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文档简介

采空区的勘察设计

与治理技术总论

采空区是指地下矿产被采出后留下的空洞区,

按矿产被开采的时间,可分为

老采空区、现采空区和未来采空区。

矿体被采出后,自顶板岩层向上形成三带”——垮落带、导水裂隙带和弯曲带。地表沉陷,产生连续或非连续变形,由此带来一系列环境岩土工程问题,如平地积水、道路裂缝、房屋倒塌、耕地减少、农田减产等,给矿区工程建设留下很大隐患。煤层采空区塌陷垂直“三带”示意采空区采空程度分类及其特征根据采空程度分为小型采空区大面积采空区小型采空分类表小型采空的地表变形类型及特征地表变形类型为地表塌陷和开裂。小型采空范围狭窄,多呈巷道式,地表不会产生移动盆地,但由于开采深度浅,又任其自由坍落,地面变化剧烈。地表裂缝的分布常与开采工作面方向平行,且随开采工作面的推进而不断向前发展。除极浅的采空外,裂缝一般上宽下窄,无显著位移。大型采空变形和特征大型采空区的变形主要是在地表形成移动盆地。即位于采空区上方,当地下采空后,随之产生地表变形,开始形成凹地,随着采空区不断扩大,凹地不断发展,形成凹陷盆地,此盆地称为移动盆地。根据地表变形值的大小和变形特征,自移动盆地中心向边缘在水平上可分为三个区:均匀下沉区:(中间区)即移动盆地的中心平底部分。移动区:又称内边缘区或危险变形区,区内变形不均匀,对建筑物破坏作用较大。轻微变形区:外边缘区,地表变形值较小,一般对建筑物不起损坏作用,以地表下沉值10mm为标准,来划分其外围边界。从垂直方向上讲,地下矿层大面积采空后,矿层上部失去支撑,平衡条件被破坏,采空区上方岩体随之变形。采空区上方岩体的变形,总的过程是自下而上逐渐发展的漏斗状沉落,其变形情况可分为三个带:①冒落带(崩落带),采空区顶板破碎坍落形成,其厚度一般为采矿厚度的3~4倍。②裂隙带(破裂弯曲带)处于冒落带之上,并产生较大的弯曲和变形,其厚度一般取采矿厚度的12~18倍(从矿层顶板向上的厚度)。③弯曲带(不破裂弯曲带)裂隙带顶面至地面的厚度。上述三个分带适于水平状岩层,根据采空区大小、采矿厚度和开采深度的不同,上述三个带不一定同时存在。一、采空区勘察及稳定性分析技术采空区的勘察方法采空区的探测,目前,国内外主要是以采矿情况调查、工程钻探、地球物理勘探为主,辅以变形观测、水文试验等。采空区勘察技术方法选择总结以往工作经验,在多种多样的勘察技术中,工程地质调查、采矿调查是采空区勘察工作的基础,已往的采空区勘察忽视这方面工作或对此重视不够,往往使物探和钻探工作陷入盲目状态。应进行详细的工程地质调查、采矿调查,大概确定采空区部位及范围,然后根据测区地形、地质、地球物理条件,结合高速公路勘察工作三个阶段的要求,有目的的选用几种物探方法进行探测;再根据调查及物探结果布设钻孔进行验证;最后综合分析地质、物探和钻探资料,圈定采空区范围、形态,经济准确地查清沿线的采空区分布及赋存状况。稳定性分析评价主要是通过计算地基承载力、剩余地表变形量及残留空洞的稳定性、地表破坏范围等来进行。矿山开采沉陷的预计理论及方法较多,主要有:基于实测资料的经验公式法,在我国广为使用的有负指数函数法、典型曲线法等。在我国广泛使用的概率积分法。采空区稳定性分析评价方法采空区勘察范围及深度采空区勘察范围目前,国内采空区勘察工作中确定勘察范围主要以采空区地表移动盆地分布范围为准。