李培現(xiàn),譚志祥,鄧喀中
(1.中國礦業(yè)大學(xué)國土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測國家測繪局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221116; 2.中國礦業(yè)大學(xué)江蘇省資源環(huán)境信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221116)
地表移動(dòng)概率積分法計(jì)算參數(shù)的相關(guān)因素分析
李培現(xiàn)1,2,譚志祥1,2,鄧喀中1,2
(1.中國礦業(yè)大學(xué)國土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測國家測繪局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221116; 2.中國礦業(yè)大學(xué)江蘇省資源環(huán)境信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221116)
為建立地表移動(dòng)的概率積分法計(jì)算參數(shù)與地質(zhì)采礦條件之間的數(shù)學(xué)關(guān)系,以我國主要礦區(qū)的大量地表移動(dòng)觀測站實(shí)測數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù),采用逐步回歸的方法建立了開采沉陷概率積分法參數(shù)與地質(zhì)采礦條件之間的統(tǒng)計(jì)回歸公式。采用中誤差和威爾莫特一致性指數(shù) (WIA,Willmott’s Index of Agreement)對回歸公式的精度及預(yù)測能力進(jìn)行評定,計(jì)算結(jié)果表明所建立的回歸公式誤差較小,各參數(shù)回歸公式均具有較好的泛化性能。為進(jìn)一步驗(yàn)證所建立的回歸公式的正確性,以4個(gè)測試樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合。最后,以淮北某礦地表移動(dòng)實(shí)測數(shù)據(jù)為例,計(jì)算結(jié)果表明采用統(tǒng)計(jì)規(guī)律所計(jì)算的概率積分法參數(shù)進(jìn)行開采沉陷預(yù)計(jì)計(jì)算可以得到與實(shí)測相符的地表移動(dòng)變形數(shù)據(jù)。研究成果為缺少實(shí)測資料礦區(qū)進(jìn)行開采沉陷預(yù)測確定概率積分法參數(shù)提供了科學(xué)依據(jù)。
概率積分法;回歸分析;統(tǒng)計(jì)規(guī)律;地質(zhì)采礦條件
煤炭資源是我國的主要能源,占一次性能源消耗的70%左右[1]。礦山開采導(dǎo)致的覆巖及地表移動(dòng)對礦山開采安全、環(huán)境與地面建筑物有很大的影響。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì):我國煤炭開采現(xiàn)有沉陷土地約60×104hm2,平均每采萬噸煤塌陷土地0.2hm2,全國因煤炭開采每年新增塌陷地約5×104hm2,煤礦開采沉陷造成了國民經(jīng)濟(jì)的巨大損失。因此,對一個(gè)有計(jì)劃的開采地表沉陷進(jìn)行準(zhǔn)確的定量計(jì)算對保護(hù)地表建筑物安全、保護(hù)環(huán)境、減小開采損害具有重要的意義[2]。目前,基于隨機(jī)介質(zhì)理論的概率積分法是我國開采沉陷預(yù)測的主要方法,也是“規(guī)程”規(guī)定的開采沉陷預(yù)測方法之一[1]。應(yīng)用概率積分法進(jìn)行沉陷預(yù)測的關(guān)鍵是獲得準(zhǔn)確的開采沉陷預(yù)測參數(shù)。
