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第 8卷 第 4期 2 O 1 1年 8月 工程 球物记号 赧 CHI NE S E J OURNAl F ENGI NEE RI NG GE PHYS I CS Vo1 . 8。 NO. 4 A u g.,2 O11 文章 编号 1 6 7 2 7 9 4 O 2 0 1 1 0 4 --一 O 4 0 3 0 5 d o i 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 6 7 2 7 9 4 0 . 2 0 1 1 . 0 4 0 0 4 矿 井瞬变 电磁 法在 巷道迎 头 超 前 探 测 中的应 用 王东伟 ,刘志新 ,武俊 文,许云磊 叶 l 围矿业大学 资源 与地球科 学学 院 , 汀苏 徐州 2 2 1 1 l 6 摘 要 介绍了矿井瞬变电磁法超【 ii 『 探测在井下运月 { 的基本原理、 技术和方法。在数据采集过程叶 1 , 通过调 整天线 的法线 巷道底板 的夹 角, 探测巷道顶板 、 顺层 和巷道底 板方 向上介 质的 电性 变化情况 。对采 集到 的 数据进行畸变处理 、 深度校正后 , 绘制视 电阻率等值线断 面 。探测结果 表明 , 该方法能准确罔定巷道迎头前 方 的地质异常并反映 ⋯异常体 的牵 间特 征, 对解决巷道掘进迎 头前方 的地 质异常是 一种快捷 、 有效 的勘查手 段 , 可以为煤矿水害的预报和防治提供重要的{ 史 术依据 。 关 键词 矿井瞬变电磁;巷道迎头; 深度校正;地质异常 中图分 类号 P 6 3 1 , 3 文献标 识码 A 收稿 日期 2 0 1 l 0 5 0 1 Ap pl i c a t i o n o f M i n e Tr a n s i e nt El e c t r o ma g n e t i c M e t h o d t o Ad v a nc e d De t e c t i ng o f Ro a d wa y He a d W a n g Do n g we i ,I i u Z h i x i n,W u J u n we n ,Xu Yu n l e i ‘ s c h e e l t { Re s o u r ’ e s a n d ; ∞s c i e m e s ,C hi n a Un i v e r s i t y ‘ J Mi n i n g 8 .T c h n o l o g y, Xu z h o u J i a n g s u 2 2 1 l l 6, h i n a Ab s t r a c t Th i s p a pe r i nt r o d uc e s t h e a dv a n c e d d e t e c t i ng o f m i n e t r a ns i e n t e l e c t r oma g ne t i c me t h o d u s e d i n t h e mi ne . I n t he pr o c e s s o f d a t a a c q ui s i t i on,t h e v a r i a t i o n o f e l e c t r i c pr o pe r t i e s o f me di u m i n t he r o a d wa y r o o f,t he b e d di n g a nd t he r oa dwa y f l oo r we r e de t e c t e d by a d j u s t i n g t h e a n g l e b e t we e n t h e n o r ma l d i r e c t i o n o f t h e a n t e n n a a n d t h e r o a d wa y f l o o r .Th e i s o l i ne s e c t i o ns of a ppa r e nt r e s i s t i vi t y h a v e b e e n d r a wn a f t e r t h e c o l l e c t e d d a t a we r e pr o c e s s e d i n t he d i