夏 冬 楊天鴻 常 宏

(1.深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧沈陽110819;2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽110819;3.河北鋼鐵集團沙河中關(guān)鐵礦有限公司，河北沙河054100)

聲發(fā)射(acoustic emission，AE)是指材料或結(jié)構(gòu)在受力變形過程中以彈性波的形式釋放應(yīng)變能的現(xiàn)象［1］，也稱應(yīng)力波發(fā)射。聲發(fā)射是一種常見的物理現(xiàn)象，用聲發(fā)射監(jiān)測儀器及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)探測、記錄、分析聲發(fā)射信號和利用聲發(fā)射信號推斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)。聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)能實時監(jiān)測巖石材料內(nèi)部微裂紋的萌生和擴展，揭示材料的損傷破壞過程，這是其他試驗方法所不具備的特點，聲發(fā)射技術(shù)可應(yīng)用于巖石破壞現(xiàn)場監(jiān)測、預(yù)報以及巖石力學(xué)基礎(chǔ)試驗研究［2-11］。研究表明，每個聲發(fā)射信號都包含著巖石內(nèi)部損傷演化的豐富信息，通過對巖石聲發(fā)射信號的分析和研究，有助于揭示巖石內(nèi)部微裂紋的萌生、擴展和斷裂的演化規(guī)律［12-23］。聲發(fā)射可廣泛應(yīng)用于巖石類材料微破裂機制、原巖地應(yīng)力測量、采場穩(wěn)定性監(jiān)測、地震序列、沖擊地壓預(yù)測以及巖體穩(wěn)定性監(jiān)測預(yù)報等領(lǐng)域的研究［24-32］。

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，國家對礦產(chǎn)資源的需求量日益增大，而易于開采的資源已開采殆盡，為實現(xiàn)采礦業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，對強滲流條件下的礦體開采已陸續(xù)展開［33］。強滲流條件下的煤巖體賦存于一定的地下水環(huán)境中，并常處于含水狀態(tài)，水的存在對煤巖體的力學(xué)性質(zhì)及其穩(wěn)定性起到了弱化作用［34-36］。

巖土工程在施工及運營期間，經(jīng)常會遇到地下水和載荷的共同作用，巖體在地下水和載荷作用下的力學(xué)性能是影響巖土工程長期穩(wěn)定性的重要因素之一。關(guān)于水對煤巖體力學(xué)特性及聲發(fā)射特征的影響，許多學(xué)者做了大量的研究工作，并取得了大量的研究成果［37-50］。本文將對不同應(yīng)力路徑下含水煤巖體的力學(xué)特性和聲發(fā)射特征進行綜述，并對其研究應(yīng)用前景進行展望。

1 聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)發(fā)展概況

20世紀(jì)50年代德國科學(xué)家Kaiser首次對金屬中的聲發(fā)射現(xiàn)象進行了科學(xué)而系統(tǒng)的研究，其成果為聲發(fā)射的研究奠定了基礎(chǔ)。L.Obert和 W.I.Duvall［51］最早發(fā)現(xiàn)巖石結(jié)構(gòu)在受壓過程中有聲發(fā)射活動存在。1960年，Dunegan等通過提高聲發(fā)射的實驗頻率和采用窄帶濾波的方法消除了機械背景噪音，為聲發(fā)射技術(shù)由實驗階段進入實用階段做好了鋪墊。聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)的研究進入現(xiàn)場應(yīng)用新階段的標(biāo)志是1964年美國成功將聲發(fā)射技術(shù)用于導(dǎo)彈殼體結(jié)構(gòu)的完整性檢測。從1968年起，商業(yè)化的聲發(fā)射監(jiān)測設(shè)備逐漸在世界范圍內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。20世紀(jì)70年代，美日歐等國家在聲發(fā)射源、聲發(fā)射波的傳播以及確定聲發(fā)射與斷裂機制的關(guān)系等方面的研究取得了長足的進步。20世紀(jì)80年代以來，隨著微處理器、高速A/D轉(zhuǎn)換和信號處理技術(shù)的發(fā)展，聲發(fā)射技術(shù)在基礎(chǔ)性實驗、儀器研制和信號處理等方面取得了突飛猛進的發(fā)展，該技術(shù)逐漸進入理論研究與工程應(yīng)用全面發(fā)展階段，并在材料研究及無損檢測中扮演著越來越重要的角色。近年來，隨著信號采集與分析技術(shù)的進步，以及小波分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法的引入，進一步推動了聲發(fā)射技術(shù)向縱深方向的發(fā)展。