采空区勘察深度一般要求至少深入采空区底板若干米,根据工程实践,一般深入采空区底板2米以上。采空区勘察一般流程采空区勘察技术1、搜集资料大面积采空区以资料为主。(1)搜集各种地质图及区域地质资料,借以了解地层构成,产状和构造以及水文地质条件等。(2)搜集矿床分布图,以了解矿床分布范围、层次、开采深度、厚度及埋藏特征和上覆岩层的岩性、构造等。(3)搜集巷道图、采矿图、远景规划图,以了解采空区的位置、开采历史、计划、开采方法、开采边界、顶板处置管理方法、工作推进方向和速度、巷道平面展布方向、断面尺寸及相应的地表位置、顶板的稳定情况、塌落、支撑回填、积水清况、洞壁完整性和稳定程度以及远景开采规划等。(4)搜集地表变形与有关变形的观测,计算资料,包括地表最大下沉值、最大倾斜值、最小曲率半径,陷坑、台阶、裂缝的位置,形状、大小、深度、延伸方向及其与地质构造、开采边界、工作面推进方向等的关系。采空区调查表2、调查访问利用区域地质资料分析、实地调查、访问知情人或群访为主要手段,调查内容如下:(1)矿区的分布范围,矿层的开采范围、深度、层数。(2)开采方法和顶板管理,巷道宽度、高度、延伸方向,采空区的塌落情况。(3)采空区开采历史及规划发展情况。(4)采空区地下水发育情况,排水、抽水情况及对采空区稳定的影响。(5)建筑物变形情况和防治措施。(6)有条件时,可进行实地测量。3、地质友调绘(1)地层骗层序、益岩性、逼地质构渡造、矿豆层的分格布范围见、开采靠深度、景厚度等户。(2)不良地撑质现象的境类型,分津布位置与界规模。(3)地下水醒水位变化渣幅度,了镜解采空区恨附近工农孤业抽水和野水利工程疏建设情况监及其对采悲空区稳定朴的影响。(4)地表变纵形情况,四塌陷、裂寸缝、台阶嘱的分布位以置,形状瘦、大小,份深度,延裤伸方向,爬发生时间脉,发展速备度以及它帅们与采空董区、岩层箱产状主要嗽节理、断应层、开采月边界、工图作面推进橡方向等的躬相互关系牛,移动盆哀地的特征荷、边界。(5)建筑物贿变形情况果,变形的迫类型(倾帜斜、下沉沸、开裂)再,发生的由时间,发影展速度,槐裂缝分布碗规律、延科伸方向、睁形状大小艇,建筑物走结构类型拿,所处位段置及长轴劈燕方向与采说空区地质蚕构造、开院采边界、辣工作面推携进方向的昌相互关系雁及地基加黑固处理经上验教训。(6)有害气黄体的类型旋,分布特厦征,压力硬及危害程食度。4、勘察与测阵试(1)综合避物探。采用电河法、地昂震、地博质雷达捕,必要刘时进行屋综合测凶井等综罩合物探顶手段,大其方法慰可参考掏下表。采空区歌物探测索线布置辱应根据梢:线路刮纵、横乞断面方梅向,并歉结合工生程性质亡,采空辛区的埋树深、延耻伸方向炮进行布碑置,以乡丰查明采淘空区的郊范围、荣埋深、程采空区抛的空间甘大小、留上覆岩脆、土层统厚度。采用物探间方法参照潮表(2)触探榆。有条篮件时也演可以采柜用,如侵埋深较索浅、覆浩盖层为阀土层等栋。(3)钻探退与测试①钻探哭。根据搜集佩的图纸资疯料、调查钻测绘以及着物探的成匀果资料,幅综合分析命,确定钻挣孔的数量披及深度,赵以进一步华验证物探帝结果,得储以相互补樱充和验证铸,钻孔深尘度应钻至他最低层洞就底地层以配下不少于2米。布群孔应结腥合工程售和坑洞突展布情粒况以及苦物探异任常点,究经综合芽分析研缩慧究后进馒行布置钢。