呂家坨礦注水壓裂增透參數(shù)模擬分析

安雪梅，牛寶云，孟凡春

(1.華北理工大學(xué)，河北 唐山 063009；2.唐山學(xué)院，河北 唐山 063000；3.開(kāi)灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司呂家坨礦業(yè)分公司，河北 唐山 063000)

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呂家坨礦注水壓裂增透參數(shù)模擬分析

安雪梅1，牛寶云2，孟凡春3

(1.華北理工大學(xué)，河北 唐山 063009；2.唐山學(xué)院，河北 唐山 063000；3.開(kāi)灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司呂家坨礦業(yè)分公司，河北 唐山 063000)

煤層注水；壓裂增透；數(shù)值模擬；瓦斯抽采

結(jié)合呂家坨礦煤層賦存情況，運(yùn)用數(shù)值模擬軟件RFPA2D分析不同開(kāi)采條件下煤體裂隙的發(fā)育規(guī)律，確定試驗(yàn)煤層的有效注水半徑范圍。通過(guò)模擬分析，呂礦主采7#工作面煤層注水壓力在15～21 MPa時(shí)在0～22 m范圍內(nèi)圍巖明顯卸壓，破壞了煤體的完整性，形成貫通裂隙，為瓦斯釋放提供了通道?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試在6375工作面進(jìn)行，在預(yù)定的范圍內(nèi)產(chǎn)生了良好的增透效果。瓦斯抽采效果增加明顯，從而確保礦井安全高效生產(chǎn)。實(shí)現(xiàn)了排放瓦斯，消除瓦斯超限現(xiàn)象，同時(shí)也有效地降低了工作面的粉塵量，改善了工作面的環(huán)境。

0 引言

我國(guó)煤層的地質(zhì)情況比較復(fù)雜，賦存條件較為多變，煤與瓦斯突出、煤塵、工作面回風(fēng)流中的瓦斯、沖擊地壓、火災(zāi)與高溫是威脅我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)的重大災(zāi)害。尤其是在當(dāng)下，煤炭經(jīng)濟(jì)下行壓力極大，礦井經(jīng)濟(jì)效益逐步下降的情況下，礦井安全越來(lái)越受到生產(chǎn)形勢(shì)的影響[1]。煤層埋深越高煤層瓦斯含量和壓力越大，經(jīng)過(guò)工作面的風(fēng)流瓦斯含量增高，工作面瓦斯?jié)舛纫壮蓿ぷ髅娴沫h(huán)境惡劣程度大幅度提高，災(zāi)害的發(fā)生率和嚴(yán)重程度也隨之增加。

煤層注水通常指的是在回采工作開(kāi)始前在工作面煤層中布置鉆孔，并將高壓水注入鉆孔，具有壓力的水會(huì)沿著裂隙滲入煤體[2]，煤與瓦斯之間的兩相平衡體系遭到破壞，煤、水與瓦斯的三相平衡體系隨之形成，在這個(gè)體系中各因素會(huì)產(chǎn)生作用，從而改變煤的內(nèi)部微觀和宏觀結(jié)構(gòu)性質(zhì)。煤塵、沖擊地壓、煤的自燃發(fā)火、煤與瓦斯突出等災(zāi)害的發(fā)生率都會(huì)降低[3]。作為結(jié)構(gòu)多孔的煤，原始裂隙是煤體的主要組成成分，再生裂隙大多是在煤體的開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生的。裂隙的貫穿程度，直接影響著煤體透氣性[4]。一些透氣性低的煤層，一般通過(guò)煤層增透的方法優(yōu)化煤層瓦斯的抽排效果。具體指的是，高壓水沿著裂隙進(jìn)入煤層中，高壓作用使裂隙得到發(fā)育，高壓水對(duì)媒體中各種薄弱面產(chǎn)生高凈壓，隨著凈壓力的增大裂隙得到再次發(fā)育和貫穿，從而使煤體的孔隙率增加，煤層透氣性和煤體增透范圍均有增大。在此情況下，煤體瓦斯的抽排半徑增大，煤與瓦斯的突出性得到降低[5]，從而確保礦井安全生產(chǎn)。煤層注水可以使煤體開(kāi)采過(guò)程中，煤顆粒與水分子相融合，從而降低揚(yáng)塵，改善工作面環(huán)境。

