可再生能源，具有稳定高效、永久持续的优点，其开发的主要瓶颈是在深部低孔、低渗热储构造渗流换热裂隙通道。常规水力压裂方法在深部高应力束缚下起裂压力高，裂缝形态单一、难扩展。液氮循环冷冲击方法是通过周期向热储注入液氮，利用液氮对热储的温度冲击效应诱导强热应力，形成复杂裂隙网络。为研究温度冲击效应对干热岩的损伤破坏机制，对干热岩进行了液氮循环冷冲击处理，测试了温度分布、孔隙结构及力学特征变化，分析了"温度冲击-孔隙发育-力学损伤"级联破坏机制，结果表明:液氮冷冲击造成干热岩温度场时空剧变，降温速率高，温度梯度大，诱导热应力最高可达 6。75 MPa;循环冷冲击过程干热岩孔隙数量增加，尺寸扩展，微、中孔增加最明显，孔隙率最高可达 10。45%，而高温差和多冷冲击次数作用下干热岩大孔及裂隙数量增加，形成裂隙网络;这进一步导致干热岩塑性增强，抗拉强度降低，最低仅 1。70 MPa，损伤阈值更小。温度冲击诱导矿物晶粒收缩，在晶粒边界产生拉伸应力，当其值超过抗拉强度，就会导致张拉裂隙产生。孔裂隙主要出现在石英晶粒边界及内部。温度是干热岩损伤的主控因素，冷冲击次数能够保证干热岩的持续损伤。矿物晶粒的热膨胀系数差异、液氮的快速降温、循环冲击的疲劳损伤作用是造成干热岩温度冲击损伤的主要原因。

    干热岩增强型地热系统液氮冷冲击孔隙结构力学特征损伤机制

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    岩浆侵入与接触距离对煤低温氧化过程热效应的影响

    于志金晋策汤旭张志鹏...
    4873-4882页
    查看更多>>摘要：岩浆侵入煤系地层在我国广泛存在，侵入后煤体结构和组分发生改变，形成高阶变质煤，但其自燃特性尚不明确。探究岩浆侵入作用对煤低温氧化特性的影响，对开采岩浆侵入煤层自燃灾害的防控具有重要意义。以新安煤矿二采区-350工作面为工程背景，现场采集距侵入体不同距离的煤样，通过测试各煤样的工业成分并分析表面形貌的差异，得出岩浆侵入主要通过接触热演化作用使得原煤变质，表面孔隙和裂隙数量增多，并随着距侵入体距离的增加将变质煤依次划分为强侵蚀煤、弱侵蚀煤和同镜质组高阶煤。基于固定碳、灰分、镜质组反射率以及古地温等指标，采用曲线反推法计算了不同侵入变质煤的分布范围，预测出岩浆侵入影响范围约为侵入体宽度的172。34%～234。68%。采用C80微量热仪对不同变质煤和原煤进行了低温氧化过程热效应的对比研究。结果表明:不同供风量条件下，相比于原煤，强侵蚀煤、弱侵蚀煤和同镜质体高阶煤在低温氧化阶段的初始放热和热平衡温度点分别提前 0。2～3。4℃和 1。9～18。2℃，总放热量提高 1。72%～135。75%，表观活化能降低 1。62%～69。02%，越靠近岩浆侵入体的变质煤，氧化放热能力越强，自然发火期越短;在供氧充足条件下，岩浆侵入仅对距侵入体 1。01～2。68 m的强侵蚀煤氧化反应放热能力提升较为显著，其开采量仅约占岩浆侵入影响范围的 6。23%～12。15%。因此，在回采进入岩浆侵入区时，应加强对强侵蚀煤自燃的防治，并及时修正该区域煤自燃预报指标的临界值，从而保障煤层安全开采。

    岩浆侵入变质煤放热量活化能煤自燃

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    煤系页岩总有机碳含量与成熟度对厌氧发酵产甲烷性能的影响