s t or t i on wa y a n d c o r r e c t e d i n d e p t h. The d e t e c t i on r e s ul t s s ho w t ha t t he m e t ho d c a n b e u s e d t o l oc a t e t h e ge ol o g i c a l a n oma l i e s a nd f i nd ou t t he s p a c e c h a r a c t e r i s t i c s o f t he a n o m a l i e s .The r e f or e,i t c a n b e c o ns i de r e d a s a q ui c k。e f f e c t i ve e x pl or a t i o n me t h o d t o s ol v e t he g e ol o gi c a l a n o m a l i e s i n t he di r e c t i o n o f t h e he a d o n r o a dwa y e x c a v a t i o n, whi c h i s i mp or t a nt t o p r e di c t a n d pr e v e nt c o a l mi n e f l o od . Ke y wo r d sm i ne t r a ns i e n t e l e c t r o ma gn e t i c m e t ho d;h e a d o n r o a d wa y;de p t h c o r r e c t i on; g e o l o gi c a l a no ma l y 基 金 项 目 同 家 重 火 基础 研 究 发 展 计 划 9 7 3 项 日 编 5 - 2 0 0 7 CB 2 0 9 4 0 0 资助 。 作者 简介 王东伟 1 9 8 7一 , 男 , 河南周 口人 , 硕士研究生, 主要从事矿井 瞬变电磁法 方面的学 习和研 究 r 作 。E一 一 ma i l d o n g w e i 1 8 7 1 2 6 . C O r l l 刘 志新 1 9 7 6~ , 男, 安 徽 萧 县人 , 副 教 授, 主要 从 事 矿井 电磁 法 和 程 环 境 地 球 物理 勘 探 技 术 研 究及 教 学 T作。 E ma i l l i u z h x c u mt . e d u . c n 4 0 4 T 程 地 球 物 理 学 报 C h i n e s e J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g Ge o p h y s i c s 第 8卷 引 言 煤矿 水 害是 与 瓦斯 、 煤 尘 等 并 列 的矿 山建 设 与生 产 过程 中 的主 要 安 全 灾 害 之一 。 目前 , 国 内 外用 于煤 矿井下 突水 构造 探测 的物 探方法 主要 有 矿井 直流 电法 、 音频 电透 视法 、 瑞 利 波法及 矿井 地 质雷达 等 。矿井 直流 电法 和音频 电透视法 均属 直 流 电法 即体 积勘 探方 法 , 由于受 体积 效应 的影 响 , 这两种 方法 的定 向性都 不 太理想 。瑞 利波 法和矿 井 地质 雷达 可 以用于超 前探 测 , 具 有探 测精 度高 、 定 向性 好等优 点 , 但是超 前探 测距 离太 小 一 般不 大 于 3 O re , 不 能 满足现 场生 产需要 。矿 井 瞬变 电 磁 法是 一种 工作 方 式 比较 简 便 , 数 据 采 集 比较 迅 速 的物探 方 法 。它 观测 的是 二 次 场 , 可 在 近 区采 用重 叠 回线装 置 进行 观测 , 具 有 对 低 阻 含水 体 灵 敏 、 体 积效 应小 、 纵横 向分辨率 高 等优点 。再加 上 瞬变 电磁 法探 测 具 有定 向性 好 的 特点 , 故可 用 于 井下 全 方 位探 测 , 如 掘 进头 前 方 、 巷 道侧 帮 、 煤 层 顶底板等 。 2 基 本 原理 2 . 