我國聲發(fā)射技術(shù)是在引進、消化、吸收國外先進技術(shù)并緊密結(jié)合工程應(yīng)用實際的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。20世紀(jì)70年代初我國開始引進聲發(fā)射技術(shù)，其目的是為了進行斷裂力學(xué)難點裂紋開裂點預(yù)報和測量研究。20世紀(jì)80年代初，我國開始將聲發(fā)射檢測技術(shù)應(yīng)用于飛機、復(fù)合材料、金屬材料、壓力容器和巖石等領(lǐng)域的檢測和應(yīng)用。20世紀(jì)80年代中期，從美國物理聲學(xué)公司PAC(Physical Acoustic Corporation)引進聲發(fā)射監(jiān)測設(shè)備，使我國聲發(fā)射技術(shù)水平得到了提高。20世紀(jì)90年代至今，我國聲發(fā)射技術(shù)的研究和應(yīng)用進入快速發(fā)展階段，聲發(fā)射技術(shù)被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、材料試驗、金屬加工、電力工業(yè)、民用工程、交通運輸、土木和礦山工程等諸多領(lǐng)域并取得顯著的成效［52］。由于聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)是一種在線、高效、經(jīng)濟的檢測方法，因而具有廣泛的應(yīng)用前景。

2 不同應(yīng)力路徑下含水煤巖聲發(fā)射特征

2.1 單軸載荷作用

2.1.1 單軸壓縮載荷作用

國內(nèi)外許多學(xué)者對煤巖在單軸壓縮損傷破壞過程中的力學(xué)特性和聲發(fā)射特征等方面進行了大量的基礎(chǔ)性研究工作，并取得了大量的研究成果［53-61］。這些研究成果增強了人們對煤巖聲發(fā)射特性的認識，促進了聲發(fā)射技術(shù)在煤巖體穩(wěn)定性方面的應(yīng)用，但關(guān)于含水煤巖損傷破壞過程中聲發(fā)射特征方面的研究相對較少。因此開展含水煤巖單軸受壓損傷破壞過程中聲發(fā)射特征研究，有助于進一步認識含水煤巖損傷破壞機理。

