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瓦斯災害預測有哪些方法

發布時間:2023-06-15 14:31:53

❶ 預防煤與瓦斯突出的措施有哪些

1、是煤炭企業要建立健全瓦斯災害防治管理體系,要按照規定明確各管理層級的防突職責。突出礦井要建立多部門組成的防突管理協調機構,配齊符合規定的各類防突人員,嚴格落實一崗雙責。

2、是強化礦井瓦斯等級管理,煤礦出現「煤層瓦斯壓力不低於0.74MPa」等三種情況直接升級為突出礦井。

3、是規范區域突出危險性預測和區域驗證,礦井的突出煤層始突點標高以下不得劃分無突出危險區,以前劃分的一律作廢。無突出危險區採掘工作面一旦發現驗證參數指標超限、發生動力現象或突出預兆的必須重新補充實施區域防突措施。

4、是從嚴確定突出煤層區域預測、效果檢驗的臨界值,礦井確定的瓦斯含量指標不得大於6 m3/t、瓦斯壓力指標不得大於0.6MPa,並報企業董事長簽字確認後實施。

5、是嚴格執行區域防突措施,礦井煤層瓦斯壓力大於0.6MPa或瓦斯含量大於6m3/t時,必須採用開采保護層或利用底(頂)板岩巷穿層鑽孔預抽煤層瓦斯的區域防突措施。

❷ 預防瓦斯爆炸的措施有哪些

要杜絕瓦斯爆炸事故的發生,就要從以下三個方面採取措施:
一是防止瓦斯積聚和超限,
二是防止瓦斯引燃,
三是防止瓦斯災害事故。
1、防止瓦斯聚積和超限的措施有: 加強通風管理、加強瓦斯檢查、加強排瓦斯巷的檢查;
2、防止瓦斯引燃措施: 防止瓦斯引燃的基本原則是:嚴禁一切非生產火源,對生產中可能引燃瓦斯的電火花、爆破火焰、摩擦火花及明火等火源和熱源進行嚴格控制和管理。
3、防止瓦斯災害事故的擴大。這需要從兩方面著手,一是要採取有效的技術措施,二是要在礦井中配備必要的安全裝置。
A、技術措施:
(1)實行分區通風,各水平、各采區和各工作面應有獨立的進、回風系統;
(2)簡化通風系統,不用的巷道都要及時封閉;總進風巷和總回風巷間距不得太近;
(3)搞好綜合防塵;
(4)編制周密的預防與處理瓦斯煤塵、爆炸的救災計劃;
(5)救災要迅速、無誤。
B、安全裝置主要有: 防爆門:主要通風機的出風井口,必須裝設防爆門或防爆井。
反風裝置:主要通風機必須裝有反風裝置。
隔爆設施:隔爆設施是根據瓦斯或煤塵爆炸時所產生的沖擊波與火焰的速度差的原理設計的。

❸ 煤礦瓦斯等級鑒定的相對瓦斯湧出量計算公式與方法和絕對瓦斯湧出量計算公式與方法

一、煤礦瓦斯等級鑒定的相對瓦斯湧出量計算方法

隧道相對瓦斯湧出量為日絕對瓦斯湧出總量與月平均日產煤量的比值。相對瓦斯湧出量可按下式計算:q相=1440×qmac/D

式中:q相-相對瓦斯湧出量,m³/t;qmax-絕對瓦斯湧出量,m³/min;D-月平均日產煤量,t/d。

二、測定期間每個通風迴路的絕對瓦斯湧出量可按照下式計算:

q絕=q排+q抽

式中:q絕-測定隧道絕對瓦斯(或二氧化碳)湧出總量,m³/min;q抽-測定隧道抽采瓦斯(或二氧化碳)純量,m³/min,取鑒定月的平均值;q排-測定隧道日平均風排瓦斯(或二氧化碳)量,m³/min。

(3)瓦斯災害預測有哪些方法擴展閱讀:

瓦斯是大量賦存於煤層中的,這個時候如果再結合煤的生產情況來了解瓦斯釋放,就必須除一個噸煤參數,這就是相對瓦斯湧出量。

瓦斯是煤礦生產的第一大災害,瓦斯湧出量是綜合體現礦井瓦斯情況的參數,各礦井根據地質結構的不同其賦存也不同,通過這個參數可以了解甚至決定礦井的性質。

❹ MEMS技術在煤礦瓦斯災害預測中的應用

李月周瑤琪

(中國石油大學(華東)地球化學與岩石圈動力學開放實驗室 山東東營 257061)