1 水力壓裂數(shù)值模擬分析

在深入調(diào)查和分析呂家坨礦相關(guān)地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合礦井主采7#煤層生產(chǎn)活動(dòng)的實(shí)際情況，對(duì)比多種數(shù)值分析軟件的優(yōu)缺點(diǎn)和最佳適用條件后，最終采用RFPA2D-F1ow數(shù)值模擬軟件，建立呂家坨礦7#煤層注水壓裂增透的數(shù)學(xué)模型，模擬分析不同注水壓力對(duì)煤層裂隙發(fā)展的影響。綜合考量多方面因素，建立3種數(shù)值分析模型，盡可能地考量和計(jì)算多種因素對(duì)煤層注水壓裂增透時(shí)煤層裂隙發(fā)育的影響。從而探究和發(fā)現(xiàn)注水壓裂時(shí)煤層裂隙的發(fā)展規(guī)律，為呂家坨7#煤層瓦斯抽采，尤其是低透性注水壓裂煤層的瓦斯抽采提供技術(shù)和理論指導(dǎo)，同時(shí)，為呂家坨礦瓦斯抽采積累相關(guān)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。

1.1 水力壓裂增透模型建立

數(shù)值模擬軟件RFPA2D-F1ow，可將試件由破壞前到破壞后的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行模擬。本軟件應(yīng)用于流體場(chǎng)和滲流場(chǎng)，能夠模擬水力壓裂整個(gè)過(guò)程中裂隙起裂、發(fā)育延伸、直至貫穿的過(guò)程。并且會(huì)以直觀的二維示意圖像展現(xiàn)出來(lái)，使結(jié)論顯而易見(jiàn)。煤體，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜多空隙，多層理性結(jié)構(gòu)。從宏觀上講，牛頓力學(xué)只能解決煤體的宏觀受力情況，并不能精確而又完全地闡釋煤體內(nèi)微觀裂隙的發(fā)育情況。因此，數(shù)值模擬軟件RFPA2D-F1ow對(duì)研究高壓水力壓裂增透效果，以及裂隙發(fā)育規(guī)律有重要作用[6]。

根據(jù)呂家坨礦現(xiàn)有煤層基本條件，選取該礦主采7#煤層主要工作面作為試驗(yàn)煤層，測(cè)定其基本煤層參數(shù)，以便建模時(shí)邊界條件的設(shè)定。由現(xiàn)有理論可知煤體裂隙發(fā)育情況，與受煤體所受應(yīng)力情況有關(guān)，因此考慮改變2個(gè)主要應(yīng)力方向的參數(shù)，水平的應(yīng)力和垂直的應(yīng)力，并沿煤層走向垂直方向剖開(kāi)分析整個(gè)裂隙發(fā)育。模型是圍繞影響裂隙發(fā)育規(guī)律的注水壓力因素進(jìn)行建模的，旨在研究裂隙發(fā)育與注水壓力的關(guān)系。

1.2 模型的建立

通過(guò)改變2個(gè)方向應(yīng)力大小以確定裂隙發(fā)育規(guī)律，建立模型選定模擬參數(shù)，設(shè)定邊界條件，將所建立模型劃分成多個(gè)模塊，以1：10比例進(jìn)行建模，經(jīng)測(cè)定7#煤層主要工作面水平應(yīng)力為16 MPa，垂直方向的應(yīng)力為12 MPa。模擬采取逐步增壓的方法，選定1 MPa為初始注水壓力，并且以1 MPa為梯度進(jìn)行增壓。得到如下模型和數(shù)據(jù)。

模型有若干個(gè)均勻單元組成，每個(gè)小單元大小為200×300尺寸，按照上表所給定參數(shù)設(shè)定模型屬性，可將煤體看成均勻介質(zhì)，考慮自重應(yīng)力影響，不考慮煤層與巖層接觸，不考慮頂?shù)装宓挠绊?。模型邊緣進(jìn)行固定約束，設(shè)定一段初始裂隙，然后改變注水壓力參數(shù)，模擬不同注水壓力下裂隙發(fā)育程度和范圍。