關(guān)于水對煤巖單軸抗壓強度及聲發(fā)射特征影響的研究，唐書恒等［37］進行了飽和含水煤巖的單軸壓縮破裂聲發(fā)射試驗，用以模擬研究煤儲層的壓裂特征，并將煤巖壓裂過程分為迸裂型、破裂型和穩(wěn)定型。秦虎等［39］以晉城煤業(yè)集團趙莊礦的無煙煤為研究對象，對不同含水率煤樣受壓變形破壞過程中聲發(fā)射特征進行了試驗研究，結(jié)果表明含水率的不同對煤樣的力學(xué)特性和聲發(fā)射特征產(chǎn)生明顯差異，含水率的增加使得煤樣的單軸抗壓強度及聲發(fā)射累積數(shù)減少，同時使產(chǎn)生聲發(fā)射的時間滯后，且在不同的變形階段，聲發(fā)射的變化規(guī)律不同。文圣勇等［40］對4種不同含水率紅砂巖進行了單軸壓縮條件下的聲發(fā)射試驗，結(jié)果表明:水對砂巖的力學(xué)特性和聲發(fā)射特征具有較大的影響，各試件所得聲發(fā)射振鈴數(shù)曲線在形狀上基本相似，但隨含水量的增加，砂巖聲發(fā)射振鈴數(shù)越少且時間越滯后。陳結(jié)等［41］為研究鹽穴能源地下儲庫建造過程中腔體圍巖在鹵水、地溫和地應(yīng)力共同作用下的損傷演化特點，應(yīng)用聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)對不同溫度的飽和鹵水作用后的巖鹽進行單軸壓縮損傷演化規(guī)律進行分析，結(jié)果表明在一定溫度的飽和鹵水中浸泡30 d后巖鹽的彈性模量和單軸抗壓強度有所降低，單軸壓縮過程中巖鹽的聲發(fā)射－應(yīng)變曲線與應(yīng)力－應(yīng)變曲線具有較好的一致性，隨鹵水溫度的升高浸泡后巖鹽的聲發(fā)射累積數(shù)有所增加且無鹵水作用巖鹽的聲發(fā)射累積數(shù)大于鹵水作用后巖鹽的聲發(fā)射累積數(shù)。童敏明等［42］為確定不同應(yīng)力速率下含水煤巖聲發(fā)射的頻譜特征和變化趨勢，對不同應(yīng)力速率下含水煤巖聲發(fā)射信號特性進行了研究，結(jié)果表明含水率對煤巖的聲發(fā)射特性具有一定程度的影響，具體表現(xiàn)為含水量小的煤巖較含水量大的聲發(fā)射強度略高，研究成果為預(yù)測煤巖災(zāi)害現(xiàn)象提供了準(zhǔn)確的依據(jù)。張艷博等［43］通過對含水砂巖進行單軸加載聲發(fā)射試驗，獲取聲發(fā)射信號，對整個加載過程中聲發(fā)射信號進行FFT變換，采用頻譜分析和Welch算法對含水砂巖破裂失穩(wěn)過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號進行研究，得到聲發(fā)射信號的相關(guān)特征在巖石破裂過程中的變化，為分析巖石破裂全過程的聲發(fā)射特性提供了一條新的思路，也為聲發(fā)射應(yīng)用于巖石破裂失穩(wěn)預(yù)報奠定了一定的工作基礎(chǔ)。

2.1.2 循環(huán)載荷作用

國內(nèi)外很多學(xué)者對煤巖的疲勞損傷和聲發(fā)射特性進行了研究，如許江等［62-63］對循環(huán)載荷作用下砂巖聲發(fā)射規(guī)律展開了大量的試驗研究，結(jié)果表明巖石在低周期載荷作用下會出現(xiàn)明顯的Felicity效應(yīng)且周期載荷作用下巖石在卸荷過程中也產(chǎn)生明顯的聲發(fā)射信號。任松等［64］基于聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)，通過改變恒幅荷載條件下的上、下限應(yīng)力以及加載速率等試驗條件，對巖鹽的疲勞損傷特征進行試驗研究，研究成果對巖鹽地下儲氣庫的安全運行具有實際意義。紀(jì)洪廣等［65］對巖石試件在不同應(yīng)力水平和應(yīng)力狀態(tài)下受到加載－卸載擾動時的聲發(fā)射特征進行了試驗研究，研究結(jié)果為分析不同應(yīng)力水平和不同應(yīng)力狀態(tài)作用下巖體聲發(fā)射特征的變異性，為根據(jù)聲發(fā)射信號特征進行巖體穩(wěn)定性評價提供依據(jù)和參考。王者超等［66］通過花崗巖三軸循環(huán)載荷試驗，系統(tǒng)地研究了花崗巖的疲勞力學(xué)特性，提出了花崗巖疲勞力學(xué)模型。J Q Xiao等［67］研究了不同循環(huán)荷載水平下?lián)p傷變量演化規(guī)律。E L Liu等［68］分析了循環(huán)加卸載時圍巖對巖石動力特性的影響。張暉輝等［69］基于加卸載響應(yīng)比理論和能量加速釋放理論，在三軸應(yīng)力條件下進行了大尺度巖石破壞的聲發(fā)射試驗，將能量加速釋放和加卸載響應(yīng)比劇增作為巖石破壞前兆，研究成果為預(yù)測地震提供了試驗依據(jù)。