    阮倩雯王乾苏现波赵伟仲...
    4883-4896页
    查看更多>>摘要：煤系页岩气是煤系气的重要组成部分，且煤系页岩具有丰富的本源微生物和微生物代谢所需的分散有机质，这使得其具有厌氧发酵产甲烷的可能性，并为煤系气开发阶段的可采资源提供补充。然而，针对煤系页岩厌氧发酵产甲烷机制的研究仍缺乏，生物甲烷产出特征及其控制因素仍未清楚，限制了该方法的发展与应用。以不同地区的煤系页岩为研究对象，以煤系页岩本源菌群为试验菌群，通过厌氧发酵试验探讨其产甲烷潜力，评价总有机碳(TOC)含量、成熟度(Ro)对产甲烷效果的影响。结果表明:在本源微生物作用下煤系页岩普遍具有产甲烷能力，累计产量最高可达 1。97 mL/g。煤系页岩厌氧发酵产甲烷周期一般为 15 d，产量变化规律与煤相似，但周期明显缩短。根据微生物降解复杂有机质的代谢模型，可将煤系页岩厌氧发酵产甲烷过程划分为水解产酸、产氢产乙酸和产甲烷 3个阶段。生物甲烷产量与煤系页岩TOC含量具有明显的正相关性，尤其当TOC含量大于 10%，甲烷产量显著提升。另外，生物甲烷产量与Ro呈负相关性，当Ro增大至 3。78%，几乎不再产生。煤系页岩TOC含量与Ro主要在水解产酸阶段发挥作用，随TOC含量降低、Ro增大，微生物降解页岩有机质产生的氨基酸等代谢产物减少，使得产氢产乙酸和产甲烷阶段微生物代谢所需的底物的物质的量浓度降低，最终生物甲烷产量减少。

    煤系页岩厌氧发酵生物甲烷有机碳含量成熟度

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    深部煤及顶底板不同射孔位置条件下的压裂模拟——以鄂尔多斯盆地某气田8号深部煤层为例

    熊冬贺甲元马新仿曲兆亮...
    4897-4914页
    查看更多>>摘要：鄂尔多斯 8号深部煤层埋深超过 2 000 m，地质结构复杂，目标煤层的顶部与底部分别存在灰岩层与泥岩层，现场采用水平井压裂作为 8号深部煤层气的开发手段。为明确 8号深部煤及顶底板不同射孔位置条件下的水力裂缝扩展路径规律，综合考虑储层地质结构、井眼轨迹以及储层岩石力学特性，形成了深部煤层水力压裂有限元模拟实现流程。首先，加工了井下实际岩心试样，基于三轴压缩试验明确了岩石力学特性，并利用CT扫描表征了基质孔隙与裂隙结构特征;然后，采用带孔隙压力节点的黏聚力模型等效表征了深部煤层中的弱面与孔裂隙对流体渗流的影响，并建立了考虑渗流-应力-损伤耦合的深部煤层水力压裂三维有限元模型，并基于现场压裂测试施工工艺进行了有限元模型的参数反演与验证;最终，进行了深部煤及顶底板不同射孔位置条件下的压裂测试模拟计算。结果表明:与顶底板岩石相比，煤岩弹性模量低、泊松比高、孔裂隙发育;煤层中射孔时水力裂缝被完全限制在煤层中扩展，水力裂缝难以穿过煤层与顶底板界面进入灰岩层与泥岩层中，水力裂缝在达到峰值排量前完全闭合;灰岩层中射孔时水力裂缝穿过灰岩层与煤层界面，进入煤层中扩展，煤层中的水力裂缝长度大于灰岩层中的水力裂缝长度;泥岩层中射孔时水力裂缝穿过泥岩层与煤层界面，进入煤层中扩展，泥岩层与煤层中水力裂缝长度均得到了扩展;顶板灰岩层与底板泥岩层中射孔时的起裂压力大于煤层中射孔时的起裂压力;由于大量压裂液在煤层中滤失，在顶板灰岩层与底板泥岩层中射孔时，煤层中的水力裂缝最先发生闭合。研究成果可以为深部煤层的水力裂缝扩展建模提供思路，并指导深部煤层气的高效开发。

    深部煤层CT扫描孔裂隙结构压裂测试射孔位置有限元渗流-应力-损伤耦合

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    SOCO-SAP对高寒矿区不同级配煤矸石水分与披碱草生长的影响