②测试(a)对上覆不四同性质的印岩、土层目,应分别贱取代表性蠢试样进行锻物理力学湖性质试验留,提供稳片定性检算障及工程设抽计所需参膛数。(b)分别取肌地表水讯及地下捐水样作文水质分尿析。(c)对煤层疲或可能躲储气部灰位,必娱要时进竹行有害嚼气体含轨量及压杠力的现语场测试贡。5、地表变形音的观测线路通过乌大面积采饥空区,当星缺乏资料遗且勘探难腥以查明采区空区的基拒本特征时征,应进行声定位观测甜,直接查笨明地表变感化特征,宁变化规律葱和发展趋巾势。(1)观测圈线宜平鹿行或垂绸直矿层椅走向成巨直线布梁置,其批长度应是超过移晋动盆地初的预计产变形范叶围,走坚向观测宝线(即偶观测线盆平行矿脑层走向溪),应促有一条它测线通械过预计岁最大下锹沉值的猪位置;挠倾向观仅测线(萌即观测汇线垂直驼矿层走付向)不觉宜少于2条。方法是皆先确定仗矿层走淋向,然摔后根据蚁矿区已饮有的地兵表移动为资料,探确定走踏向观测泻线和倾踏向观测撒线。且遗观测线贤上的观喘测点间蒸距应大雄致相等急。定位观割测点间宋距(2)观测胜周期t可根据固地表变形形速度湖和开采寒深度公鞠式计算,哗或根据胶下表确踩定。公式中t—观测周唇期(月昌)k—系数(一冻般为2~3)n—水准测蒜量平均帆误差(mm)S—地表变遇形的月蹈下沉量醉(mm/月)观测周末期表(3)在观测垂地表变形庸的同时,税应观测地俭表裂缝、召陷坑、台茧阶的发展和建给筑物的变灰形情况。(4)观测资听料的整理腰:①绘制下越沉曲线图瞎,下沉等锤值线图,呆水平变形业分布图。②根据然有关变表形值,量划分地浙表变形席区的范陶围。如喜根据建情筑物对地表变形犯区的容许廉极限值,接确定移动盆区范围(坏内边缘区拿),根据健地表下沉10m以m的下沉值敢,确定轻化微变形区胆,即移动燥盆地的范忠围。③计算盆伸地内有关颗地点的地假表下沉值进、倾斜值还、曲率、射水平移动值和水记平变形值盲。④对正在帝开采和将茶来开采的冈采空区,渣应预算其岔最大变形牧,(最大下沉岂值、最养大倾斜之值、最宜大曲率子、最大拾水平移鞠动值和忧最大水挖平变形云值)对介缓倾岩纸层或地冬表变形约平缓连肢续时,湿可按2.2.衫7条有关方恨法计算最拍大变形值屠。⑤原始测递量记录。6、地表移摄动和变形壶的预测地表变夏形分为枣:两种移颤动和三蚁种变形那。两种移议动为垂暗直移动工(下沉腊)和水骑平移动箱。三种变形视为倾斜变失形,弯曲瓜(曲率)身和水平变篮形(伸张逆或压缩)票。国内通用锈的预测计怠算方法为遇概率积分冰法。(1)地表最寺大下沉值①首束次采动穿时,充赚分采动晴情况下牺的最大有下沉值乔计算:Wmax像=η.mCosα其中:Wma创x—最大下寻沉值(mm乒)m—矿层的真顷厚度(m)α—矿层倾武角(º)η—下沉系它数(mm瓦/m)逮(见下表)下沉系驰数参数傅值表(2)地表最护大倾斜、半最大曲率昨、最大水弯平移动和尿变形的预梁测地表最大椅下沉速度岁按公式计认算采空区参稳定性眠分区划分原某则根据采空兴区地表变面形的评价减标准,综心合考虑以迟下因素的垫影响:(1)采空区久自身顶板六、煤柱及烘底板的稳虽定性;(2)采矿地凤质条件等喉;(3)特殊构安筑物的要许求,如桥赴梁等;(4)地表变太形计算分辞析成果。按采空唤区残余轻沉降量范大小将拍采空区核划分为租三个区崭:(1)稳定区(2)基本纲稳定区(3)不稳定汉区根据工响程性质焦的不同库,分区本参数亦唤不同,漂取值时今应按具订体工程酿性质的严要求而分定。稳定性那评价(亡以铁路柜工程为钳例)(1).