巖土工程在施工及運營期間，經(jīng)常會遇到地下水和循環(huán)載荷的共同作用，巖體在地下水和循環(huán)載荷作用下的力學(xué)性能是影響巖土工程長期穩(wěn)定性的重要因素之一。關(guān)于巖石在地下水和循環(huán)加卸載共同作用下的力學(xué)特性、變形特性及聲發(fā)射特性，目前國內(nèi)外學(xué)者在這方面的研究成果相對較少。通過單軸循環(huán)加卸載試驗，分析巖石在水和循環(huán)載荷共同作用下的強度、變形及聲發(fā)射變化特征，為研究不同含水狀態(tài)下巖石破裂失穩(wěn)機理提供參考。

2.2 三軸載荷作用

巖石作為一種典型的非連續(xù)、非均質(zhì)、各向異性的地質(zhì)材料，通常處于三向應(yīng)力場中，同時，其強度和變形特性是理論計算和工程設(shè)計的基礎(chǔ)，因此研究巖石在三向應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)特性、聲發(fā)射特征及變形特征對于隧道工程、采礦工程和邊坡工程等具有重要意義［70］。許多學(xué)者對煤巖在三軸應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)特性和聲發(fā)射特征進行了試驗研究并取得了大量的研究成果。肖福坤等［71］以曾經(jīng)發(fā)生過煤與瓦斯突出事故且依然存在突出危險的煤樣為研究對象，對含煤瓦斯煤樣進行不同瓦斯壓力、飽和瓦斯和不同圍壓條件下的三軸壓縮聲發(fā)射試驗，探究含煤瓦斯失穩(wěn)破壞與聲發(fā)射之間的關(guān)系。艾婷等［72］以大同煤業(yè)集團塔山礦8105工作面的煤樣為研究對象，對不同圍壓下煤巖破裂過程中聲發(fā)射時空演化規(guī)律進行了試驗研究，通過分析煤巖在不同圍壓下聲發(fā)射的時序特征、能量釋放與空間演化規(guī)律，探討了煤巖破裂過程中的損傷演化特征。蘇承東等［73］對義馬曹窯煤礦頂板砂巖進行了單軸壓縮、常規(guī)三軸和三軸卸圍壓力學(xué)試驗及聲發(fā)射試驗，分析了不同加載方式下巖樣損傷破壞過程中的力學(xué)特性和聲發(fā)射特征，研究結(jié)果對進一步揭示煤層上覆頂板巖層周期性斷裂前后沖擊動力災(zāi)害的預(yù)測預(yù)報具有參考價值。陳景濤等［74-75］對巖石三軸壓縮過程中變形及聲發(fā)射特征進行了物理試驗和數(shù)值試驗，分析了圍巖對巖石變形特性和聲發(fā)射特征的影響，結(jié)果表明巖石的力學(xué)特性和聲發(fā)射特征與圍壓密切相關(guān)。紀(jì)洪廣等［76］采用三軸壓縮試驗和聲發(fā)射試驗，對玲瓏金礦二長花崗巖進行三軸加卸載聲發(fā)射試驗，研究巖聲發(fā)射特征與力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系，進一步加深了對巖石破裂過程及機制的認識。Alkan等［77］對德國阿瑟鹽礦巖鹽的膨脹臨界值進行三軸加載條件下的力學(xué)試驗和聲發(fā)射試驗，研究表明巖鹽的膨脹臨界值與晶粒大小、孔隙壓力、加載速率和裂隙維度均具有一定的關(guān)系。李玉壽等［44］對煤在三軸及孔隙水壓作用下的變形和聲發(fā)射特性進行了試驗研究，結(jié)果表明隨孔隙水壓力的增大，煤樣變形破壞過程中釋放的聲發(fā)射能量逐漸減少。

上述關(guān)于煤巖在三軸應(yīng)力作用下的力學(xué)特性和聲發(fā)射特征的理論和試驗研究，增強了人們對煤巖聲發(fā)射特征的認識，促進了聲發(fā)射技術(shù)的進步及在工程中的應(yīng)用，但關(guān)于含水煤巖在反復(fù)加卸載過程中的聲發(fā)射特征的試驗研究國內(nèi)外還不多見。有鑒于此，在以往研究成果的基礎(chǔ)上，開展含水煤巖真三軸加載過程中的聲發(fā)射試驗，有助于進一步了解煤巖體的聲發(fā)射特征。