    孙智龙杨建英史常青李成...
    4915-4927页
    查看更多>>摘要：煤矸石保水性差是影响植物生长的主要障碍因子，为提高煤矸石基质的保水性，以SOCO-SAP(高分子聚合物常用作保水材料，以下简称SAP)质量分数、容重、煤矸石粒径级配 3个方面研究重构煤矸石基质水分及披碱草生长特性，筛选出适宜于高寒矿区保水层重构的材料参数规格。结果表明:SAP的使用极显著地提高了煤矸石的饱和含水量、毛管含水量、田间持水量，在容重和级配相同的条件下，其含量与SAP的使用量呈正相关;SAP可降低煤矸石的入渗速率，使用量越高，抑制水分入渗能力越强，在同一质量分数下，不同级配煤矸石的湿润锋到达土柱底部所用时间从短到长依次为偏砂<偏壤<偏黏;SAP质量分数为 0。1%与 0。2%时，不同级配煤矸石各深度体积含水率提升较小，但使用量为 0。3%和 0。4%作用效果明显，且 2者无明显差异，表明SAP适量使用时，对煤矸石的水分运移效果最佳;随SAP使用量的提高，不同级配煤矸石基质所表现出的披碱草生物量为(偏壤>偏砂>偏黏)，且在偏壤级配下，SAP使用量为 0。3%时，生物量最大。因此，建议首选容重为 1。3 g/cm3、偏壤级配(2∶2∶2∶2∶2)、SAP质量分数为 0。3%，来作为高寒矿区保水层构建的主要基质配比，其次是容重为 1。3 g/cm3、偏壤或偏砂级配、SAP使用量为 0。3%或 0。4%，这些配比基质保水性能较好，但植生性较前者较弱。该结果可为高寒无土矿区生态修复提供理论依据和技术支撑，同时为类似典型矿区土地复垦和固废资源化利用提供参考。

    高寒矿区煤矸石高吸水树脂含水量粒径级配保水性披碱草

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    不同材料充填对矿区复垦土壤钾吸附解吸的影响

    景可欣董周宾薄怀志王志亮...
    4928-4937页
    查看更多>>摘要：煤矿开采造成土地沉陷、土壤环境破坏和农田养分流失，采用不同材料充填复垦是目前中国东部矿区修复沉陷土地的常用方法。钾作为作物生长发育的关键元素，探究其在复垦土壤中的有效性十分必要。为了研究不同填充材料复垦土壤中钾的有效性及其影响因素，文章选择以煤矸石(MGS)、湖泥(HN)、黄河砂(HHS)为填充材料的复垦土壤为研究对象，采用X射线衍射仪(XRD)、傅里叶红外光谱仪(FTIR)、电子显微镜(SEM)以及比表面及孔隙度分析仪(BET)对复垦土壤进行表征分析，利用吸附等温线试验和连续流液法吸附、解吸动力学实验测定并通过相应模型描述复垦土壤对钾的吸附、解吸特征。结果表明:不同材料充填复垦土壤的矿物组成、官能团组成、微观形貌、表面结构均与正常耕地存在差异。3种材料充填复垦土壤XRD图谱中伊利石的衍射峰以及FTIR曲线中由伊利石引起的—OH等特征峰均减弱，复垦土壤表面更加光滑，比表面积和孔体积更小;所有充填复垦土壤各吸附、解吸参数均低于正常耕地(ZC)，MGS充填复垦土壤吸附能力最强，其最大吸附量可达 7。90～15。00 mg/g，HHS充填复垦土壤吸附能力最弱，其Qm仅 2。66～3。91 mg/g。复垦土壤解吸能力差异不大，均处于较低水平，煤矸石充填复垦土壤填充层(MGST)的平衡解吸量(Qe4)最高，为 4。40 mg/g，黄河砂充填复垦土壤填充层(HHST)的Qe4 最低，为1。81 mg/g;复垦土壤的吸附参数(最大吸附量、平衡吸附量)与含水量、土壤质地(粉粒、砂粒)、阳离子交换量、表面特征(比表面积、孔体积、平均孔径)显著相关;解吸参数(平衡解吸量)与含水量、黏粒、阳离子交换量显著相关。研究表明，矿区典型材料的充填会降低复垦土壤钾的有效性，这主要与复垦土壤对钾的吸附、解吸能力有关。MGS、HN由于其比表面积、黏粒含量、阳离子交换量较大具有较高的吸附量，但由于其伊利石和—OH含量较高，以不可逆吸附为主，可以通过研磨、筛分减小填充材料粒度及适当提高pH来改良;HHS由于比表面积、黏粒含量、阳离子交换量较小具有较低的吸附量和解吸量，可以通过复垦时掺加黏土及利用秸秆等富含—OH的材料煅烧制备适宜充填复垦的HHS材料来改良。