作者簡介:李月,女,1979年12月生,河北滄州人,2002年畢業於中國石油大學石油地質專業,獲學士學位,在讀博士研究生,研究方向:地質資源與地質工程,電子信箱:[email protected]

摘要 在利用MEMS技術對花崗岩樣的壓裂過程進行監測的基礎上,應用對破裂的監測原理,探討了MEMS技術在預測瓦斯爆炸方面的應用。實驗中,用壓機對岩樣進行持續施壓,觀測到4批微破裂。主破裂發生之前的三批微破裂是岩樣內部裂縫逐漸集中並相互貫通的結果,可以看作是地震發生前的前兆。主破裂的發生在宏觀上產生裂縫。基於上述原理,把該項技術用於預測由於入為采礦所產生的礦震以及天然地震所造成的礦山爆炸也將產生較好的效果。

關鍵詞 MEMS技術 壓裂 微破裂 煤礦災害

Application of MEMS in Forecast of Gas Disaster of Coalmine

Li Yue,Zhou Yaoqi

(Geochemistry & Lithosphere Dynamic Open Laboratory,China Universityof Petroleum,Dongying 257061)

Abstract:Based on the monitoring to the fracturing process of the granitic sample by MEMS,applying the monitoring principle,we discussed the application of MEMS in forecasting the gas blowing up.In this experiment,continually forcing to the sample,we observed four series of micro-fracture.The anterior three series of microfracture before the main fracture were because of the crack in the sample centralizing and connecting,which was regarded as the portent of the earthquake.The main-fracture proced the crack in macro.Based on the beforementioned principle,it was concluded that the forecast of mine blast resulted from the mining and crude earthquake had the good effect by this technology.

Keywords:MEMS;fracturing;micro-fracture;coal mine disaster

序言

MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)通常稱為微機電系統技術,其含義是指可批量製作的,集微型機構、微型感測器、微型執行器以及信號處理和控制電路,包括介面、通信和電源等於一體的微型器件或系統。[1]

礦難在近幾年的重大傷亡事故中占據相當大的比重,瓦斯爆炸以及入工誘發地震更是給入們帶來了極大的威脅。本文主要是在實驗的基礎上探討MEMS技術在預測煤礦災害中的應用。

1 實驗

實驗主要是利用MEMS技術敏感的特點,通過對花崗岩破裂過程的監測,觀察微破裂發生時感測器的瞬間反應。

1.1 樣品和觀測系統簡介

樣品采自山東萊州,屬於燕山期花崗岩。加工成50×15×7.5 cm3的實驗樣品。花崗岩具有均勻的顆粒結構,主要由石英、長石和黑雲母以及少量重礦物組成。長石最大斑晶可達5mm左右,一般顆粒粒徑為0.5~3mm。黑雲母則通常沿石英長石顆粒邊緣呈線狀分布(見圖1)。

圖1 花崗岩顯微結構(正交偏光×50)

感測器採用東營感微科技開發公司生產的4個ME MS-1221 L 型單分量加速度感測器。其靈敏度為2 V/G,解析度為10-4G,頻帶范圍0~1000Hz。數據採集和分析系統為東營感微科技開發公司開發的通用數據監測和分析軟體RBH-General。

壓裂實驗使用中國石油大學機電學院礦機實驗室WE-300型壓機(圖2)。觀測系統如圖2(b)以及圖3所示。

圖2 實驗用壓機及觀測系統

a為WE-300型實驗用壓機,b為岩樣觀測系統感測器放置和受壓支撐位置

圖3 觀測系統平視圖

其中編號1、2、3、4為4個感測器,感測器1、4靠近岩石塊邊緣。4個感測器在一條水平線上。1號感測器與2號感測器中心間隔10cm,3號與4號之間也是同樣間隔。感測器的半徑為2.5cm

1.2 實驗過程與數據討論

1.2.1 實驗過程

首先將岩樣平放在壓機上,並使得岩樣兩端距支撐線的距離相等,同時記下兩側距離值,以便清楚岩樣受壓的力臂;然後將4個感測器依次放在岩樣上面(圖3),並記下各自的位置,同時將感測器和數據採集分析系統相連,以便對不同部位的微破裂所發出的信號進行記錄。