在同一模型條件下，考慮圍巖自重應(yīng)力，分析不同增透水壓下，裂隙的發(fā)育程度和階段，其發(fā)生主要變化的分布圖如圖1所示。

(a) 增透水壓為11 MPa (b) 增透水壓為15 MPa

通過(guò)對(duì)圖1分析可知，可將高壓水力壓裂增透由開(kāi)始到裂隙貫穿的過(guò)程分為以下幾個(gè)步驟：第1步當(dāng)注水壓力在11 MPa時(shí)，裂隙基本沒(méi)有起裂，只是簡(jiǎn)單地將水充滿裂隙空間，煤體所發(fā)生的形變不足以使裂隙得到剪切而發(fā)育；第2步在注水壓力超過(guò)14 MPa，達(dá)到15 MPa時(shí)，裂隙隨注水壓力增大，裂隙發(fā)育范圍更加明顯。

1.3 應(yīng)力變化趨勢(shì)

由圖1可知，煤體裂隙發(fā)育破壞了煤體壓力平衡，當(dāng)平衡破壞時(shí)最大主應(yīng)力逐漸減小，直至消失，并且距離壓裂空孔越近的最大主應(yīng)力越小[7]。當(dāng)平衡破壞時(shí)最小主應(yīng)力也逐漸減小，直至消失，并且距離壓裂空孔越近的最小主應(yīng)力越小[8]。煤體裂隙發(fā)育與最大主應(yīng)力方向大致相同。

從煤體裂隙發(fā)育開(kāi)始，煤體滲透率開(kāi)始增加[9]。煤體的滲透率隨裂隙發(fā)育而逐漸增大，裂隙密度越高，滲透率越大。

2 煤層注水壓裂試驗(yàn)

煤層注水是通過(guò)鉆孔向工作面前方煤體進(jìn)行注水，使煤體得到充分濕潤(rùn)，以增加瓦斯的吸附力，從而達(dá)到降低煤塵產(chǎn)生、減少突出危險(xiǎn)、促進(jìn)瓦斯治理的目的。

為了充分驗(yàn)證注水壓裂方法在呂家坨礦區(qū)試驗(yàn)效果，進(jìn)一步確保礦井回采工作面安全生產(chǎn)，在充分考量礦井實(shí)際生產(chǎn)情況的基礎(chǔ)上，在井下選取適合呂礦7#煤層6375回采工作面進(jìn)行試驗(yàn)。最終取得了不錯(cuò)的注水壓裂增透效果，煤層透氣性增加明顯，抽采鉆孔有效影響半徑增大，瓦斯抽采量增加較多，回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛认陆得黠@。同時(shí)，由于注水效果較好，采煤工作面降塵效果良好，工作面煤塵濃度下降明顯，工作面回采環(huán)境得到較大改善。

2.1 6375工作面基本情況

(1)工作面基本情況

呂家坨礦6375工作面，所在水平為-950 m水平，具體位置位于第3采區(qū)，在本采區(qū)的7#煤層主石門(mén)的左側(cè)。為該水平內(nèi)7#煤層地質(zhì)條件最為復(fù)雜的采面，回采區(qū)域內(nèi)斷層較多，煤層瓦斯壓力和含量明顯大于同水平其他工作面。該工作面回采初期，回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛容^高，有超限的危險(xiǎn)，同時(shí)，回采工作面煤塵濃度較高，工作面作業(yè)環(huán)境較惡劣。

(2)工作面地質(zhì)概況

A1煤層為復(fù)結(jié)構(gòu)煤層，含夾石1～2層總厚為0.3 m，其煤層結(jié)構(gòu)為1.3(0.1)0.3(0.2)1.94，平均煤厚為3.80 m，煤厚從北向南逐漸變厚。本工作面的直接頂?shù)氖状慰迓洳骄喾秶鸀?～10 m，該頂板為Ⅱ類中等穩(wěn)定頂板。老頂?shù)氖状蝸?lái)壓，垮落步距39 m，老頂?shù)闹芷趤?lái)壓的垮落步距為23 m，經(jīng)分析可知工作面的老頂級(jí)別為Ⅱ級(jí)。