下列地段荐不宜做为盘建筑场地①在开对采过程尾中可能铃出现非隆连续变修形地段祖(地表招产生台伤阶、裂语缝、塌喘陷坑等挺)。H/m<25~30(H/m为采深壁采厚比辟,以下咏同)或H/m>25~30,但地表拉覆盖层很浅薄且采用呈高落式等壳非正规开可采方法或鼻上覆岩层嘉受地质构蚊造破坏时蹦,地表将漆出现大的草裂缝或塌仰陷坑,易货出现非连椒续的地表百移动和变岂形。②处于腹地表移坐动活跃较地段。③特厚垂矿层和识倾角大灯于55º的厚矿层括露头地段盼(易造成杏矿层抽冒异)。④由于答地表移阴动和变搂形,可阳能引起万边坡失件稳和山抖崖崩塌肺的地段决。⑤地下水鼻位深度小铁于建筑物那可能下沉庄量与基础告埋深之和俩的地段。⑥地表倾贞斜大于10m碰m/m、地表水联平变形大霞于6mm/m,或地乐表曲率逼大于0.6m煤m/m2的地段贪。(2)下列地雨段作为建趣筑场地时扭,其适应丛性应专门膝研究。①采空区列采深采厚梁比H/m<30的地段机。②采深密小(H小于50m地段)孤,上覆棚岩层极窄坚硬,叠并采用龟非正规崭开采方猾法的采化空地段岛。③地表倾寸斜为3~10m致m/m,地表纪曲率为0.2~0.6m皆m/m2或地表香水平变跳形为2~6mm的地段。④老采正空区可丽能活化狸或有较微大残余呀影响的部地段(3)下列棒地段为蓄相对稳凤定区,米可以做荡为建筑镰场地①已达充参分采动,妈无重复开怨采可能的禽地表移动蓬盆地的中汪间区。②预计祝的地表帜变形值酿小于下铺列数值薪的地段涛:地表倾茶斜<3mm/颤m地表曲脾率<0.2掠mm/愧m2地表水平攻变形<2mm蓝/m采空区州勘察剩妥余空洞述体积计第算采空区的艳塌陷变形功对工程的影响按范围的确定采空区对工程横向的唯影响宽膊度,是阻以工程两侧为起果点,向两饮侧第四系哪松散沉积察层按移动项角θ°考剖虑,基岩秀走向方向惩移动角按厦δ°考虑性。采空区影井响工程的长度咳,是以敢采空区启范围和胞煤层上锻山、下做山方向举上影响划范围为汤界。图奇中,θ阁为第四要系松散烦层移动献角,β汤为基岩注上山方嫌向移动峡角,γ允为基岩叫下山方栽向移动国角。采空区壁横向影它响宽度朽计算示糟意图(以公拆路工程节为例)采空区界公路轴谱向影响镇长度计扇算示意土图(以公飞路工程价为例)剩余空揉洞体积蔽计算煤层被虽采后形全成的采顿空区经柔过冒落昌后,其比剩余空绩洞体积义估算方乳法为:截止目前栽剩余采空沉区的体积松(V):V=Va-ΔV式中:Va为采空青区总体等积,其你值为:Va=S×M×K式中:S为采空磁塌陷区价面积,M为煤层敲厚度,K为煤层既采取率凝。ΔV为截止丝式目前已苹经沉降路变形的谎冒落岩累石碎胀铁所充填辛体积。(1)建筑仗选址时大,以尽都量避开击采空区真为宜,暮尤其是监矿层急拣倾斜的垦矿区更丧应如此赛。采空区料处理一明般工程姥措施建谱议(2)在已欺有建筑甘物的地迅下开采根,或建慨筑物要胆通过正外开采的初矿区时久,常采迟取以下玻保护措扣施,防杏止地表断和建筑临物变形总。留设保护矿柱改变开采工艺勤,减小地共表下沉量赢。如:(a)采取即充填法塌处理顶换板,及猛时全部纽奉充填或去两次充界填,以减少地表下祝沉量。(b)减少开淋采厚度或医采用条带追法(房柱卖式)开采振,使地表变形值不超过斥建筑物的枕容许极限析值。(c)增大斗采空区究宽度,圾使地表纹移动充博分和建材筑物很政快处于盆地中部的均绒匀下沉区斑。(d)控制开耐采的推进倾速度均匀于,合理进狗行协调开匆采。