時間記錄從0秒開始,數據采樣頻率為4000Hz。壓力的施加過程是循序漸進的,壓力從0 kN 開始逐漸增大,觀察數據的變化,開始記錄的是雜訊的頻譜,當壓力增加到致使岩樣內部結構發生變化時,頻譜即刻發生變化,頻譜的變化過程將在下面進行討論,其中紅色代表感測器1的頻譜,黑色代表感測器2的頻譜,藍色代表感測器3的頻譜,黃色代表感測器4的頻譜。在近360秒的壓裂過程中,真正的岩樣破裂是在最後一分鍾內完成的,即分別在302.290~303.826 s;305.599~307.135 s;316.793~318.329 s和357.923~360.258s,岩樣共發生了四批微破裂。除了最後一批微破裂持續時間達到2s以上,之前的三批微破裂持續時間均少於1.5 s。每批微破裂均由一組密集的微破裂組成,單次微破裂持續時間一般不超過50毫秒。

1.2.2 壓裂過程數據記錄與簡析

下面依時間順序分別選取10個有代表性的時間段所記錄的頻譜特徵進行討論,由於技術原因,目前所用感測器的精度還不足以區分破裂發生時接收信號的准確時間,我們將在以後的工作中逐步解決這個問題。

(1)0.291~31.826s受壓開始後的雜訊譜(圖4):剛開始施壓不久,雖然各感測器接收的雜訊有所差異,但是總體來說雜訊主要頻率集中於50~300Hz 低頻區和400~750Hz的高頻區,4號感測器由於處於距離油泵較遠的位置,因此振幅相對於其他三個來說略低,並且頻率分布於20~200Hz和600~750Hz 兩個更低和更高的區域,不同感測器所記錄的雜訊差異主要與它們不同的位置有關。

(2)31.990~33.526s雜訊譜(圖5):相對於0.291~31.826s受壓開始後的雜訊譜來說雜訊的振幅增大了近一倍,但是頻率仍然以集中於低頻區為特徵,高頻幅度相對低頻區有所壓制,這說明岩樣內部結構受壓力影響有所變化,雜訊振幅的突然增大有可能是因為油泵不均勻施壓的結果。

圖4 0.291~31.826s受壓開始後的雜訊譜

圖5 31.990~33.526s雜訊譜

(3)300.665~302.201 s雜訊譜(圖6):臨近微破裂發生前,雜訊水平進一步降低,尤其是2號、1號和4號感測器位置降低明顯。3號位置雜訊水平相對較大。

圖6 300.665~302.201s雜訊譜

(4)302.290~303.826s微破裂發生時的頻譜(圖7):這是岩樣發生首批微破裂時的頻譜特徵。從中可以明顯的看出振幅異常,不同的感測器得到的數據有所差別:1、2號感測器的頻率范圍大約集中在700~800Hz,3、4號感測器,尤其是3號受到雜訊的影響比較大,對微破裂的反應不是很明顯。3號感測器的頻率范圍大約在500~600Hz之間,4號的頻率范圍大約在650~750Hz之間。首批微破裂只是改變了岩樣內部的細微結構,宏觀上沒有發生什麼變化。

圖7 302.290~303.826s微破裂發生時的頻譜

(5)305.599~307.135s微破裂發生時的頻譜(圖8):相對於302.290~303.826s微破裂時的頻譜明顯具有向低頻方向移動的特徵,頻率范圍大約集中在650~750Hz之間。

圖8 305.599~307.135s微破裂發生時的頻譜

(6)307.612~309.147s雜訊譜(圖9):微破裂之後繼續加壓岩樣暫時不會再次發生破裂,和開始時的雜訊譜特徵基本相同,但高頻雜訊相對高於低頻雜訊,表示岩樣內部結構已發生變化。

