微震监测技术在矿井水害防治中的研究进展_陈歌.pdf

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微震监测技术在矿井水害防治中的研究进展 陈歌孙亚军徐智敏刘钦冯琳 (中国矿业大学资源与地球科学学院, 江苏 徐州 221116) 摘要微震监测技术在矿井水害防治和预测预报中, 已成为不可或缺的一种技术手段, 对于确保矿山安全 生产发挥了重要作用。微震监测技术作为一种间接、 无损、 实时、 连续的地球物理方法, 已经被写入 煤矿防治水 细则 (2018版) 。首先阐述了微震监测技术在矿井水害防治中的应用原理; 然后讨论了微震探查地下水强径流 带、 导水通道 (裂隙、 断层和陷落柱) 、 突水通道、 浆液扩散过程和采空区未知水体突水的可行性及预测预报规律, 通过将人工扰动 (如井下钻孔放水、 注浆、 采掘等) 过程中产生的微震事件与音频电透视、 瞬变电磁、 应力场、 瓦斯 监测、 钻屑量、 声电磁、 渗流、 岩石损伤等场理论进行多场耦合分析和相互验证, 分析了对矿井水害进行主动监测 和预测预报的可行性; 最后对现阶段微震监测技术在矿井水害防治方面的优势和局限性进行了分析, 认为科学布 置监测网络, 优化定位算法, 准确分析煤、 岩、 水活动规律, 实现多场耦合, 研究煤岩体微震活动性前兆规律, 是微 震监测技术在矿井水害防治领域的应用研究趋势。 关键词微震监测技术矿井水害人工扰动预测预报多场耦合分析 中图分类号TD745文献标志码A文章编号1001-1250 (2019) -01-007-09 DOI10.19614/ki.jsks.201901002 Study Progress for Microseism Monitoring Technique on the Predication and Control in Mine Water Disaster Chen GeSun YajunXu ZhiminLiu QingFeng Lin (School of Resources and Geosciences, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China) AbstractMicroseism monitoring technique in predication and control on mine water disaster has become an indispens⁃ able technical means, and it plays an important role in mine safety production.Microseism monitoring technique is the geophys⁃ ics characterized by indirect, nondestructive, real-time and continual, it has been included in Detailed Rules and Reg⁃ ulations for Control in Coal Mine Water(2018 edition) .Firstly, application principal of microseism monitoring technique for mine water disaster is analyzed; then, the feasibility and prediction regularity of the detection of groundwater runoff zones, wa⁃ ter passages(fissure, fault and collapse column) , water bursting channel, grout diffusion and goaf unknown water inrush by us⁃ ing microseism monitoring technique is discussed, besides that, the feasibility of monitoring and predicting mine water disaster actively is analyzed based on the multi-field coupling analysis