(3)加强建铅筑物基础眉刚度和上巩部结构强胜度。(4)加强维季修养护,尚在地表变着形期,特旅别是变形谋活跃期,匀应加强巡写道,对建既筑物加强偿观测,发阻现变形及剪时维修。(5)松醒土坑洞蜜已坍塌阀成陷坑款,空洞精小时,寇仅做地逆表夯实猴,可不虹做其它穗处理。(6.)坑洞埋冈深较深,薪可用试坑珍和分段拉狠槽的方法烘,用普通充土或卵石照土灌注回独填夯实。(7)对建筑莫有影响且泊埋深较浅月的采空,春可用开挖竟回填方法矮处理。(8)埋深较迷深,面积较大体的采空区秧可用钻孔意压力注浆冬处理。(9)根据洞彩穴变形的丈预测值,远选择相应迫的和允许荷变形的建倡筑结构形胳式。采空区两案阶段勘察切成果报告喘编制二、采室空区治躲理工程拴设计技稼术采空区治阳理技术构筑物蔑下伏采菌空区处渡治方案厨主要有3类:(1)地面构筑卷物抗变形墨结构设计系措施,采证用柔性设躬计原则、餐刚性设计残原则或综页合措施,吩以吸收和严抵抗变形懒。(2)采空区地艳基处理措差施,预防搂和控制地冰表残余沉央陷的发生投。此类方绵法可细分秒为4种:①全部毒充填采空础区支撑覆饰岩,以彻真底消除地捉基沉陷隐步患,采用致注浆充填郊、水力充馅填和风力湖充填等,贿其中,以苍注浆法应赞用最广泛铲、效果最雁好;②局伐部支撑饮覆岩或扯地面构移筑物,泄减小采珍空区空女间跨度熔,防止习顶板的鼠垮落,印常用的堂方法有晶注浆柱绣、井下烦砌墩柱藏和大直鸣径钻孔认桩柱或体直接采添用桩基谷法等;③注召浆加固叙和强化谋采空区柿围岩结蕉构,充秋填采动扩覆岩断届裂带和肃弯曲带员岩土体术离层、彻裂缝,剧使之形含成一个警刚度大芦、整体俱性好的缺岩板结鹊构,有园效抵抗魔老采空管区塌陷绕的向上裳发展,滤使地表阵只产生摆相对均跪衡的沉勇陷,以豪保证地拼表构筑抹物的安昆全;④采取队措施释放抗老采空区尼的沉降潜杂力法,在景采空区地摇表未利用收前,采取悄强制措施风加速老采泉空区活化责和覆岩沉冠陷过程,弃消除对地范表安全有顶较大威胁涛的地下空毁洞,在沉伤陷基本稳贩定后再开悟发利用地供表土地,平常用方法坑有堆载预粉压法、高躁能级强夯农法和水诱山导沉降法粮等。(3)对公路答,也可花采取绕券避方案皆或修筑抢过渡路椅段或营但运后的更维修方优案。结惑合高速耕公路工巾程自身柄特点与东要求,迫如公路辈工程为饶线性工附程;路论堤属于僵柔性基膝础承受侍路面结钞构;不年均匀沉公降量容毕易造成惜路基、绵路面结卫构开裂等等,其暖下伏采敞空区的值治理,兄理论上膊可以采庙取上述枕各种方悔法,但控基于技是术及经领济原因斑,某些妖方法应股用较少斤或缺少窝试验,谢国内目骑前已处娱理公路庆下伏采价空区治牙理情况部见下表国内公分路下伏沾采空区质治理情菌况一览世表由此可见惯,目前国艇内公路下季伏采空区店的治理,矛主要以注轰浆全充填练法为主,芳注浆材料弓以水泥粉待煤灰为主让,也有水己泥粘土或聪水泥黄土木浆材,因馋地而异。具体治欧理措施病的选择狐方法1、采空区统埋深较碑小时的铲处理对于埋深很地小的采薯空区,敲可采用返从地表霞开挖,盾一直挖勒至采空区,然后丈分层回熟填夯实税。该方院法工艺跌简单,割操作简慌便,施璃工质量容易检查和捞控制。开挖后用浆切垃片(或干宁切片)分串层砌筑、贯填塞,上彼面加盖钢筋混症凝土盖板。开挖后,用稳碎石充资填后灌洞注水泥湾砂浆。高能量强泊夯法处劈燕理采空扁区上方麻松散地某基。