圖9 307.612~309.147s雜訊譜

(7)316.793~318.329s微破裂發生時的頻譜(圖10):第三批微破裂相對於前兩批破裂強度大,振幅增強,隨著壓力的增大,在前面破裂產生的基礎上,當岩樣內部裂縫再次發育、貫通,岩樣就會發生破裂。各個不同的感測器在頻譜特徵上差別較大,頻率范圍各不相同,其中1號感測器記錄到微破裂的頻率范圍大約在350~500Hz之間,2號感測器記錄到的頻率范圍大約在450~550Hz之間,3號感測器記錄到的頻率范圍大約在400~500Hz之間,4號感測器記錄到的頻率范圍大約在650~750Hz之間。

圖10 316.793~318.329s微破裂發生時的頻譜

(8)326.534~328.070s雜訊譜(圖11):第三批微破裂發生之後,由於岩樣已經產生了裂縫,繼續加壓在很短的時間內對岩樣將不會產生大的影響,因此表現出來的仍然是壓機雜訊的頻譜特徵。

圖11 326.534~328.070s雜訊譜

(9)358.723~360.258s主破裂發生時的頻譜(圖12):繼續加壓之後,岩樣在前面微破裂的基礎上發生更強的破裂,即主破裂。從我們所採集到的數據來看,這次破裂幅度比前面破裂要大得多,並且峰值具有明顯向低頻區移動的趨勢。各感測器的頻率范圍也具有明顯的差異:1號感測器的頻率范圍在300~500Hz之間,2號感測器的頻率范圍在200~300Hz之間,3號感測器的頻率范圍在350~550Hz之間,4號感測器的頻率范圍在500~700Hz之間。因為最終的破裂面位於2號和3號感測器之間,並且最後的破裂向2號感測器方向伸展,所以2號和3號感測器記錄的微破裂振幅相對較低,並且頻率也偏低,尤其是2號感測器。而相對遠離破裂面的1號和4號感測器位置記錄的微地震幅度和頻率都相對要高許多。這可能與岩樣較小,離破裂面越遠感測器的位移越大有關。

圖12 358.723~360.258s主破裂發生時的頻譜

(10)361.335~362.871 s主破裂發生後的雜訊譜(圖13):主破裂發生之後施加的壓力對岩樣已經不能產生任何作用,由於岩樣已經完全破裂,並且這時我們在岩樣的外觀上已經可以清楚的看到一條裂縫,繼續加壓,這條裂縫就起到了卸壓的作用,因此繼續施加壓力,我們採集到的只是壓機所發出的雜訊的頻譜。但相對剛開始施壓時的雜訊譜而言,由於岩樣已發生破裂,油泵雜訊通過岩樣傳遞給感測器,裂縫對雜訊的傳遞產生了影響,導致高頻雜訊大大減弱,而低頻雜訊則相對增強。

圖13 361.335~362.871s主破裂發生後的雜訊譜

1.2.3 微破裂頻譜變化特徵

分析壓機對岩樣進行加壓的實驗過程,通過頻譜的變化特徵可以看出:四批微破裂產生時頻譜的頻率范圍以及振幅有所差異(見表1)。

表1 四批微破裂發生時不同感測器接收的頻率范圍及頻譜峰值

四批破裂發生時,頻率范圍並不僅僅集中在表1所列的范圍之內,另外還有相對集中的區域,但是由於其他區域的頻率或者峰值較低,或者范圍很窄,因此沒有一一列舉,表中只列舉了主要的頻率范圍。由表中數據可以看出,對於一個感測器來說,隨著壓力的增大,四次破裂發生時的頻率范圍依次減小,即頻率隨著破裂的增大逐漸降低;對於同一次微破裂來說,前兩批微破裂產生時距離壓力作用點近的兩個感測器得到的數據相對於較遠的感測器來說要小,而主破裂發生時只有4號感測器的頻率范圍明顯大於其他3個,說明距離裂縫越近,頻率值越低。從這個現象我們可以總結以下規律:隨著壓力的增大,頻率值降低;裂縫越大,頻率值越小。而且,由於岩樣本身體積比較小,在放置的時候由於位置不足夠精確,因此一點兒的差距都會導致岩樣在受壓過程中發生輕微傾斜,這種輕微傾斜將導致處於對稱位置的1、4號檢波器和2、3號檢波器的數據存在較大差異。從每次破裂頻譜的峰值來看,前兩次破裂發生時靠近壓力作用點的感測器發出的頻譜的峰值要大,而後兩次破裂發生時情況正好相反。這有可能是由於最先兩次破裂發生時微破裂的規模很小,只是內部結構發生了微小變化,而後兩次發生時微破裂的規模相對增大,第四批微破裂甚至使岩樣在宏觀上發生了破裂的緣故。