2.2 6375工作面注水壓裂試驗(yàn)

6375工作面注水壓裂試驗(yàn)分為2個(gè)階段：前期對(duì)工作面回采端面進(jìn)行短臂靜壓注水，主要目的是對(duì)回采工作面進(jìn)行降塵，改善回采工作面作業(yè)環(huán)境，確保采面高效安全生產(chǎn)；后期在6375工作面巷道兩幫合適位置施工50 m以上深度的鉆孔，由乳化液泵站泵給高壓水，進(jìn)行高壓注水壓裂。注水壓裂完成后，通過(guò)觀測(cè)工作面煤層瓦斯壓力測(cè)定鉆孔的瓦斯壓力變化數(shù)據(jù)，從而確定此次注水壓裂試驗(yàn)的效果。

(1)6375工作面端面短臂注水試驗(yàn)

工作面短臂注水降塵

短臂注水采用礦井凈壓防塵系統(tǒng)供水，全礦的供水網(wǎng)絡(luò)在所有巷道兩邦都有供水管路，管徑為108.00 mm無(wú)縫鋼管，皮帶巷每50 m 1個(gè)，其它巷道每100 m 1個(gè)。各個(gè)閥門(mén)上接1條長(zhǎng)不少于50 m(皮帶巷30 m)的膠管，直徑為10 mm。工作面短臂鉆孔注水的壓力一般較低，通常情況下采煤工作面的壓水注水方式，注水壓力控制在4～5 MPa。煤層注水時(shí)間的把握要以煤壁上"掛汗"情況為主，如果在理論裂隙范圍內(nèi)均出現(xiàn)上述現(xiàn)象，則表示注水完成。

圖2所示為工作面短臂鉆孔注水示意圖：

圖2 工作面短臂鉆孔注水示意圖

(2)6375回采工作面煤層高壓注水壓裂試驗(yàn)

采用煤體打鉆孔、高壓乳化液注水的方式，配套使用專用壓力流量計(jì)，抗震高壓水表工作壓力為60 MPa。采用煤體打鉆孔、礦井凈壓供水系統(tǒng)凈壓注水的方式，注水鉆孔布置在工作面軌道巷、皮帶巷中，鉆孔距頂板為1.0 m。注水期間壓力維持在20～35 MPa，同時(shí)確保注水期間管路密閉良好，無(wú)漏水現(xiàn)象。

高壓注水鉆孔主要參數(shù)如表1所示。

表1 注水主要參數(shù)表

2.3 工作面注水壓裂技術(shù)的實(shí)施

(1)6375工作面注水壓裂主要過(guò)程

選取6375工作面合適位置進(jìn)行打鉆、注水、壓裂試驗(yàn)。柱塞泵輸入水壓為20 MPa，流量在180 ～210 L/min范圍內(nèi)波動(dòng)，最終穩(wěn)定在200 L/min左右。壓裂20 min后，加大柱塞泵流量，使水壓達(dá)到30 MPa，并保持穩(wěn)定。此時(shí)，流量大小在380 L/min左右，注水壓力1 h后，停止注水。

第2天，繼續(xù)注水，柱塞泵輸入水壓為18 MPa，流量在190 ～210 L/min范圍內(nèi)波動(dòng)，最終穩(wěn)定在200 L/min左右。壓裂20 min后，加大柱塞泵流量，使水壓達(dá)到30 MPa，并保持穩(wěn)定。此時(shí)，流量大小在380 L/min左右，持續(xù)注水9 h。在注水過(guò)程中至注水完成后一段時(shí)間內(nèi)，密切關(guān)注巷道周?chē)兓闆r。

在注水孔右側(cè)0～4.5 m范圍內(nèi)，巷道兩幫、頂?shù)装寰信蛎涢_(kāi)裂現(xiàn)象，但未發(fā)現(xiàn)水流滲出。在注水孔左側(cè)0～11 m范圍內(nèi)，巷道頂板有輕微滲水情況，且有少量噴漿掉落。在注水孔左側(cè)11～15 m范圍內(nèi)，巷道頂板開(kāi)裂明顯，滲水量變大。在注水孔右側(cè)30 m，裂縫貫穿發(fā)育較大，并伴有嘶嘶的氣體噴出聲。