1 瞬变 电磁法 基本 原理 瞬 变 电 磁 法 Tr a n s i e n t E l e c t r o ma g n e t i c Me t h o d , 简 称 T E M 是利 用不 接 地 回线 或接 地 电 极 向地下 发送 脉 冲式 一 次 电 磁场 , 用线 圈或 接 地 电极 观测 由该脉 冲 电磁场感 应 的地下 涡流 产生 的 二次 电磁场 的 空间和 时 间分布 的一种 时 间域 电磁 法 。在导 电率 为 、 导 磁 率 的 均 匀 各 向 同 性 大 地表 面铺设 面 积为 S的矩 形 发射 回线 , 在 回线 中 供 以阶跃 脉冲 电流 J £ , I I t0 其 中 j t 一 1 【 0 t ≥ 0 在 电流断 开之 前 , 发 射 电流 在 回线 周 围的 大 地和 空 问中建 立 起 一个 稳 定 的磁 场 图 1 。在 f 一0时刻 , 将电流突然断开 , 由该 电流产生的磁场 也立 即消失 。一次磁 场 的这-- JJ 烈 变化通 过空 气 和地 下导 电介 质传 至 回线 周 围的 大地 中 , 并 在 大 地 中激 发 出感 应 电流 以维 持 发 射 电流 断 开 之 前 存在 的 磁 场 , 使 空 间 的 磁 场 不 会 即 刻 消 失 。 由 于介 质 的热 损 耗 , 直 到将 磁 场 能 量 消 耗 完 毕 为 l 。 t O 一 ∥ \ / / z 1 图1 瞬变电磁法示意 Fi g . 1 S k e t c h ma p o f t r a n s i e n t e l e c t r o ma g n e t i c me t h o d 2 . 2 矿 井 瞬变 电磁 法基 本原 理 矿 井 瞬变 电磁 法基 本原 理与 地面 瞬变 电磁法 原 理基 本一样 , 在 井 下 测 量 时 的各 种 装 置形 式 和 时 间序 列也 与地 面相 同。 由于矿 井瞬变 电磁 法勘 探 是在 煤矿井 下 巷 道 内进 行 , 煤 层 通 常 为 高 阻介 质 , 电磁波易于通过, 所以煤层对 TE M 来说就没 有像 对 直流 电 场 那 样 的 屏 蔽性 , 故 T E M 所 测 信 号 为线框 周 围全空 间岩 石 电性的综 合反 映 。与地 面 比较 矿 井 瞬变 电 磁 场 应 为 全 空 间 的 电 磁 响 应 . 图 2 。 图2 仝空间瞬变电磁场的传播 F i g . 2 Th e s p r e a d o f t r a n s i e n t e l e c t r o ma g n e t i c f i e l d i n f u l l s p a c e 由于矿 井 瞬 变 电磁 勘 探 是 在 井 下 巷 道 中 进 行, 采用多匝小回线装置测量, 井下噪声、 资料处 理 和解释 方法 与 地 面 瞬变 电磁 法有 很 大 不 同 , 主 要 表现 在 以下 几个 方面 。 第 4驯 王 东 伟 等 矿 井 瞬 变 电 磁 法 在 巷 道 迎 头 超 前 探 测 中 的应 川4 05 1 受 井下 测 量 环境 的限 制 , 尢 法采 用 地 表测 量 时 的大 线 圈 边 长 大 于 5 0 m 装 置 , 只 能 采 片 j 边 长 小于 3 m 的小 线 圈 , 广大 ] 此它 具 有测 量 设 备轻 便 、 作 效率 高等 优点 。 2 r l l 于采用 小 线圈测 量 , 点 距 更 密 一般 为 2 ~ 1 0 m , 可降 低 体 积 效 应 , 提 高 勘 探 的横 向分 辨 率 。 - 测量 装置 靠 口标 体 更 近 , 会 火 火 提 高异 常 体 的信 号感应 强度 。 3 利用 矿井 瞬变 电磁 法小线 圈发 射 电磁波 的 定 向性 , 可 分别用 于探 测 巷 道 底 板 下一 定 深 度 内 含水异 常体 垂 向和 横 向发育 规 律 、 顶 板 一 定 范 同 内含水低阻异常体 的发育规律及巷道掘进迎头等 的探测l 2 1 。 4 瞬 变 电磁 法 受 关 断时 间 及 多 发 射 、 接 收 天线 自感 和互 感 的 影 响 , 无 法识 别早 期 的 有 用地 质 信息 , 即无 法探 测 到 更 浅部 的地 层 介 质 的 电性 情况 , 在 浅部形 成 2 0 m 左 右 的探测 肓区 。 5 矿 井瞬 变电磁 法勘 探 容易受 外下 金属 仪器 设 备如采煤 掘进 机 、 煤 层 顶 板 T 字 型 支架 等 的影 响 , 需要 把 这些 异 常校 正 或 剔 除 后冉 进 行 处 理 和 解释 。 