2.3 剪切載荷作用

考慮到礦山，水利、建筑、交通等工程領(lǐng)域中涉及到巖土體在荷載作用下的強度及穩(wěn)定性等問題，結(jié)合聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)開展剪切載荷作用下煤巖裂紋的開裂、擴展以及貫通的演化規(guī)律有著十分重要的理論意義和工程實用價值。關(guān)于煤巖在剪切荷載作用下的聲發(fā)射特征的研究，國內(nèi)外學(xué)者做了一些相關(guān)的研究工作，I Tsuyoshii等［78］運用聲發(fā)射技術(shù)對巖石直剪過程中裂紋的開裂情況進行了研究，結(jié)果表明，聲發(fā)射有較高的精度來檢測直剪過程中的裂紋的開裂情況。李西蒙等［79］進行了型煤試塊的壓剪破壞聲發(fā)射試驗，研究了壓剪條件下型煤的聲發(fā)射特征，研究成果為采動影響下煤巖體和巷道的壓剪破壞預(yù)測預(yù)報提供了一定的試驗依據(jù)。聶百勝等［80］對煤體剪切破壞過程中電磁輻射和聲發(fā)射特征進行了試驗研究，發(fā)現(xiàn)媒體剪切破壞過程中聲發(fā)射和電磁輻射有兩種類型，試驗結(jié)果與煤與瓦斯突出、沖擊地壓等動力災(zāi)害的現(xiàn)場較為吻合。周小平等［81］對巖石結(jié)構(gòu)面直剪過程中的聲發(fā)射特性進行了試驗研究，得出聲發(fā)射事件數(shù)和能率都與結(jié)構(gòu)面的粗糙程度有關(guān)，發(fā)現(xiàn)用能率這一系數(shù)更容易判別巖石變形與破壞各階段。許江等［82-83］采用自主研發(fā)的煤巖細觀剪切試驗裝置，開展了不同剪切速率條件下砂巖的細觀破壞與聲發(fā)射特性試驗研究，選取聲發(fā)射振鈴累積數(shù)和聲發(fā)射振鈴計數(shù)率作為聲發(fā)射特征參數(shù)，探討巖石在剪切破壞過程中的破壞形式與聲發(fā)射之間的關(guān)系，結(jié)果表明，砂巖試件在不同加載速率條件下破壞過程中剪應(yīng)力隨時間變化趨于一致。

上述研究成果大多基于天然或干燥狀態(tài)的試件而言，而實際的巖體工程總處于一定的地下水環(huán)境中，關(guān)于含水巖石剪切過程中的聲發(fā)射試驗研究成果相對較少，因此，開展含水煤巖拉剪切壞過程中的聲發(fā)射時空演化特征，有助于進一步揭示巖體工程在剪切載荷作用下的失穩(wěn)機理。在國內(nèi)，許江等［38］利用聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)，對飽和度分別為 0%、50%、和100%3種含水狀態(tài)下砂巖剪切破壞過程中的聲發(fā)射特性進行了試驗研究，探討了剪切荷載作用下砂巖內(nèi)部裂紋開裂、擴展過程與聲發(fā)射特性之間的內(nèi)在關(guān)系，結(jié)果表明，隨含水量的增加，聲發(fā)射劇增點出現(xiàn)的時間相應(yīng)提前，在各含水狀態(tài)下，聲發(fā)射事件率峰值出現(xiàn)時間總是滯后于剪應(yīng)力達到峰值的時間。