第3天，繼續(xù)在6375工作面進(jìn)行注水，注水壓裂位置選在了工作面的底板巷道。此處，壓裂壓力為35 MPa，流量為390 L/min。整體注水時(shí)間為4h3min。注水過(guò)程中至注水完成后一段時(shí)間內(nèi)，巷道周?chē)兓闆r：距底板巷道注水位置0～4 m處，整體出現(xiàn)滴水現(xiàn)象；注水孔左側(cè)4.3 m處，煤體相鄰的巖體出現(xiàn)掛汗；在注水孔左側(cè)11～15 m范圍內(nèi)，滲水位置趨于集中，并導(dǎo)致一處噴漿脫落。

(2)6375工作面注水鉆布置

6375工作面注水壓裂鉆孔平面布置圖如圖3所示。注水壓裂鉆孔布置依據(jù)的基本原則是盡可能在經(jīng)濟(jì)、高效的基礎(chǔ)上對(duì)煤層進(jìn)行充分注水壓裂。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際考察，此次注水壓裂增透試驗(yàn)鉆孔間距一般控制在10 m左右，具體施工情況可根據(jù)回采工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定?？梢赃m當(dāng)增大和減少鉆孔間距，但不可小于5 m。

圖3 6375工作面注水及觀測(cè)鉆孔布置平面圖

6375工作面注水鉆孔布置的剖面圖如圖4所示。

圖4 6375工作面注水及觀測(cè)鉆孔布置剖面圖

2.4 工作面注水效果分析

由于6375工作面影響該工作面安全、高效生產(chǎn)的主要不利因素是瓦斯?jié)舛纫壮蓿瑫r(shí)，現(xiàn)有瓦斯抽采效果不顯著，工作面瓦斯防治形勢(shì)依然很?chē)?yán)峻。因此，為了考察6375工作面注水壓裂效果，首先需檢驗(yàn)注水壓裂后該工作面瓦斯?jié)舛仁欠裣陆档桨踩笜?biāo)以下。6375工作面瓦斯抽采檢驗(yàn)鉆孔布置方式如圖5所示。

圖5 抽采及觀測(cè)鉆孔布置示意圖

在瓦斯抽采鉆孔周?chē)┕?個(gè)觀測(cè)鉆孔，1#鉆孔距離抽采孔11 m，2#鉆孔距離抽采孔10 m，3#鉆孔距離抽采孔6 m，4#鉆孔距離抽采孔7 m，5#鉆孔距離抽采孔8 m，6 #鉆孔距離抽采孔9 m。封孔后連接瓦斯壓力表，當(dāng)瓦斯壓力表穩(wěn)定后，開(kāi)啟瓦斯抽采泵，對(duì)抽采鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采。隨著抽采孔瓦斯抽采工作的正常進(jìn)行，定期檢測(cè)瓦斯壓力觀測(cè)鉆孔瓦斯壓力表的變化。統(tǒng)計(jì)相關(guān)記錄資料，發(fā)現(xiàn)1#鉆孔和2#鉆孔的壓力變化不明顯，3#、4#、5#和6#觀測(cè)鉆孔瓦斯壓力均有可觀測(cè)到的變化。分析后認(rèn)為，此2個(gè)鉆孔距離抽采孔11 m以上，在抽采鉆孔有效影響半徑之外，所以在整個(gè)抽采有效時(shí)間內(nèi)，此鉆孔瓦斯壓力變化不明顯。分析整理和記錄抽采期間前30 d的觀測(cè)鉆孔瓦斯壓力變化，檢測(cè)到3#～6#鉆孔壓力值變化結(jié)果如圖6(a) 、圖6(b)、 圖6(c)和圖6(d)中所示。