and mutual verification by the combination of microseismic events produced in the process of artificial disturbance(such as underground drilling water, grouting, mining and so on)and the field theories(such as audio frequency electric perspective, transient electromagnetic, stress field, gas monitoring, drilling cutting, acoustic electromagnetic, seepage, rock damage, etc)is analyzed; finally, the advantages and disadvantages of micro⁃ seism monitoring technique in the application of prediction and control of mine water disaster are summarized, and according to the current study results, the development tendency of the technique is studied.The results show that the main application and study of microseism monitoring technique in prediction and control in mine water disaster can be summarized as scientific arrangement of monitoring network, optimization for positioning algorithm, reliable analysis of the activity regularities of coal, rock mass and water, implementation of multi-field coupling analysis and study of the precursor regularity of microseismic ac⁃ tivity of coal and rock mass. KeywordsMicroseism monitoring technique, Mine water disaster, Artificial disturbance, Prediction and forcast, Multi- field coupling analysis 收稿日期2018-11-10 基金项目国家自然科学基金项目 (编号 4F180035) 。 作者简介陈歌 (1987) , 男, 博士研究生。通讯作者孙亚军 (1963) , 男, 教授, 博士, 博士研究生导师。 总第 511 期 2019 年第 1 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 511 January 2019 7 ChaoXing 2019年第1期总第511期金属矿山 随着我国煤矿开采深度的增加, 微震监测技术 成为确保矿井安全生产的重要监测预警手段之一 [1], 并被写入了 煤矿防治水细则 (2018版) 。微震监测 技术最早由南非奥希尔顿地震协会在1908年研究采 矿冲积地压和矿震问题时被提出和应用 [2]。20世纪 30年代后期, 美国科研人员进行了深部硬岩矿井的 声速研究 [3]。1953年以后, 南非约翰内斯堡东兰德矿 山有限公司在井下建立了世界上第一个深入研究冲 击地压的观测网, 随后, 南非15座金矿中均布置了地 震观测网, 开始全面系统研究冲击地压问题 [4]。20世 纪70年代以后, 微震监测技术陆续在德国、 波兰 [5-6]、 美国 [7]、 加拿大[8-9]、 前苏联[10-11]、 中国[12-14]等国家被大 量应用。近年来, 随着电子通讯技术蓬勃发展, 微震 装备和技术方法也得到了快速发展。 