1.3 實驗結果討論

近年來,地震學者認識到,地震是一次具有裂隙的地球材料的破裂行為,並在一般的固體材料,其中包括岩石微裂隙形成過程的研究中,去探索這種破裂的孕育及發生。現今關於地震孕育的一切基本假想,都把地球裂隙破裂的演化看成是尋找和解決地震前兆並解決地震預報的關鍵[2-10]。主破裂的發生是由於岩樣在前面破裂以及不斷施壓的條件下,使得內部裂縫不斷聚集增多,最後達到相互貫通的結果,岩樣在宏觀上產生了一條與壓力方向近似平行的裂縫。下面分別從四批微破裂中挑選主要的一次微破裂的數據記錄進行詳細討論:

(1)第一批微破裂中主要破裂產生的微地震記錄(圖14):圖中分別反映了4個感測器發出的信號。第一批微破裂是當花崗岩樣的耐壓強度首先達到極限,內部累積了足夠的裂隙並且在主壓應力方向首先貫通,從而發生了破裂。

圖14 第一批微破裂中主要破裂產生的微地震記錄

(2)第二批微破裂中主破裂發生時產生的微地震記錄(圖15):第二批微破裂是在第一批微破裂的基礎上發育的,破裂的頻率主要集中在低頻區。並且紅色和黃色的頻譜的頻率要高於黑色和藍色頻譜的頻率,從而可以看出靠近裂縫放置的感測器頻率較低。即越靠近震源頻率越低。

圖15 第二批微破裂中主破裂發生時產生的微地震記錄

(3)第三批微破裂中主破裂產生的微地震記錄(圖16):第三批微破裂是由於繼續施加壓力岩樣內部裂縫繼續發育,強度相比較第二批而言要強得多,頻率范圍也具有向低頻區轉移的趨勢,這可以看作是地震發生前比較重要的一次微破裂。

圖16 第三批微破裂中主破裂產生的微地震記錄

(4)第四批微破裂中主破裂產生的微地震記錄(圖17):第四批微破裂是岩樣受壓的主破裂,也是最終發生的破裂,這次破裂是由於隨著壓力的不斷增大(最終壓力達到10.4 kN),岩樣內部裂隙不斷發育,並高度集中貫通,從而導致岩樣宏觀上的裂縫產生,集中的應力完全釋放。如果將此應用於地震預測,這時的裂縫產生就可以定義為地震的發生。並且距離震源近的感測器得到的頻譜的頻率較低。

圖17 第四批微破裂中主破裂產生的微地震記錄

岩體內大多存在著節理、劈理等裂隙,有的還存在著斷裂等較大型的薄弱結構。在壓力增大到一定程度之後,這些裂隙就會集中發生產生破裂。花崗岩的破裂模式可以歸納為雪崩式不穩定裂隙形成模式,該模式也叫蘇聯科學院大地物理研究所模式。這個模式的基礎是兩個現象:裂隙應力場的相互作用和裂隙形成作用的局部集中。在緩慢變化載荷的長期作用下,任何材料,包括岩石,在破壞前都必將產生這兩種現象。關於長期強度的學說是基於下列事實:在「亞臨界」(小於材料的瞬時強度)應力的緩慢作用下,裂隙的數目和大小逐漸發展。當裂隙密度達到一個臨界密度狀態值後,材料就過渡到快速宏觀破裂階段。如果裂隙在介質中的分布從統計角度看是均勻的,那麼在緩慢增強的載荷作用下,或在活躍介質的影響下,裂隙的數目和大小將逐漸增大,而其中排列的較有利的一些裂隙將互相貫通,形成較大的裂隙。如果把格里菲斯理論及由此引申出來的一些理論用於地震震源,認為在雪崩式裂隙形成過程中逐漸產生一些少量的長裂隙,這些長裂隙串通匯合就導致了岩石的宏觀破裂(地震)[11]