目前,獲得概率積分法參數(shù)主要通過在工作面上方建立地表移動(dòng)觀測站,采用觀測站數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)擬合的方法獲得該工作面的概率積分法參數(shù),以指導(dǎo)鄰近工作面或者相似地質(zhì)采礦條件的開采沉陷預(yù)測[3-4]。實(shí)測方法所獲得的參數(shù)較為準(zhǔn)確可靠,但實(shí)測參數(shù)對指導(dǎo)所觀測工作面的預(yù)測具有滯后性,另外實(shí)測方法建立地表移動(dòng)觀測站需要耗費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力,一般觀測時(shí)間較長,無法滿足礦山生產(chǎn)的需要[5]。概率積分法參數(shù)受到開采深度、開采厚度、覆巖巖性、結(jié)構(gòu)、煤層傾角、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、開采方法、采動(dòng)程度等諸多因素的影響,是地質(zhì)采礦條件對開采沉陷影響的綜合反應(yīng)。本文在綜合分析概率積分法參數(shù)的諸多影響因素的基礎(chǔ)上,對國內(nèi)主要礦區(qū)的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸計(jì)算,建立了采用地質(zhì)采礦條件確定概率積分法參數(shù)的統(tǒng)計(jì)方法。研究成果對提高開采沉陷預(yù)測的準(zhǔn)確性具有重要意義,對缺乏地表實(shí)測資料的礦區(qū)求取概率積分法參數(shù)具有重要的推廣前景。
回歸分析是研究一個(gè)隨機(jī)變量與一個(gè) (或幾個(gè))可控變量之間的相關(guān)關(guān)系的統(tǒng)計(jì)方法,是處理變量之間相關(guān)關(guān)系的一種方法[6-7]。
根據(jù)最小二乘原理,求解以上的G個(gè)參數(shù)應(yīng)使式(2)的條件滿足最小。
根據(jù)最小二乘原理建立并求解法方程可以得到參數(shù)a0,a1,…aG的最大似然估計(jì)值。方程式(3)就稱為y關(guān)于x的G元線性經(jīng)驗(yàn)回歸方程。
對于非線性回歸問題,可以轉(zhuǎn)換為線性回歸分析問題后進(jìn)行求解。
為保證回歸方程具有統(tǒng)計(jì)上的實(shí)際意義,必須對所建立的經(jīng)驗(yàn)方程進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)后才可以使用。本文在顯著性水平α=0.01的條件下,對所得到的經(jīng)驗(yàn)方程進(jìn)行回歸顯著性檢驗(yàn),保證所有回歸經(jīng)驗(yàn)公式符合顯著性條件的基礎(chǔ)上,采用建立的回歸模型得到的概率積分法參數(shù)的中誤差 (MSE,Mean Square Error)對模型精度進(jìn)行評價(jià)。中誤差表示了所建立模型的擬合誤差大小,MSE可以采用式(4)進(jìn)行計(jì)算。
式中,mb為回歸方程計(jì)算的中誤差;yi,分別為實(shí)測和預(yù)測地表移動(dòng)概率積分法參數(shù)值;n為參與回歸分析的樣本總個(gè)數(shù)。
預(yù)測模型的精度只表示所建立的函數(shù)模型對已知數(shù)據(jù)的擬合效果,但主要關(guān)注的應(yīng)該是函數(shù)模型對未來值的實(shí)際預(yù)報(bào)效果。泛化性能是衡量所建立的函數(shù)模型預(yù)測能力的主要特征。良好的泛化性能是支持向量機(jī)的優(yōu)點(diǎn)之一。本文采用威爾莫特一致性指數(shù) (WIA,Willmott’s Index of Agreement) (式5)來評價(jià)所建立的回歸經(jīng)驗(yàn)?zāi)P偷姆夯阅?。WIA可對單個(gè)模型的外部預(yù)測能力是否達(dá)到統(tǒng)計(jì)所需精度給出度量,一般認(rèn)為WIA大于0.6時(shí)模型才有實(shí)際預(yù)測價(jià)值[8]。
式中,yi,分別為實(shí)測和回歸公式計(jì)算的地表移動(dòng)概率積分法參數(shù)值,
采用回歸分析的方法對礦山開采概率積分法參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,獲得概率積分法參數(shù)與地質(zhì)采礦條件之間的經(jīng)驗(yàn)公式,主要由以下5步組成:
(1)選擇合適樣本。充足的學(xué)習(xí)樣本是進(jìn)行數(shù)據(jù)回歸擬合的前提與基礎(chǔ)。我國各礦區(qū)在多年的開采沉陷研究中,積累了大量的觀測站實(shí)測資料。文獻(xiàn)[9]給出了208個(gè)典型觀測站實(shí)測數(shù)據(jù),部分觀測站給出了地質(zhì)采礦條件和實(shí)測概率積分法參數(shù)。因此,本文選擇文獻(xiàn)中所列典型數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)回歸分析的原始數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)。為測試所建立回歸公式的計(jì)算結(jié)果,首先選擇4組樣本作為測試樣本,不參與回歸計(jì)算。