在我国, 1975 年山西大同地震台利用微震仪 有效监测和预报了矿区顶板大面积来压和顶板塌 陷 [15-16]; 1976年12月枣庄矿务局陶庄矿安装了34型 垂向微震仪监测顶板活动 [17]; 1985年北京矿务局在 门头沟煤矿建立了Sylok微震监测系统和SAK地音 监测系统, 积累了丰富的数据资料, 并深入研究了冲 击地压问题 [18-20]。波兰SOS微震监测系统和EMAG 公司生产的ARAMIS M/E微震监测系统开始被大量 引进国内矿山安全生产中。2000年左右, 微震监测 技术在矿山冲击地压、 矿柱与采场稳定性、 瓦斯富集 区探测 [21]、 边坡稳定性[22]、 地下开挖与矿岩崩落[23]、 煤层气开采 [24]、 井下水力压裂裂缝[25]等方面得到了 广泛的研究与应用, 取得了显著成效。 根据现有文献检索结果, 微震技术被应用于矿 井水害防治始于2000年。张兴民等 [26]利用微震技术 在山东兖州兴隆庄煤矿确定了采掘生产中断裂带和 垮落带的发育高度; 杨天鸿等 [27]利用微震活动信息 定量化突水模型, 总结了岩层断裂突水前兆规律并 利用微震定位了突水通道, 为煤矿突水预测预报奠 定了理论基础; 近年来, 微震监测技术在济南钢城矿 业有限公司张马屯铁矿大水矿山注浆堵水帷幕工程 中得到了成功应用, 实时连续监测了大帷幕区域岩 性变化 [28], 并根据地下水微破裂趋势, 确定了地压 分布和地应力集中区 [29-30], 圈定了潜在突水区域[31], 为后续通过人工扰动 (注浆) 手段主动监测矿山水害 提供了技术支撑。 2008年, 北京科技大学与峰峰集团有限公司合 作在梧桐庄煤矿布置了微震监测台网, 实时监测大 断层、 陷落柱等隐伏构造, 获得了构造活化强度、 烈 度, 底板破裂深度, 顶板破裂高度, 煤柱留设尺寸等 参数, 实现了对突水危险区域的预测预报 [32]。该项 研究表明 微震监测作为一种强有力的地球物理场 监测手段, 能够实现煤矿突水预警, 建立基于微震定 位结果的岩体空间破裂场过程定量模型, 实现微震 事件多角度、 多层次展示, 以多场 (渗流场、 应力场 等) 耦合手段实现突水监测超前预警, 是未来突水监 测预警的重要发展方向。姜福兴等 [33]采用高精度 微震监测技术对煤矿长壁工作面地质异常体 (如断 层、 陷落柱、 高角度裂隙带等) 的灾变过程进行了实 时连续监测, 获得了突水通道形成、 扩展和灾变的动 态监测数据, 实现了对工作面突水灾害的预测预警; 同时将微震监测获得的地质异常体活化信息与工作 面围岩位移场、 应力场数值模型进行耦合, 分析并解 释了煤层采动导致构造活化和引起灾变的机制。孙 建等 [34]利用微震监测了桃园煤矿某工作面回风巷和 运输巷附近底板岩层的最大破裂深度, 圈定了倾斜 煤层工作面底板突水危险区域。窦林名等 [35]经过研 究, 认为微震活动前兆信息存在于煤矿采空区突水 灾害形成过程中, 微震活动规律与突水灾害存在内 在联系; 突水致灾前微震能量、 频次、 能量释放率均 呈现递增现象, 根据能量释放率可以实时确定突水 危险区微震事件的发展变化情况。胡新宇 [36]通过研 究煤矿采场底板隐伏断层活化突水致灾机理, 认为 底板破裂微震事件在底板浅部分布较为密集, 深度 越大, 微震事件分布越稀疏; 开采扰动对隐伏断层活 化影响显著, 隐伏断层带岩体破碎的微震事件数量 高于其周围完整底板岩体。吕鹏飞等 [37]以东滩煤矿 微震监测数据为基础, 分析认为 震源点位于工作面 前方和采空区后方, 工作面前方数量多于采空区后 方, 且震源点集中分布于裂隙带和应力增高区; 震源 点随着工作面推进由老顶积聚逐渐向上发展, 开采 后回降至老顶附近。刘毅 [38]采用井-地联合微震监 测技术对某矿回采工作面顶板的 “三带” 发育过程和 顶板裂缝产生机理进行了研究, 认为顶板破裂呈圆 弧顶形状。 近年来, 随着煤矿开采深度逐年增加, 高承压岩 溶水、 高地应力、 高地温等地质条件对矿井水害防治 提出了更高要求。现阶段, 微震监测技术在矿井煤 层顶底板水害、 上三带和下三带破裂发育监测及工 作面地质异常体探查等方面应用较广泛, 但在地下 水强径流带、 导水通道 (陷落柱、 隐伏断层) 、 注浆和 采空区突水等方面的研究成果较少。本研究通过系 统总结微震监测技术在矿井水害防治方面的技术特 征、 应用原理和研究现状, 分析矿井水害防治中微震 探查目标, 探讨利用人工扰动方式主动监测矿井水 害的可行性和机理, 在此基础上, 探讨微震监测技术 8 ChaoXing 2019年第1期陈歌等 微震监测技术在矿井水害防治中的研究进展 在矿井水害预测预报方面的优势、 局限性以及未来 发展趋势。 