6 矿 井瞬变 电磁视 电阻率 为全 空间 岩层 电性 特征 的综合 响应 , 视 电阻率 的计算 公 式演化 E 朝 为 c 一 C 6 .3 2 1 o S N s 1 1 V , j 式 叶 lI 为 全卒 问响应 系数 ; S为接 收 同线线 圈面 积 ; N 为线 圈 数 ; £为二 次 场 衰 减 时 间 ; ,为 接 收 的归一化 二 次场 电位场 值 。 3 方法技术 3 . 1 装置 参数 的设计 矿井 瞬变 电磁法 在井 下巷道 中采用 多 匝数 小 回线装 置测 量 , 参数 选 择 是 否 合理 直 接 影 响 测 量 结 果 。矿井 瞬变 电磁法 测 量 参 数 主 要 有 回线边 长 大小 、 回线 匝数 、 时问 序列 、 叠加 次数 、 终端 窗 口 和增 益等 。 根据不 同的地 质 任 务 , 选 择 的 回线 边 K 与叭 数也是 不 同 的 。回线 存 一 定 的范 围 内线 甜 蔓 越 小 , 其 体 积 效 应 也 越 小 , 其 横 向 直 、 纵 向分 辨 率 也 愈 高 。由于井 下 的T 作 环 境所 限制 , 矿 井 巷 道 宽度 只有几米 , 因此 回线 边 长不 能太 大 , 否则 不便 于施 丁 , 也 降低 T 作 效 率 , 因此 只能 选择 较 小 的 边长 , 通 过具体 的 实验 , 一般 在 2 ~3 n l 。 3 . 2 全方 位 空 间探 测施 工 方法技 术 矿井 瞬 变 电磁 法 进 行 全 方 位探 时 , 要 求 掘进 巷道 迎头 断 面整 齐 , 巷 道 空 间高 度 大 于 2 m, 距 离 巷道 迎 头 5 i n范 网 内没 有 较 大 的金 属 体 如 掘进 机 械 等 . 以减 少其对 瞬 变 电磁场 的影 响 。测 点布 置存 巷道迎 头 空 间 位 置 图 3 , 即从 巷 道 迎 头 左 侧 开 始 , 白 ‘ 先使 发射 、 接 收天线 的法 线垂 直巷 道左 侧 面进 行测 量 陶 3巾 的 1号测 点 , 然后 旋 转 天 线 , 使 天线 的法线 方 向 巷 道 的左 侧 分 别 成 6 0 。 、 4 5 。 和 3 O 。 的 央 角进 行 探 测 图 3巾 的 2 、 3和 4号 测 点 ; 天 线 的法 线 方 向 与巷 道 迎 头 界 面 垂 直 时 , 根据 其 主 迎 头 断 面 的 宽 度 置 2 ~ 3个 测 点 图 3巾的 5 、 6币 测 点 ; 到 巷道 迎 头右 侧 时 冉旋 转人 线 . 使法 线 方 向 与巷 道 右 侧 分 别成 3 。 、 4 5 。 、 6 0 。 和 9 O 。 的 火 角进 行 探 测 网 3中 的 8 、 9 、 l 0 和 1 号测 点 。即 存多 个 角 度采 集 数 据 . 从 而 获 得尽 可能 完整 的 前方窄 问信 息 。 图3 超前探测测点布置示意 Fi g . 3 S k e t c h ma p O f a d v a n c e d d e t e c t i o n 在实 际 作过 程 中对 于每个发 射 点按 图 3 所 示 的探测 方 向 , 调 整 天 线 的 法线 与巷 道 底 饭 的 夹 角大 小 , 以探测 巷道 底板 、 顺层 和 顶板 方 向的介质 变化情 况【 。 。 。 当线框 以俯 视 角 度 图 4 a 放 置 时 , 探 测方 向指 向底 板 , 即迎 头 的底 板探 测 , 可 以探 测 底板 一 定深度 范 围 内含水 异 常 的分 布 规 律 ; 当线 框垂 直 于 迎 头 图 4 b 时 , 探 测 方 向为顺 层 方 向 , 当线 框 以仰视 角度 图 4 c 放 置 时 , 探 测 方 向指 向 顶板 , 即迎 头 的顶 饭探测 , 可 以探 测顶 板一定 深度 范 围 内含水 异 常体分 布规 律 。 获 取完 整 的前 方 空 问 信 息后 , 对 采 集 到 的数 据进 行 处 理 , 进 行 视 电阻 率 转 换 、 时深 转 换 , 绘 制 视 电阻率 等值 线 剖 面 冈 , 最 后 结 合 已有 地 质 资 料 4 0 6 工 程 地 球 物 理 学 报 C h i n e s e J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g G e o p h y s i c s 第 8卷 巷 道顶 板 掘 进 迎头 巷道 顶 板 掘 进 迎 头 巷道 顶 板 探测 方 向 巷 道 底板 a 探 测 方 向 巷道 底 板 b 巷道 底 板 c 掘进 迎 头 图4 探测方向示意 F i g . 