(2)分析影響概率積分法的因素。采用單因素分析法計(jì)算概率積分法參數(shù)的各影響因素與地質(zhì)采礦的相關(guān)系數(shù),按照相關(guān)系數(shù)大小進(jìn)行排序。
(3)根據(jù)以上分析,建立多個(gè)模型進(jìn)行回歸計(jì)算。在顯著性水平α=0.01的條件下對每一回歸模型回歸效果進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。
(4)對以上符合要求的模型采用逐步回歸法選取最優(yōu)的回歸方程。
(5)對回歸經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算精度進(jìn)行評價(jià),以保證所得經(jīng)驗(yàn)方程可滿足礦山生產(chǎn)和工程需要。
大量的研究和實(shí)測資料表明,地表移動(dòng)的概率積分法參數(shù)與地質(zhì)采礦條件之間存在緊密的關(guān)系。不同的地質(zhì)采礦條件對概率積分法參數(shù)大小有很大的影響。
下沉系數(shù)q是在充分采動(dòng)條件下,開采水平或近水平煤層時(shí)地表最大下沉值與采厚之比。大量研究表明下沉系數(shù)與覆巖巖性,開采深厚比、松散層厚度、采動(dòng)程度、采動(dòng)次數(shù)、采煤方法以及頂板控制方法有關(guān)[10-11]。文獻(xiàn) [9]中給出了下沉系數(shù)隨著覆巖巖性的變化規(guī)律,隨著覆巖平均堅(jiān)固性系數(shù)f的增大,地表下沉系數(shù)減小。式 (6)反應(yīng)了覆巖巖性、采深、采厚對下沉系數(shù)的影響規(guī)律[12]。
式中,E為巖體綜合變形模量;Em為中硬巖體的變形模量,可取Em=3600MPa;ρ為巖體平均質(zhì)量密度,g/cm3;M為開采厚度;H為開采深度。
下沉系數(shù)還會(huì)受到重復(fù)采動(dòng)的影響,使地表下沉值和下沉系數(shù)增大。由于受開采影響,松散層失水、土體固結(jié)沉降和壓縮變形的影響會(huì)造成地表下沉量增加。采動(dòng)程度也是影響下沉系數(shù)的重要因素,文獻(xiàn)[2]指出對開采尺寸過小的工作面預(yù)計(jì)時(shí)應(yīng)對下沉系數(shù)進(jìn)行修正。
根據(jù)以上分析和選擇的樣本數(shù)據(jù),采用逐步回歸法對單因素或多因素對下沉系數(shù)影響的顯著性進(jìn)行分析,經(jīng)多次回歸分析得出經(jīng)驗(yàn)公式 (7)。
式中,h為松散層厚度,m;D為開采寬度,m。
在α=0.01的顯著性水平下,采用式 (4)、(5)對式 (7)的結(jié)果進(jìn)行評價(jià),結(jié)果見表1。
水平移動(dòng)系數(shù)b是在充分采動(dòng)條件下,開采水平或近水平煤層時(shí)地表最大水平移動(dòng)值與地表最大下沉值之比。水平移動(dòng)系數(shù)受煤層傾角[9]、采厚[13]、開采寬度[14]、松散層厚度[15]、開采深度等的影響。首先,開采傾斜煤層時(shí),指向上山的水平移動(dòng)值增加,隨著傾角的增大,水平移動(dòng)系數(shù)增大。其次,松散層厚度對地表水平移動(dòng)有很大影響,松散層的流變特性使松散層在隨基巖移動(dòng)的同時(shí),本身以流動(dòng)的形式充填基巖下沉的空間,使得水平移動(dòng)系數(shù)隨松散層厚度的增大而增大。松散層失水和變形壓縮影響又使地表水平移動(dòng)的程度和范圍增大。另外,有研究表明水平移動(dòng)系數(shù)隨采厚的變化規(guī)律較為明顯[13],有式 (8)的統(tǒng)計(jì)特性。
根據(jù)152組數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,水平移動(dòng)系數(shù)與巖性關(guān)系不大,隨著巖性的改變,水平移動(dòng)系數(shù)沒有呈現(xiàn)明顯的規(guī)律。因此,沒有給出水平移動(dòng)系數(shù)與巖性間的回歸計(jì)算式。根據(jù)上述數(shù)據(jù)水平移動(dòng)系數(shù)有如下的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù):處于0.2~0.4間的水平移動(dòng)系數(shù)值占樣本總量的80.0%,樣本平均水平移動(dòng)系數(shù)為0.296。這與我國水平煤層開采時(shí)水平移動(dòng)觀測值為0.3[10]相吻合。因此,對我國大部分礦區(qū)水平煤層正?;夭蓵r(shí)水平移動(dòng)系數(shù)取0.3。