2.4 拉伸載荷作用

煤巖抗拉強度的測試方法有間接法和直接法，間接法常用的方法為巴西劈裂試驗。巴西劈裂試驗用于測試巖石類材料的抗拉強度已有近50年的歷史，此方法最早用于測定巖石等脆性材料的抗拉強度，此后一些學(xué)者提出可以用該試驗測定巖石的彈性模量和斷裂韌度等指標(biāo)［84-87］。基于聲發(fā)射監(jiān)測巴西盤試樣破壞過程的研究，趙興東等［88］應(yīng)用聲發(fā)射及蓋格爾定位算法，研究了不同巴西盤巖樣加載破裂失穩(wěn)過程。付軍輝等［90］對煤巴西劈裂全過程中的聲發(fā)射特征進行了研究。羅鵬輝等［91］對云南南坡銅礦3種砂巖進行了巴西劈裂的聲發(fā)射特性試驗，結(jié)果表明不同種類巖石的聲發(fā)射特性具有較大的差異。謝強等［91］驗證了粗?；◢弾r在劈裂試驗條件下kaiser效應(yīng)的存在。巴西劈裂法雖被廣泛應(yīng)用于巖石抗拉力學(xué)特性的研究中，但有研究［92-94］指出，此方法并不能真實地反映巖石的抗拉強度。故有學(xué)者采用直接拉伸方法對巖石的抗拉力學(xué)性能和聲發(fā)射特征進行了研究，彭瑞東等［95］對砂巖拉伸過程中的能量耗散與損傷演化進行了分析。余賢斌等［96］采用自行研制的巖石直接拉伸試驗裝置，對砂巖直進行直接拉伸作用下的聲發(fā)射試驗。梁正召等［97］基于三維數(shù)值模擬研究了巖石直接拉伸破壞過程中的變形及分形特征。包春燕等［98］對單軸拉伸作用下層狀巖石表面裂紋的形成模式及其機制進行了研究。張澤天等［99］對煤在直接拉伸過程中的力學(xué)特性及聲發(fā)射特征進行了試驗研究。

上述研究成果多集中于天然及干燥巖石試件，而關(guān)于含水巖石拉伸過程中的力學(xué)特性及聲發(fā)射特征的研究成果相對較少，開展含水煤巖拉伸破壞過程中的聲發(fā)射時空演化特征，有助于進一步揭示巖體工程的失穩(wěn)機理。

3 含水煤巖聲發(fā)射試驗的發(fā)展趨勢

(1)聲發(fā)射監(jiān)測是一種無損檢測技術(shù)，對聲發(fā)射信號的研究有助于揭示含水煤巖內(nèi)部微裂紋的萌生、擴展和斷裂的演化規(guī)律，通過對聲發(fā)射信號的研究，可以推斷含水煤巖內(nèi)部性態(tài)變化、反演含水煤巖的破壞機制，對進一步認識巖石的破壞機理以及巖石破壞的前兆判據(jù)、分析巖石破裂失穩(wěn)機制十分有意義。

(2)水巖相互作用對巖石劣化的效應(yīng)是多場耦合作用的綜合結(jié)果，隨著試驗手段和試驗方法的進一步發(fā)展，含水煤巖聲發(fā)射有向真三軸、多場耦合方向發(fā)展的趨勢。如何將聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)引入相關(guān)理論(如損傷力學(xué)、化學(xué)動力學(xué)、孔隙介質(zhì)流體動力學(xué)等)對巖石劣化的效應(yīng)進行定量分析，實現(xiàn)多場耦合作用下的本構(gòu)關(guān)系建立和識別以及數(shù)值模擬方法的確定等工作十分重要，尚有待完善。

(3)在實驗室條件下，由于實驗設(shè)備及周圍環(huán)境噪聲的影響，無法保證煤巖損傷破壞過程中聲發(fā)射信號的精度和準(zhǔn)確性，而采用數(shù)值模擬的方法則不會出現(xiàn)上述問題。隨著數(shù)值模擬軟件的完善及并行技術(shù)的快速發(fā)展，運用數(shù)值模擬軟件，對煤巖試件進行聲發(fā)射數(shù)值試驗，將模擬結(jié)果與物理試驗結(jié)果進行對比分析，能夠加深對煤巖損傷破壞過程及其聲發(fā)射時空特性的認識。

(4)含水煤巖聲發(fā)射試驗研究的最終目的是要為工程服務(wù)，為工程巖體穩(wěn)定性的預(yù)測預(yù)報提供試驗依據(jù)，如何將聲發(fā)射參數(shù)反映到設(shè)計參數(shù)中，有待巖土工程相關(guān)學(xué)科的共同努力。

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