当桐采空区靠埋深较浅,而上工方为松散诸地基且厚毒度较大时泽,可采用鹅高能量强飘夯处理松蛛散破碎岩捏体,提财高松散冲破碎岩绩体的地妹基承载始力。2、采空区埋垒深较大时欺的处理充填注浆法。注浆技术是一洞项实用性距强、应用株广泛的工推程技术。团它的实质是在地面雀钻孔至享老采空劝区,采茧用液压呼、气压箱或电化艇学方法况,将采空区所有空洞使和覆岩裂亿隙用由水皇泥、粉煤美灰、砂子末等混合而通成的浆液全部充可填和加物固,使专整个采串空区恢拐复为接豪近原始腊岩体状宅态,彻底消除采离动破碎墨岩体的底移动变访形空间偶。为了兽避免浆程液流至地基控串制边界以躁外,需轧要在地涉基以外颂的控制池边界处由钻孔至劫采空区舱,再灌粗骨料妨填充,搅注浆固闪结,以甜封堵住街采空区淹两端。覆岩结构探加固补望强法。采用注浆加固傅技术对上普覆岩层结叠构进行结径构补强,首增强覆岩结构的长期稳剖定性。其毕具体做法形是从地面算打钻孔,浊然后压力灌浆,使浆液月渗入岩层齿裂隙,并悦胶结而使条破碎岩体慕形成一强做度高、刚度大,类盈似于“林大板结翠构”的庄完整岩总体,达摔到类似肢于跨越劳的目的和避免地表塌陷连的发生。呆这种方法景具有工程菜量小、工腾程费用低夫、岩体结比构稳定、额效果好瓦等显著打特点,轿实践表三明效果洽良好。3)灌注桩爱法。在采空区层上方地表诸布置大直单径钻孔,谜注入填料弱和浆液,络用浆液固凶结填料和恳破碎岩体铸,在岩层际中形成灌皮注柱,承斤受上方建叫筑荷载。4)设计临高架桥住跨越采嘴空区。当采空效区分布欢面积过味大,充宽填注浆齿法造价钢过高时愿,可考舱虑采用桶高架桥锡跨越采盟空区,始或者采哑用处理衔与高架革桥结合则的方法绒处理采孝空区。5)综合棉治理方彩法。根据实腐际工程泄情况,扎结合以叶上两种茶或两种昏以上的菜方法处吹理采空甲区。三、注浆处治技术1、注浆材料阿选择注浆材创料大体合分为无献机系和磨有机系醉两大类瓣,其中扑:无机肯系包括库单液水扎泥类、烟水泥—渣水玻璃岸类、粘聪土类、狂水玻璃津类、水塔泥粘土陵类、水般泥粉煤尊灰类等挨;有机网系包括楼丙烯酰软胺类、哪木质素悉类、脲虾醛树脂肤类等。筝粒状浆舒材主要灵以硅酸抛水泥、滔粘土、鄙粉煤灰膨等构成恒,来源叔丰富,贱价格低秀廉,操蔬作工艺骂简单,择广泛用烧于地基专加固注浩浆中。摊但因其抄粒径大申,可注掏性差,刑不宜用木于防渗阀,堵水钉注浆工次程中。勤化学浆刃材料呈阿溶液状蚀态,可竿注性好严,只要亮能注水域的细小洗裂隙或枯孔隙,欲化学浆细材一般裹都可注钢入,浆薪材主要麻用于防兴渗、堵忘漏加固衬工程,陪其价格些昂贵,吹施工困追难。理想注浆冻材料①浆液序粘度低目、流动抹性好、正可注性匪强,能彩进入细杯小裂隙杂。②浆液凝往胶时间在响一定范围恶内可随意遥调节,并遮能准确地扑控制。③浆液的炊稳定性好资,在常温寨常压下长遣期存放不籍改变性质招、不发生牙其他化学戚反应。④浆液无拌毒、无嗅拢,不污染症环境,对卡人体无害监,属非易跌燃易爆之存物品。⑤浆液艘对注浆胁设备,勿管路,党混凝土辱结构物础及橡胶柴制品等劝无腐蚀糖性,并凭且容易膏清洗。⑥浆液购固化时返无收缩所现象,屑固化后接与岩石退、砂子妈等有一窃定粘结带性。⑦浆液结梯石体有一奸定抗压抗妇拉强度,略不龟裂,匆抗渗性能亮好,防冲宴刷性能好栽。⑧结石喂体耐老喊化性能柴好,能泪长期耐烫酸、碱合,盐、驴生物细剩菌等腐丛蚀,并待且不受奇温度,吧湿

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