開采影響傳播角θ0是在移動(dòng)盆地傾向主斷面上,按拐點(diǎn)偏移距求得的計(jì)算開采邊界和地表下沉曲線拐點(diǎn)連線與水平線在下山方向的夾角。開采影響傳播角是由煤層傾斜引起的,因此,主要受到煤層傾角的影響,有如式(9)的關(guān)系。
式中,k的大小與覆巖巖性有關(guān)。覆巖越堅(jiān)硬k值越大。一般堅(jiān)硬巖層k取0.7~0.8,中硬巖層取0.6~0.7,軟弱巖層取0.5~0.6[2]。
開采影響在厚松散層中是垂直向上傳播的,因此,開采影響傳播角受到松散層厚度的影響,松散層厚度越大,開采影響傳播角就越大[15]。
根據(jù)以上分析和選擇的樣本數(shù)據(jù),采用逐步回歸法對單因素或多因素對開采影響傳播角影響的顯著性進(jìn)行分析,經(jīng)過多次回歸分析得到式 (10)的經(jīng)驗(yàn)公式。
在α=0.01的顯著性水平下,采用式 (4)、式(5)對式(10)的結(jié)果進(jìn)行評價(jià),結(jié)果見表1。
主要影響角正切tanβ是在走向主斷面上走向邊界采深與其主要影響半徑之比。tanβ大小受到覆巖巖性的影響。在開采深度相同的條件下,覆巖較軟弱時(shí)開采主要影響半徑較小,tanβ值較大。在巖性相同的條件下,tanβ大小隨著采深的增大而增大[10]。另外,重復(fù)采動(dòng)會(huì)對主要影響半徑的大小產(chǎn)生影響,重復(fù)采動(dòng)工作面tanβ值大于初次開采tanβ的大小。
根據(jù)以上分析和選擇的樣本數(shù)據(jù),采用逐步回歸法對單因素或多因素對主要影響角正切影響的顯著性進(jìn)行分析,經(jīng)過多次回歸分析得到式 (11)的經(jīng)驗(yàn)公式。
在α=0.01的顯著性水平下對公式進(jìn)行檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果見表1。采用式 (4)、式 (5)對式(11)的結(jié)果進(jìn)行評價(jià),結(jié)果列于表1。
自下沉曲線拐點(diǎn)按開采影響傳播角作直線與煤層相交,該交點(diǎn)與采空區(qū)邊界沿煤層方向的距離即是拐點(diǎn)偏移距。拐點(diǎn)偏移距是由于頂板的懸臂作用引起的,決定了地表下沉曲線的形狀。拐點(diǎn)偏移距的大小與覆巖巖性、采動(dòng)程度、采深、頂板控制方法、重復(fù)采動(dòng)等因素有關(guān)[16-17]。研究表明,覆巖巖性和采深是影響拐點(diǎn)偏移距的主要因素。煤層頂板巖性越堅(jiān)硬,懸頂距越大,拐點(diǎn)偏移距值就越大,巖性軟弱時(shí)S值小。拐點(diǎn)偏移距隨著采深的增大而增大,我國一般以S/H的值表示拐點(diǎn)偏移距大?。?,9]。
根據(jù)以上分析和選擇的樣本數(shù)據(jù),采用逐步回歸法對單因素或多因素對拐點(diǎn)偏移距影響的顯著性進(jìn)行分析,經(jīng)過多次回歸分析得到式 (12)的經(jīng)驗(yàn)公式。
在α=0.01的顯著性水平下對公式進(jìn)行檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果見表1。采用式 (4)、式 (5)對式(12)的結(jié)果進(jìn)行評價(jià),結(jié)果列于表1。
表1 回歸公式計(jì)算結(jié)果檢驗(yàn)
本文以覆巖平均堅(jiān)固性系數(shù)f表示覆巖巖性對概率積分法參數(shù)的影響。覆巖堅(jiān)固性系數(shù)可用式(13)計(jì)算求得。
式中,mi為覆巖i分層的法線厚度,m;Qi為覆巖單向抗壓強(qiáng)度,MPa。
為測試回歸公式計(jì)算結(jié)果的正確性,選取4個(gè)典型觀測站實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行測試計(jì)算。測試樣本的地質(zhì)采礦條件見表2。
采用本文回歸公式計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的比較見表3。
表2 樣本地質(zhì)采礦條件
表3 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比