2 在煤礦瓦斯災害預測中的應用

煤炭開采誘發地震(采礦業稱為沖擊地壓)是采礦誘發的動力地質災害之一。礦震是在采礦活動和區域應力場作用影響下,使采區及周圍應力處於不穩定狀態,采區局部積累的一定能量以沖擊或重力方式釋放而產生的岩體振動。據不完全統計,20世紀80年代以來東北地區的遼寧北票、吉林遼源、黑龍江鶴崗、雙鴨山漢鳥西、七台河等煤礦的礦山地震水平逐漸增強,部分礦震造成的損失相當嚴重。引起各級地震、煤炭系統和研究人員的關注。礦震的發生除入為開采因素外,礦山所處構造環境和區域構造應力場狀況與其有密切關系[12]

煤炭開采使得井下應力分布隨開采深度加大變化加劇,在區域構造活動的共同影響下,構造應力使新、老構造作不同程度的繼承性和新生性活動。一些井下斷裂構造從穩定狀態逐漸活動或蠕動,被牽動產生局部活化,是礦震發生的內在動力環境[13]

地震是由於地下岩體受到應力作用產生形變,在岩體中引起破裂、相對位移、滑動、產生斷層並輻射地震波。礦震發生地點是礦區的地下岩體振動,地震記錄許多地方與天然地震記錄相似。礦震的震源深度淺,在較大范圍內可近似為表面震源的隨機波動。

在區域構造作用力下,煤層氣會沿一些特定方向產出和聚集。當生成的煤層氣在礦井局部地區溢出並積聚時,倘若礦井局部溫度達到煤層氣燃點,就可能引起爆炸。煤礦瓦斯爆炸與地震活動在時間上具有同步性[14-15]。因此准確預測地震活動的發生對預防煤礦瓦斯爆炸具有重要的作用。

基於上述實驗得出的結論,以及地震活動與煤礦瓦斯爆炸的關系,可以將MEMS1221 L型單分量加速度感測器用來預測由於入為采礦及天然地震引發的礦震及裂縫。從而減少由於煤礦瓦斯爆炸帶來的災害。

我們將感測器分別放置在煤礦的不同位置,並同時將感測器連接到計算機觀測分析系統上來記錄不同時刻感測器發出的信號,根據我們上述實驗的過程,在不斷的采礦過程中,機器對礦體會產生較大的作用力,當礦體內部岩石結構發生變化時,感測器就會發生明顯的變化,我們看到記錄的頻譜信號就會發生突變。產生兩三次這樣的突變之後,礦體就極有可能有坍塌的可能,因此,在第一次突變時,我們就應該加強防範,採取相應的措施來阻止破裂的發生。

同樣,當地下發生地震時我們也可以根據這個原理進行預防,絕大多數地震學家認為,在地震發生前有一個應力在震源區集中的過程,稱作孕震過程或地震准備過程。當這一過程發展到一定階段時,孕震區內的岩石可能會出現微破裂或塑性化等現象,從而導致地震波的頻譜發生變化。此外,孕震區內小震震源動力學參數的變化也可能引起地震波頻譜的某些變化。這些就是根據地震波頻譜異常來進行預報研究的物理依據。在主破裂發生之前往往發生一系列的振幅較小、頻率偏低的地震波,這些地震波的產生我們可以將它們視為前驅地震波。本次實驗中主破裂發生之前的三次微破裂產生的地震波就可以看作是前驅地震波。這些地震波的發生是主地震波的能量的積蓄,當能量積累到一定程度勢必發生地震。

3 結論

(1)花崗岩在單軸壓力的作用下產生相對集中的四批脆性破裂,並且這四批破裂的強度具有隨著壓力的增大逐漸增強的趨勢;微破裂發生時,頻率具有向低頻區偏移的趨勢,並且裂縫越大頻率越低;

(2)主破裂發生之前的三批微破裂是岩樣內部裂縫逐漸集中並相互貫通的結果,可以看作是地震發生前的前兆。主破裂的發生在宏觀上產生裂縫,這時可以看作地震的發生;

(3)壓裂實驗的近源觀測記錄表明,MEMS技術應用於監測裂縫具有很高的靈敏度,因此將該技術應用於煤礦災害的預測將會取得好的效果,從而減少由於入為采礦及天然地震引發的礦難。

致謝:感謝東營感微科技開發公司提供的技術支持,以及中國石油大學(華東)機電學院實驗室提供的壓機設備。在論文的完成過程中,得到了師兄弟的幫助,在此一並表示感謝。

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