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廣西合山煤礦采空塌陷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

發(fā)布時(shí)間:2017-07-06 12:15

  本文關(guān)鍵詞:廣西合山煤礦采空塌陷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)


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【摘要】:我國(guó)是一個(gè)多煤少油的國(guó)家,其中煤炭是重要的能源礦產(chǎn),煤炭資源開(kāi)發(fā)過(guò)程普遍存在對(duì)地質(zhì)環(huán)境的破壞,表現(xiàn)為采空塌陷、地裂縫、土地植被資源破壞、水資源浪費(fèi)與破壞、水土環(huán)境污染,具體以采空塌陷造成的影響最為突出。合山市富有豐富的煤炭資源,百年采煤形成的采空區(qū)占市轄區(qū)面積達(dá)32.9%,地面塌陷隨處可見(jiàn)。由于地面沉降造成合山市境內(nèi)下沉的公路、鐵路總長(zhǎng)度達(dá)30多公里,農(nóng)田傾斜開(kāi)裂達(dá)4萬(wàn)多畝,水利干渠遭到破壞20多公里。合山市作為資源枯竭城市,在轉(zhuǎn)型過(guò)程中需要重新規(guī)劃以及大量的基礎(chǔ)建設(shè),避不可免地要在采空區(qū)上方新建建筑物與土地利用,如何評(píng)價(jià)建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)與安全程度是建設(shè)過(guò)程中首先面臨的問(wèn)題。因此廣泛分布的采空區(qū)嚴(yán)重制約了城市建設(shè)與發(fā)展,探索煤礦采空塌陷風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)理論與體系將是城市轉(zhuǎn)型與建設(shè)重要的理論依據(jù)。廣西合山市煤礦開(kāi)采形成的采空區(qū)在形成時(shí)間、地層結(jié)構(gòu)、開(kāi)采方式、塌陷特征以及危害對(duì)象具有典型資源枯竭城市采空塌陷的一般特點(diǎn),具有代表性。論文依托于國(guó)家礦山地質(zhì)環(huán)境治理專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目合山市煤炭礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程,以合山東礦JK07采空區(qū)為例,開(kāi)展煤炭采空塌陷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的研究工作,主要四大內(nèi)容:危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)、易損性評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)容許標(biāo)準(zhǔn)的確定以及最后的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。對(duì)于采空塌陷危險(xiǎn)性評(píng)價(jià),基于關(guān)鍵層理論建立了采空塌陷關(guān)鍵層初次破斷和周期破斷的極限平衡模型,進(jìn)而采用蒙特卡羅法編寫(xiě)對(duì)應(yīng)程序進(jìn)行可靠度與失效概率求解,最后得出了老采空區(qū)采空塌陷危險(xiǎn)性值。對(duì)于采空塌陷易損性評(píng)價(jià),提出了適用于煤礦采空塌陷的建筑物易損性評(píng)價(jià)模型和人員易損性評(píng)價(jià)模型。對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)容許標(biāo)準(zhǔn)的確定,論文集合了大量的地質(zhì)災(zāi)害與采空塌陷發(fā)生次數(shù)、造成人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),并對(duì)數(shù)據(jù)加以篩選分析以凝練出符合廣西合山煤礦的采空塌陷風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)值。最后結(jié)合典型資源枯竭城市的合山市自身特點(diǎn),收集城市相關(guān)的災(zāi)害分級(jí)資料、經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等,對(duì)老采空區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了多角度的綜合評(píng)價(jià)。通過(guò)以上分析與研究,得出了以下成果:(1)廣西合山煤礦采空塌陷特征研究對(duì)合山市煤礦開(kāi)采背景資料收集以及采空塌陷情況調(diào)查現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果顯示合山市共有兩套煤層:急傾斜煤層和緩傾斜煤層。急傾斜煤層形成了大量漏斗狀塌陷坑,極具破壞性:緩傾斜煤層形成了移動(dòng)盆地和小規(guī)模的塌陷坑,移動(dòng)盆地造成房屋拉裂并形成地裂縫;谫Y源枯竭城市生命周期理論,提出了合山市煤礦采空塌陷有別于一般塌陷災(zāi)害的特性,并據(jù)此整理合山市采空塌陷特征。合山煤礦老采空區(qū)采空塌陷特征表現(xiàn)為不可逆的破壞性、長(zhǎng)期的“穩(wěn)定性”和外力的“活化”性。具體表現(xiàn)為大量的連續(xù)性塌陷和少量的不連續(xù)塌陷。論文以連續(xù)性塌陷作為研究重點(diǎn)。(2)廣西合山煤礦采空塌陷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系研究針對(duì)國(guó)際上普遍接受的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理流程和廣西合山煤礦采空塌陷災(zāi)害實(shí)際特點(diǎn),提出了廣西合山煤礦采空塌陷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的基本體系。采空塌陷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的流程是以危險(xiǎn)性分析、易損性分析、風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)而進(jìn)行。