表3數(shù)據(jù)對比結(jié)果表明,根據(jù)大量實(shí)測數(shù)據(jù)回歸建立的經(jīng)驗(yàn)公式可以建立開采概率積分法參數(shù)與地質(zhì)采礦條件之間的關(guān)系,所得結(jié)果誤差較小,可以滿足工程需要,該方法為缺乏實(shí)測數(shù)據(jù)的礦區(qū)確定概率積分法參數(shù)提供了可供參考的依據(jù)。
淮北某礦7120工作面上方地表地勢平坦,地面標(biāo)高在26.0m左右,地表為農(nóng)田、村莊。7120工作面開采71煤,工作面標(biāo)高為-460~-480m,平均采深H0=496m。工作面煤層結(jié)構(gòu)簡單,傾角平均為10°,煤層平均厚度1.74m,實(shí)際回采厚度2m。采用綜合機(jī)械化采煤。7120工作面走向長約為1033m,傾向長平均約156m。根據(jù)鉆孔資料,該礦區(qū)屬巨厚沖擊層覆蓋區(qū)域,松散層厚度約345m,礦區(qū)巖層平均單向抗壓強(qiáng)度可取40MPa。
根據(jù)觀測要求,7120工作面觀測站實(shí)際布設(shè)1條全傾向觀測線和1條半走向觀測線,觀測站測點(diǎn)間距設(shè)計(jì)為25m。
根據(jù)觀測站實(shí)測地表下沉和水平移動(dòng),依據(jù)最小誤差平方和最小的原則采用模矢法[18]求取地表移動(dòng)的概率積分法參數(shù)實(shí)測值,計(jì)算結(jié)果見表4。
為檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)公式的計(jì)算準(zhǔn)確性,采用本文所建立的統(tǒng)計(jì)公式計(jì)算7120工作面的概率積分法參數(shù)值,計(jì)算結(jié)果見表4。
表4 實(shí)測和統(tǒng)計(jì)公式所求概率積分法參數(shù)比較
由表4統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知,根據(jù)本文所建立的統(tǒng)計(jì)規(guī)律所求的概率積分法參數(shù)與實(shí)測參數(shù)絕對誤差量不大,相對誤差除拐點(diǎn)偏移距 (與拐點(diǎn)偏移距S/H值過小有關(guān))。采用實(shí)測概率積分法參數(shù)與統(tǒng)計(jì)參數(shù)分別進(jìn)行開采沉陷預(yù)計(jì),預(yù)計(jì)結(jié)果與實(shí)測結(jié)果比較如圖1所示。
圖1 實(shí)測與預(yù)計(jì)結(jié)果比較
由圖1的比較結(jié)果可知,采用統(tǒng)計(jì)規(guī)律的概率積分法參數(shù)與實(shí)測結(jié)果吻合。因此,綜合表4和圖1結(jié)果可知,采用統(tǒng)計(jì)規(guī)律所建立的經(jīng)驗(yàn)公式可以用于求取概率積分法參數(shù),計(jì)算結(jié)果可用于缺乏實(shí)測資料礦區(qū)的開采沉陷預(yù)計(jì)。
為進(jìn)一步說明采用統(tǒng)計(jì)規(guī)律所計(jì)算的概率積分法參數(shù)進(jìn)行開采沉陷預(yù)計(jì)的方法,采用表4中采用統(tǒng)計(jì)規(guī)律得到的概率積分法參數(shù)計(jì)算7120工作面開采后地表移動(dòng)和變形值。7120工作面地表下沉等值線如圖2所示。同樣方法可以得到7120工作面其他的移動(dòng)和變形等值線。
圖2 7120工作面地表下沉等值線
(1)開采煤層上覆巖層的性質(zhì)決定了開采沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)。本文根據(jù)大量觀測站數(shù)據(jù),采用統(tǒng)計(jì)方法建立了根據(jù)地質(zhì)采礦條件計(jì)算概率積分法參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。根據(jù)中誤差、相關(guān)系數(shù)及測試計(jì)算結(jié)果,表明采用覆巖地質(zhì)采礦條件所建立的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果與實(shí)測概率積分法參數(shù)結(jié)果誤差較小,可以作為估算概率積分法參數(shù)的依據(jù)。