(a) 3#鉆孔瓦斯壓力變化圖 (b) 4#鉆孔瓦斯壓力變化圖

(c) 5#鉆孔瓦斯壓力變化圖 (d) 6#鉆孔瓦斯壓力變化圖

綜合分析，抽采后3#鉆孔內(nèi)瓦斯壓力由1.42 MPa下降到1.30 MPa。4#鉆孔內(nèi)的瓦斯壓力由0.18 MPa下降到0.14 MPa；5#鉆孔的瓦斯壓力由0.93 MPa下跌到0.72 MPa，壓力下降明顯。6#鉆孔下降程度一般，由1.49 MPa下降到1.42 MPa。由以上分析可知，由于6#鉆孔與5#鉆孔相比，瓦斯壓力變化值小，因此6#鉆孔瓦斯抽采對(duì)其影響較小，故認(rèn)為不在有效影響半徑之內(nèi)，因此認(rèn)為6375工作面注水對(duì)瓦斯抽采影響的有效半徑約為8 m，與注水前抽采半徑為5.3 m相比有效抽采半徑提高約為1.5倍。有效抽采半徑的增加，說(shuō)明6375工作面注水壓裂試驗(yàn)對(duì)該工作面煤層透氣性提高較為明顯。

3 結(jié)論

高壓水力壓裂增透由開(kāi)始到裂隙貫穿的過(guò)程主要分為5個(gè)過(guò)程：

(1)當(dāng)注水壓力在0～11 MPa時(shí)，裂隙基本沒(méi)有起裂，只是簡(jiǎn)單地將水充滿裂隙空間，煤體所發(fā)生的形變不足以使裂隙得到剪切而發(fā)育。

(2)當(dāng)注水壓力在11～12 MPa時(shí)，由于煤體彈性形變進(jìn)一步增大，破壞了一些薄弱面的平衡，在這些面上發(fā)生應(yīng)力集中，裂隙得到初步發(fā)育，起裂裂隙產(chǎn)生。

(3)當(dāng)注水壓力在12～14 MPa范圍內(nèi)時(shí)，煤體裂隙空間的端部無(wú)法維持應(yīng)力平衡，發(fā)生應(yīng)力失穩(wěn)，裂隙第2次得到發(fā)育，發(fā)育程度較為明顯。

(4)當(dāng)注水壓力在14 MPa時(shí)，裂隙端部再次失穩(wěn)，裂隙第3次發(fā)育并和其它裂隙貫穿，此時(shí)裂隙發(fā)育程度較高，滲透率較大。

(5)當(dāng)注水壓力超過(guò)14 MPa時(shí)，裂隙隨注水壓力增大，裂隙發(fā)育范圍更加明顯。

當(dāng)水壓為20～35 MPa時(shí)，壓裂影響范圍為15～30 m，且在11～15 m范圍內(nèi)壓裂效果明顯。通過(guò)對(duì)抽采鉆孔進(jìn)行測(cè)壓試驗(yàn)，確定注水后6375工作面瓦斯抽采有效半徑約為8 m。與注水前抽采半徑為5.3 m相比，有效抽采半徑提高到1.5倍，水力壓裂效果顯著。

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Simulation Analysis of Technical Parameters of Coal Seam Water Injection Fracturing Anti-reflection in Lyujiatuo Coal Mine

AN Xue-mei1, NIU Bao-yun2, MENG Fan-chun3

(1.North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063000, China; 2. Tangshan College, Tangshan Hebei 063000, China 063000; 3. Lyujiatuo Mining Branch, Kailuan (Group) Co., LTD, Tangshan Hebei 063000, China)

coal seam water injection; fracturing antireflection; numerical simulation; gas extraction

Combined with Lyujiatuo Coal Mine coal seam occurrence, using numerical simulation software RFPA to analysis coal crack growth law in different mining conditions, determine the effective test seam water injection radius. Through simulation, Lu mine mining coal seam water injection in 15-21 MPa and 0-22 m in 7# face rock within clear pressure relief, undermines the integrity of the coal formed through cracks, provided channels for gas release. Field tests conducted in 6375 working face, generated in the predetermined area a good antireflection effect. Gas drainage effect increased significantly, thus ensuring a safe and efficient production. Achieve emission gas to eliminate the phenomenon of disallowed gas concentration, but also effectively reduces the face amount of dust, improving the working environment.

2095-2716(2017)01-0017-07

TD712+.623

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