4 S k e t c h ma p o f d i r e c t i o n a b o u t d e t e c t i o n 对异常作 出解释 。其 处理与解 释流程如图 5 。 即通过 探测 工作 可获 得巷道 掘进 迎头 前方一 个锥 体 范 围内地层 介质 的岩 性 变化情 况 。 原始 资 料整 理 数据 格 式转 换 剔 除 畸变 数 据 反演 、 绘制 视 电 阻率 断面 图 满 足 要求 绘制底板、顺层、顶板视电阻率综合平面 综合 分 析解 释 结 束 否 图5 处理与解释流程 Fi g . 5 Fl o wc h a r t s o f p r o c e s s i n g a n d i n t e r p r e t a t i o n 4 应用实例 4 . 1 工 区概 况 山西 某矿井 田广 为 第 四 系黄 土 所 覆 盖 , 二 叠 系地层 零 星 出露 , 其 北部边 缘有 奥 陶系地 层 出露 。 该矿 3 煤层 位于 太原组 中下 部 , 层 倾 角为 1 5 。 , 煤 层赋存 稳 定 , 平 均厚 度为 4 . 8 m。其距 离 太原组 灰 岩 第 一 个 含 水 组 为 1 5 . 2 1 ~ 2 5 . O m, 平 均 距 离 2 1 . 3 m。根 据井 下 探 放 水 钻 孔 资料 , 太 灰 第 一 含 水组 局部 裂隙溶 洞发 育且水 压 较大 。 因此 该煤 层 目前 正 在 投产 的 3 0 4 3工作 面 机巷 和 风 巷在 掘 进 过程 中, 当煤层 底板 富水 时 , 很 容易受 掘进 采动 影 响发 生较 大 出水 。为 保 证 巷 道 的安 全 掘进 , 在机 巷 和风巷掘 进迎 分 别采 用矿 井瞬变 电磁 技术 查 明迎头前方煤层底板 、 顺层及顶板的赋水性 。 4 . 2施工方 法 本 次勘 探 使 用 澳 大 利 亚 生 产 的 T e r r a T E M 瞬 变 电磁 仪 , 采 用 多 匝 重 叠 小 回线 装 置 , 天 线 为 2 m2 m 矩形线 框 , 发 射 线 圈 4 0匝 , 接 受 线 圈 6 0 匝 , 叠加 次数 4 8 次 。 由于 3 0 4 3工 作 面煤 层倾 角为 1 5 。 , 为 了查 明 风 巷和 机巷迎 头 前 方 含水 构 造 发 育 情况 , 实际 探 查 时 , 在 机巷 和风 巷 迎 头 按 图 6所 示 分 别布 置 测 点 1 1个 , 每个 测 点 探测 三次 , 探 测 方 向与煤 层 巷 道 夹角分 别 为 向上 1 0 。 煤 层 顶板 方 向 、 向下 l 5 。 顺 煤层 方 向 和 4 0 。 煤 层底板 方 向 。 机 巷 、 风 巷 迎 头 4 2 1 图6 机巷和风巷探测方向示意 F i g . 6 S c h e me s o f d e t e c t i o n d i r e c t i o n a b o u t ma c h i n e a n d wi n d r o a d wa y 4 . 3 结 果分 析 图 7为 3 0 4 3工作 面机 巷 掘 进 迎头 顺 层 方 向 的视 电阻率断面图, 横坐标 为以巷道 中点为 中心 点 向两侧 按一 定 比例 加 宽后 的宽 度 , 纵 坐标 为 相 对 于巷道 迎头 的实 际探测 距 离 。 第 4期 王东伟 等 矿井瞬变 电磁法在 巷道迎 头超前探测中的应用4 0 7 1 0 9 7 6 4 3 l r ,/ 一1 1 、\ 世 道 掘 进 一 y - 三 向三 一 11 090 70 50 3 0 1 0 l 0 30 5 0 7 O 90 11 0 X/ m 图7 机巷顺层方向视电阻率等值线断面 Fi g . 7 I s o l i n e s o f a p p a r e n t r e s i s t i v i t y o f b e d d i n g d i r e c t i o n a b o u t ma c h i n e r o a d wa y 在 机 巷迎头 前方 2 0 m 左 有 的距 离 范 围 内 , 由 于受发 射 电流一 次场 的影 响 , 采 集 到 的数 据 发 生 严 重 畸变 , 故 形成 一定 的探 测盲 区 。