1微震监测技术概述 1. 1微 震 微震是矿山岩体破坏过程的伴生现象, 岩体受 地应力作用, 局部弹塑性能量发生集中, 当能量积聚 到临界值后, 引起岩体微裂隙的产生与扩散, 以弹性 波或应力波的形式释放能量。微震包含了大量围岩 受力破坏过程及地质活化过程的信息, 在监测区域 合理、 科学布置若干拾波器, 对微震信号进行采集、 处理和分析, 能够推断岩体内部形态变化, 反演矿岩 体的破坏机理。煤矿开采过程中的微震事件可分为 积蓄期、 频发期和余震期3个阶段, 分别对应着小能 量事件、 频发且大能量事件多、 小能量事件多且夹有 少量较大能量事件。通常情况下, 断层扩展或裂隙 形成容易形成较多的大能量事件。矿岩体的应力状 态和变形能释放速率可通过微震强度和频度进行反 映。岩体破裂发生于应力差大的区域, 岩体破裂区 常与高应力差区域重合, 并靠近高应力场区, 因而微 震集中分布区域可以与岩体破裂场吻合 [39]。 1. 2微震监测 微震监测是将优化后的微震监测网布置于监测 区域内, 采集矿岩体破坏时产生的微震活动信号, 利 用岩层移动、 数理统计、 模糊数学、 模拟退火-单纯形 算法 [40]、 矩张量[41]、 分形数学、 双差定位法等研究矿 岩体活动规律, 预测预报矿山动力灾害 [35]。微震监 测技术的关键是震源空间定位, 定位算法对震源定 位精度影响较大 [40], 良好的监测网布置方式有助于 提供良好的方程组解算条件, 提高方程组解算速度 和定位精度, 从而有助于降低震源定位误差。 1. 3微震监测技术在矿井水害中的应用原理 对于矿山水害的微震机理, 杨天鸿等 [27]认为采 动压力和水压力扰动应力场诱发的微破裂 (微震活 动) 是矿山突水前兆的本质特征; 刘玉春等 [42]通过分 析干燥煤岩和含水煤岩变形破裂过程中微震信号的 变化规律, 认为饱和含水煤岩的峰值强度、 煤岩冲击 倾向性以及微震信号频度、 强度都低于自然干燥煤 岩。 工作面岩层破裂范围和运动异常区域可通过微 震监测技术构建基于空间定位结果和岩体破裂场的 定量数值模型进行圈定, 从而实现矿井突水监测的 超前预警 [43]。 水运动产生的微震事件机理研究成果多见于我 国东部矿井, 东部矿井底板常富含高承压奥灰水, 高 承压水运动过程中会引起裂隙冲扩 (剪切裂缝和张 性裂缝) [14]、 岩石破裂等岩石力学现象[44], 产生微震 信号, 通过分析监测区域内的微震时空积聚、 变化规 律, 可反演工作面采动影响引发的水文地质变化过 程。微震数据在经过处理和分析后, 准确获取微震 发生的时间、 地点、 能量等信息, 分析评价微震密集 发生带位置及其发展变化趋势, 确定水文地质异常 类型 [45], 从而实现水害预测预报。 2矿井水害中微震探查目标 现阶段, 微震监测技术能够探查到的水文地质 目标有地下水强径流带、 导水通道、 突水通道、 浆液 扩散过程和采空区水体 [46]。 2. 1地下水强径流带 石家庄瑞丰煤业公司2015年34月通过对底 板奥灰含水层进行钻孔放水与注浆, 发现放水时奥 灰含水层局部富水区快速排泄引发真空吸蚀、 应力 弹性释放、 水激波压力传导等现象, 进而引发岩溶塌 陷、 含水层储水结构破坏、 掉块、 裂隙扩充, 产生了 微震; 此外, 注浆期因高压浆液的驱水、 劈裂作用, 形成了微震。与放水期相比, 注浆引发的微震范围 明显扩大, 从而据此圈定了奥灰水强径流带位置及 范围 [45-47]。 2. 2导水通道 (裂隙、 断层和陷落柱) (1) 断层、 隐伏断层和断层导水性。对于断层相 关的微震事件, 通常情况下, 不导水断层的微震频度 低。若断层上下盘存在微震盲区, 常为完整矿岩体; 若断层受到采掘扰动 [48]、 钻孔注浆、 放水等人工干 扰, 易产生失稳或活化 [49], 微震频度相应增加, 常形 成线状、 条状密集微震带 [45]或区域性微震带, 分布于 断层带周围 [50]。通常情况下, 可根据断层带微震时 间和发展趋势确定隐性断层导水性及部分参数 [51]。 许进鹏等 [52]认为断层活化导水的必要条件是断层附 近原始导升带内的水压大于断层面的法向应力, 开 采作用导致水压与地应力失去原有平衡是断层活化 导水的诱因。断层周围导水裂隙带的三维空间形态 展布可通过破裂场内的裂隙发育程度和含水层分布 特征进行反演, 以岩体破裂的时空关系为基础, 确定 矿岩体的应力集中区, 进而推断裂隙破裂过程和破 裂范围 [53]。 (2) 覆岩导水裂隙带或垮落带与断裂带。确定 裂隙带或断裂带形成过程的关键在于追寻岩石破 裂点面, 即震源空间位置。可通过不同方位设置的 拾波器, 采集岩石在人为因素或自然因素影响下发 生破裂、 移动产生微震到达的时间、 传播方向等信 息 [54], 而后根据震源的空间位置和频度, 确定覆岩裂 隙带和导水裂隙带的高度。在此基础上, 通过震源 9 ChaoXing 定位和震相分析, 连续监测导水裂隙带的发展趋势, 进而实现矿井突水高危区防治和预报 [55-56]。岩层破 裂产生微震事件的分布规律与工作面周期来压、 断 裂带与垮落带边坡角、 地下应力场分布特征和地层 岩性相关。对于上覆岩层, 大多数微震是煤层顶板 剪切破裂产生, 张性断裂因能量弱, 微震信号较难判 别和定位, 导水断裂带的分布位置一般与微震分布 密集区重合 [26]。 (3) 陷落柱。微震监测应用于陷落柱水害探测 的成果较少, 极少数应用案例也局限于陷落柱内有 充填物和水混合的情形。陷落柱内充填物的形态特 征决定了其导水通道, 也间接限制了一定条件下的 突水特性 [57]。煤层开采前, 陷落柱处于完全稳定的 力学平衡状态, 煤层开采后, 采空区顶板冒落和底板 岩层断裂后, 形成二次力学平衡, 在此过程中, 陷落 柱充填体与围岩接触处易产生剪切破坏, 导致陷落 柱的边缘地区发生活化 [33], 产生微震。 2. 3突水通道 (1) 底板破坏或突水危险性地段。微震监测在 矿井底板突水防治中的应用和研究较多, 并取得了 许多宝贵的实践经验。淮北矿业有限责任公司桃园 煤矿2009年12月25日2010年1月15日, 连续监测 了由煤层开采扰动引发的496次底板岩体破裂及断层 活化的微震事件 [58], 通过分析, 认为该类微震事件是 由下侧煤壁附近区域高应力集中及2条断层尖端活化 所致 [47], 实现了连续、 动态监测桃园煤矿倾斜煤层底 板采动破坏特征的目的 [34]。程爱平[59]通过对微震进 行聚类分析, 在垂向上将微震分布区域划分为高位异 常区、 正常影响区和低位异常区, 认为低位异常区为 底板潜在突水危险区 [60]。微震监测作为岩体微破 裂三维空间监测技术, 能够描述底板导水通道孕 育、 发展到最终失稳的整个过程 [61]。任浩洋[62]采用 塑性力学解析法验证了何家堡煤矿利用微震监测底 板破坏深度的可靠性。程关文 [51]将底板微震监测结 果与工作面地质钻孔柱状图相结合, 提出了煤层底 板破坏深度判定方法, 通过分析底板微震能量密度 云图与底板涌水量, 实现了对董家河煤矿某工作面 底板导水通道的精确定位, 并分析了煤层开采作用 下导水通道的孕育、 发展和贯通过程。 (2) 隐伏断层或陷落柱。根据孙运江等 [63]在邢 东矿的微震监测成果, 底板的微震频度和能量与工 作面的距离成正相关关系, 导水裂隙带空间上的微 震事件呈漏斗状, 说明导水裂隙带形成过程中在底 部有一个薄弱带突破口, 推测为隐伏断层或岩溶陷 落柱。 2. 4浆液扩散过程 注浆的整个过程可以通过微震发生的时间和位 置进行反映, 并能显示注浆液在含水层中的扩散范 围、 迁移路径和过程。在石家庄瑞丰煤业公司底板 含水层改造的注浆初期, 微震事件呈铅直状密集带 分布; 中期时, 微震顺层分布; 后期时, 微震集中于含 水层顶部, 形成椭圆形区域, 随着注浆工程结束, 含 水层内部的微震也逐渐消失。此外, 由于注浆压力 常大于承压含水层水压, 因而人工注浆产生的破裂、 破岩等微震信号强度大于突水期间高压水运动、 裂 隙冲扩引发的微震信号强度 [45]。 2. 5采空区未知水体 对矿井采空区未知水体的监测, 可利用采矿过 程中岩体微破裂产生的微震事件, 在地面远场与井 下近场设置微震观测立体网络, 研究突水致灾的物 理过程和形成机制。采空区微震事件的时域分布特 征能够反映岩体破裂和突水灾害过程, 可通过微震 的弹性波参数 (波速比、 振幅比、 波谱和频度) 判断突 水致害过程 [64]。窦林名等[35]认为采空区未知水体突 水 (突水裂隙通道) 成灾具有微震前兆信息, 微震活 动性与突水危险具有内在联系。 3人工扰动主动监测矿井水害 将常见的人工扰动方法 (井下钻孔放水、 注浆、 采掘等) 产生的微震事件, 结合其他物理手段, 能够 实现主动监测矿井水害, 从而有助于对矿井水害进 行预测预报。 (1) 井下钻孔放水。