    采煤沉陷区填充材料复垦土壤土壤钾有效性吸附-解吸特征

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    水泥回转窑富氧煤粉燃烧数值模拟的优化

    黄冠硕周月桂
    4938-4945页
    查看更多>>摘要：水泥生产是一种高二氧化碳排放的过程，其中煤粉燃烧产生的碳排放是水泥回转窑碳排放的重要组成部分，富氧燃烧技术在电站锅炉碳捕集利用方面的优势使得其在工业炉窑中的应用受到了广泛关注。前人对水泥回转窑富氧燃烧改造后炉内组分体积分数和燃烧特性进行了研究，但针对水泥回转窑富氧燃烧改造后与原有空气气氛下传热特性的匹配方法并不完善。为了获得在保证水泥生产质量条件下对水泥回转窑进行富氧燃烧改造的最佳策略，采用计算流体动力学(CFD)软件对 500 kW水泥回转窑燃烧试验炉富氧煤粉燃烧进行了三维建模，研究了总体氧气体积分数(25%～35%)，恒定总体氧气体积分数条件下一、二次风的氧气分配方法和二次风预热温度(650～950℃)对炉内传热特性和火焰长度的影响。模拟结果表明，在富氧燃烧气氛下，不同总体氧气体积分数下的火焰长度相对于空气气氛增加了 5%～8%。炉内峰值温度和热通量随着总体氧气体积分数增加显著提高，当总体氧气体积分数分别为 29%和 35%时，总体热通量和炉内峰值温度与空气气氛相同。保持总体氧气体积分数为 29%，改变一、二次风氧气分配方法时，当一次风氧气体积分数从 0增加至 80%，总体热通量与空气气氛下热通量的差异的变化范围在 3%以内。并且当一次风氧气体积分数为 60%时，在保证总体热通量与空气气氛下的总体热通量基本一致的同时，可以进一步降低与空气气氛下的沿程热通量差异。在总体氧气体积分数 29%，一次风氧气体积分数 60%时，当二次风温度从 650℃升高至 950℃时，总体热通量和火焰长度分别增加16%和4%，二次风温度为720～760℃时可以实现与空气气氛相同的炉内总体热通量匹配。

    水泥回转窑富氧燃烧传热特性氧气分配方法数值模拟

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    Mo2C/MWCNT催化剂制备及其电催化氧化甲醇性能

    毛磊鑫傅林刘雷高志华...
    4946-4954页
    查看更多>>摘要：随着经济的快速发展，化石燃料需求量的逐年增加以及环保问题的日益突出，能源问题显然已成为焦点问题。亟需加快能源结构转型、提高能源利用率以及开发绿色新能源技术。同时国家也对新能源表现出极高的关注度，大力支持发展新能源产业。直接甲醇燃料电池是一种新型的能量转换装置，可以直接把化学能转化为电能，因其不受卡诺循环限制、能量密度高，清洁环保等优点引起研究者的广泛关注。直接甲醇燃料电池的阳极催化剂是其最关键的组成部分，其催化性能的优劣直接影响电池的性能。目前的商业催化剂主要为贵金属，昂贵的价格、复杂的制备过程以及易受中间体毒化等问题严重制约其商业化。Mo的碳化物由于其独特的d带电子结构，表现出与贵金属类似的催化活性。分别将MoO2、MoO3 和Mo2C负载于多壁碳纳米管时，Mo2C负载于多壁碳纳米管的催化剂甲醇电氧化活性最高。为探究载体表面活性位点对甲醇电催化氧化的影响，以不同质量比的钼酸铵和多壁碳纳米管为前驱体，制备了具有一维纳米结构的Mo2C/MW-CNT催化剂，并评价其电催化氧化甲醇性能。利用X射线衍射仪、扫描电镜、透射电镜等测试手段对催化剂形貌及结构进行分析。结果显示，0。7 V(vs。Hg/HgO)电压时，前驱体钼酸铵和MW-CNT的质量比为 1∶1时(Mo2C/MWCNT-1)催化剂的甲醇电催化氧化性能最佳，其电流密度为185 mA/cm2，且 10h后仍保留了初始催化活性的 76。19%。此时Mo2C均匀分散在多壁碳纳米管管壁，粒径约3～12 nm。另外，较小的电荷转移电阻有利于甲醇电催化氧化性能的提高。

    Mo2C多壁碳纳米管甲醇氧化反应直接甲醇燃料电池电化学

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