从 图中可 见 , 在机巷 掘进 迎头 视 电阻 率 值左 右 基 本 对 称 , 视 电 阻率均 匀变 化 , 没有 明 显的扰 动异 常 。 由于 3 0 4 3 工 作面 机巷两 侧 为 金 属锚 网支 护 , 视 电阻 率 值偏 低 , 随着 探测距 离 的加深 , 视 电阻 率趋 于正 常 。另 外 , 在机 巷迎头 的顶 板 和底 板 方 向的 视 电 阻率 等 值线图中, 视电阻率等值线 变化 同样相对较为均 匀 , 说 明机 巷 迎 头 前 方 2 0 ~ 1 2 0 m 范 围 内煤 层 连 续性 较好 , 无 明显 的赋 含水 构造 存在 。 图 8为 3 0 4 3 T 作 面 风 巷掘 进 迎 头 底 板 方 向 的视 电阻率 断 面 图 , 迎 头 前 方 由于 受全 空 间瞬 变 电磁场 的影 响 , 视 电阻率 值 略高 于 巷 道 侧 帮 。从 风 巷底 板 方 向 视 电 阻 率 等 值 线 断 面 图 中可 以 看 出 , 在风 巷迎 头正 前 方 3 0 ~5 5 m 地 段 、 右 侧 4 O ~ 6 0 m 地 段 的视 电阻率 值 形 成 一 个低 阻封 闭圈 , 低 阻异 常较 为 明显 , 认 为 该 地 段 发 育小 构 造 。根 据 矿井 瞬变 电磁法 在该 矿 以往探 测结果 和 验证情 况 分析 , 同时结 合 已知地 质 资料 , 推测该 范 围为太 灰 富水 区 , 富水 性 中等 , 没有 与深部 的灰 岩水 直接 导 通 的通道 。矿 方在 风巷 迎头 位置 向煤层 底板 低 阻 异 常 区方 向 布置 一超 前 验 证 钻 孔 , 钻 孔 前进 到底 板 3 5 m 时钻孔 m水 。探测 结果 得 到 了较 好验 证 。 一 l 1 0~ 9 0 7 O 一 5 O 一 3 O 一1 0 1 0 3 0 5 0 7 0 9 0 1 1 0 x / m 图8 风巷底板方向视电阻率等值线断面 F i g . 8 I s o l i n e s o f a p p a r e n t r e s i s t i v i t y o f f l o o r d i r e c t i o n a b o u t wi n d r o a d wa y 5 结 语 应 用结 果表 明 , 矿 井 瞬 变 电 磁 法 可 以用 于 巷 道 掘进 头前 方地 质 构 造 异 常 的 超 前 探测 , 能 准确 确 定异 常 的位置 , 同时工作 效率 高 , 施工 简单 。但 由于发 射 电流关 断 时 间 过 长 , 也 存 在 着 近距 离 探 测 盲 区 , 同 时 侧 帮 测 点 易 受 金 属 锚 网 支 护 影 响 。 相信 随着 该方 法 技 术 的 不 断完 善 , 在煤 矿 开 采 中 的水害防治和地质保障方面, 会取得更好的效益。 参考 文献 [ 1 ] 于景邮.矿井瞬变 电磁 法勘探 [ M] .徐州 中围矿业 大学 m版社 , 2 0 0 7 . E 2 ]王启军 , 林 向东 , 胡延 林 , 等. 矿井 瞬变 电磁 法超前 探 测研究E J ] .吉林地 质, 2 0 0 9 , 2 8 2 9 9 ~l o 1 . E 3 ]刘志新 , 岳建华 , 刘 仰光.扇 形探 测技 术在超 前探 测 中的应用研究E J 3 . 中周矿 业大学学 报 , 2 0 0 7 , 3 6 6 822~ 82 5. [ 4 ]于景酃.矿井瞬 变电磁法理论 与应用 技术 研究 F D ] . 徐州 中 国矿业大学资源与地球科学 学院 , l 9 9 9 . E 5 ]刘 志新.矿井瞬变电磁场 分布 规律与 应用研究 [ D ] . 徐州 中国矿业大学资源与地球科学学 院 。 2 0 0 7 . [ 6 ]姜志海 , 岳 建华 , 刘 志新. 矿 井 瞬变 电磁法 在 老窑水 超前探测 巾的应 用 E J ] .T 程地 球物 理学 报 , 2 0 0 7 , 4 4 291 ~ 29 4 . 0 9 7 6 4 3● 暑 蠢
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