(2)以淮北某礦地表移動(dòng)觀測站實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗(yàn)證了采用統(tǒng)計(jì)公式計(jì)算概率積分法精度可以滿足開采沉陷預(yù)計(jì)的要求,以工程實(shí)例說明了采用統(tǒng)計(jì)公式計(jì)算概率積分法參數(shù)及進(jìn)行開采沉陷預(yù)測的方法。
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Related Factors Analysis of Calculation Parameters of Probability Integral Method for Surface Movement
LIPei-xian1,2,TAN Zhi-xiang1,2,DENG Ka-zhong1,2
(1.State Survey Bureau Key Laboratory of Land Environment&Disaster Monitoring,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221116,China;2.Jiangsu Provincial Key Laboratory of Resources Environment Information Engineering,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221116,China)
In order to set up mathematical relationship of calculation parameters of probabilitymethod for surfacemovement and geological and mining condition,this paper set up a statistical regression relationship with gradual regressionmethod based on amounts of surfacemovement data from Chinesemain coalmining areas.Willmott's index of agreementwas used to evaluate prediction effect.Results showed that the error of regression equation was small and every parameter regression formula took on better generalization.For fatherly verifying the regression equations,it calculated data of 4 testing samples and the calculation resultwas fit for actual observation data.Finally,taking surfacemovement data observed in amine of Huaibei as an example,the paper applied probability integral parameters from statistical rules to predictingmining subsidence and results fitobservation datawell.This provided scientific reference for predictingmining subsidence in area where observation data was absent.
probability integralmethod;regression analysis;statistical rule;geological and mining condition
TD325.2
A
1006-6225(2011)06-0014-05
2011-08-25
國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (41071273);江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目 (CX10B_141Z)
李培現(xiàn)(1983-),男,山東巨野人,博士研究生,主要從事礦山開采沉陷、巖層控制及數(shù)字礦山方面的研究工作。
[責(zé)任編輯:鄒正立]
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