井下钻孔放水能够打破地 下水流场平衡, 高承压水二维层流向三维紊流运动 时会诱发微震事件, 结合钻孔涌水量, 在综合分析微 震事件属性参数 (频次、 能量、 累积能量等) 的基础上, 目标含水层放水期间及前后时间段内 (若干小时或 1~2 d) , 所有微震事件能够反映出地下水强径流带、 突水危险区和垂向导水通道的空间位置。根据微震 事件的时空分布特征, 含水层内微震平面密集区指 示地下水强径流带位置, 微震剖面密集区指示地下 水垂向导水通道位置, 微震事件发生的时间顺序对 应于地下水径流方向及过水通道扩充的过程 [46]。 (2) 注浆。对承压含水层的注浆改造过程可通 过微震事件进行跟踪。在不同注浆阶段, 注浆压力、 浆液成分、 浓度等有所不同, 浆液扩散过程中会形成 不同的微震事件, 可利用微震监测确定注浆液扩散 范围及路径、 含水层储水结构形态、 地下水强径流带 位置、 导水通道、 突水口位置等。 (3) 采掘。采掘过程中, 对底板断层和裂隙带进 行微震监测是预测底板突水的有效方法 [65]。高精度 2019年第1期总第511期金属矿山 10 ChaoXing [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] 微震监测仪能够实现对含断层煤层底板破坏范围的 现场动态监测 [66], 可以有效监测煤层采动过程中底 板突水通道的形成演化过程 [67]。 (4) 其他物理方法。将井下钻孔放水、 注浆、 采 掘等人工扰动过程中产生的微震事件, 结合音频电 透视 [68]、 瞬变电磁[69]、 应力场、 瓦斯监测、 钻屑量、 声 电磁、 渗流、 岩石损伤等场理论进行多场耦合分析和 相互验证, 通过场耦合技术构建矿井水害综合监测 预警模型, 有助于实现对矿井水害的预测预报。 4结论 (1) 在矿井水害防治中, 微震监测技术能够实 时、 连续监测, 监测范围较大, 具有一定的前瞻性, 弥 补了常规突水监测预警技术的不足。通过科学、 合 理布置近场和远场微震立体监测网络, 结合微震定 位算法, 可探查矿山地下水强径流带、 导水通道、 突 水通道、 浆液扩散过程、 采空区不明水体等, 确定覆 岩裂隙带和导水裂隙带高度, 连续监测导水裂隙带 发育过程, 识别导水通道, 有助于实现煤层底板突水 防治和预测预报。 (2) 微震监测对象为处于采动影响范围内的岩 层破裂发育过程 [23], 该技术对静态目标的监测优势 不明显。由于岩层断裂发生于微震监测之前 [70], 对 于已经形成的导水裂隙带高度难以采用微震监测系 统进行监测。大多数微震监测系统属于 “被动等震” 监测范畴, 利用人工扰动 (钻孔放水、 注浆、 采动等) 诱发的微震事件监测矿井导水通道的应用成果 (如 隐伏导水通道探查、 地下水径流带探查和浆液示踪、 构造导水性监测与评价、 隔水层薄弱带监测、 注浆液 扩散范围探查) 较少。对于煤矿井下破碎岩石胶结 程度好、 无水的陷落柱, 微震监测技术探查效果不理 想, 需结合其他地球物理监测方法进行综合探查。 矿井干扰信号较多, 相比于冲击地压, 矿井水害信号 弱、 能量小、 叠加干扰多, 目前, 矿井水害微震信号的 识别度较低。 (3) 目前, 微震监测技术在矿山水害方面 (如顶 底板破裂实时监控、 断层活化监测、 监测网络优化、 微震定位算法改进等) 的应用取得了一定进展, 初步 形成了相关的理论和技术体系, 但在陷落柱监测、 有 用信号提取、 人工主动监测等方面仍存在不足。不 同震源定位算法具有不同的定位精度, 合理选择和 改进微震定位算法, 有助于提高定位精度和计算效 率, 值得进一步研究。虽然微震能够在 “事中” 、“事 后” 进行连续监测, 但 “事前” 监测的相关研究不足, 还须更深入研究和理论创新。有必要综合利用应力 场、 损伤场、 渗流场的演化规律, 煤、 岩、 水的作用机 制, 进行多场耦合研究, 通过综合分析微震活动规 律, 形成科学理论体系。进一步探索矿井突水机理 [71]是未来实现矿井突水灾害预测预报的关键, 准确 捕捉煤岩体的微震活动性前兆信息, 是进一步促进 微震监测技术在矿井水害防治领域应用必须解决的 关键性问题。 参 考 文 献 丛森, 程建远, 王云宏, 等.煤矿微震监测技术现状与发展前景 [J] .中国矿业, 2016 (12) 87-93. 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