(3)采空塌陷危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)1)巖土層參數(shù)分布模型研究基于隨機(jī)變量的分布模型研究,對(duì)采空區(qū)JK07上覆巖土層進(jìn)行了大量的物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn),并在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)各力學(xué)參數(shù)的分布模型進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)研究。結(jié)果表明,各巖石參數(shù)抗拉強(qiáng)度、彈性模量、密度和結(jié)構(gòu)面參數(shù)傾角、傾向、半跡長(zhǎng)、間距均擬合于正態(tài)分布,結(jié)構(gòu)面隙寬擬合于負(fù)指數(shù)分布。最后采用KS檢驗(yàn)法進(jìn)行分布模型進(jìn)行檢驗(yàn),各巖石參數(shù)符合原假設(shè),可以接受。2)極限平衡方程建立在獲取巖石物理力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合采空區(qū)上覆巖層的分布情況和煤層開(kāi)采條件,采用FLAC3D對(duì)采空區(qū)變形進(jìn)行模擬研究。結(jié)果表明采空區(qū)下沉量最大值為203mm,沿傾向地表水平位移最大值為100mm,沿走向地表水平位移最大值為80mm。為探求采空塌陷的極限平衡方程,引入了礦山巖石力學(xué)中的關(guān)鍵層理論對(duì)采空區(qū)JK07上覆巖層進(jìn)行受力分析,并推導(dǎo)出了采空區(qū)JK07頂板初次破斷的極限平衡方程和周期破斷的極限平衡方程。3)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)可靠度計(jì)算常用方法有解析法和模擬法,針對(duì)解析法人工計(jì)算復(fù)雜的缺點(diǎn),論文以模擬法中的蒙特卡羅法進(jìn)行可靠度的計(jì)算。在Matlab軟件中分別編制對(duì)應(yīng)于初次破斷和周期破斷的極限平衡方程的程序,同時(shí)輸入不同量級(jí)的隨機(jī)巖層力學(xué)參數(shù)。結(jié)果表明初次破斷可靠度為1.938,破壞概率為0.0262;周期破斷可靠度為1.936,破壞概率為0.0263。因上覆巖層會(huì)在不同時(shí)間點(diǎn)發(fā)生初次的破斷和周期性的破斷,故東礦JK07采空塌陷危險(xiǎn)性為0.0525。(4)采空塌陷易損性評(píng)價(jià)1)建筑物易損性模型建筑物L(fēng)ogistic易損性模型與災(zāi)害強(qiáng)度和建筑物脆弱性?xún)蓚(gè)參數(shù)有關(guān),災(zāi)害強(qiáng)度一定時(shí),脆弱值越低Logistic易損性曲線(xiàn)顯示結(jié)果越小,與實(shí)際相符。2)災(zāi)害強(qiáng)度模型通過(guò)定義地表位移指標(biāo)和變形速度指標(biāo)建立災(zāi)害強(qiáng)度模型。采用Midas/Gen結(jié)構(gòu)有限元軟件分別建立采空區(qū)JK07內(nèi)框架結(jié)構(gòu)和磚砌結(jié)構(gòu)建筑物的有限元模型,通過(guò)施加地表水平位移荷載進(jìn)行內(nèi)力分析并計(jì)算地表位移指標(biāo)。模擬結(jié)果為東礦礦業(yè)遺跡采空區(qū)JK07內(nèi)框架建筑物機(jī)修廠9棟、10棟、12棟,磚砌建筑物民房13棟地表位移指標(biāo)分別為0.27,0.27,0.144,0.56。3)建筑物脆弱性基于建筑物脆弱性分析,定義建筑物的結(jié)構(gòu)類(lèi)型、破壞程度、使用年限作為脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)并建立其脆弱性評(píng)價(jià)模型。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)建筑物調(diào)查數(shù)據(jù)和相關(guān)建筑行業(yè)規(guī)范,計(jì)算出老采空區(qū)內(nèi)機(jī)修廠9棟、10棟、12棟、民房13棟的脆弱性分別為1,0.866,0.798,0.904。4)人員易損性評(píng)價(jià)對(duì)于連續(xù)性的采空塌陷作用,可采用基于建筑物易損性的間接方式評(píng)價(jià)人員易損性。綜合各承災(zāi)體易損性評(píng)價(jià)模型,計(jì)算結(jié)果為采空區(qū)JK07內(nèi)機(jī)修廠9棟、10棟、12棟、民房13棟的易損性分別為0.388、0.354、0.100、0.949;處于其中的人員易損性分別為0.010、0.008、0.002、0.297。(5)廣西合山煤礦采空塌陷風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)與容許標(biāo)準(zhǔn)研究論文綜合大量學(xué)者的風(fēng)險(xiǎn)表達(dá)成果,從風(fēng)險(xiǎn)表達(dá)的主觀性和客觀性?xún)蓚(gè)角度,采用風(fēng)險(xiǎn)度和風(fēng)險(xiǎn)期望兩種方式進(jìn)行廣西合山煤礦的采空塌陷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。1)采空塌陷風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)應(yīng)于風(fēng)險(xiǎn)的主觀性,風(fēng)險(xiǎn)定量化結(jié)果以風(fēng)險(xiǎn)度表示,風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)作為風(fēng)險(xiǎn)量值大小的判據(jù)。論文以國(guó)際上常采用風(fēng)險(xiǎn)矩陣法為基礎(chǔ),并結(jié)合目前在危險(xiǎn)性和易損性分級(jí)中常采用的處理數(shù)值分級(jí)的方法(布拉德福定律中的區(qū)域分析方法),將風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分為為(0.00-0.04], (0.04-0.16], (0.16-0.36],(0.36-0.64], (0.64-1.00]五個(gè)值域,分別代表極低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。2)采空塌陷風(fēng)險(xiǎn)容許標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險(xiǎn)容許標(biāo)準(zhǔn)分為兩方面內(nèi)容:生命風(fēng)險(xiǎn)容許標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)容許標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)收集2004~2014年間全國(guó)地質(zhì)災(zāi)害造成的人員傷亡和直接經(jīng)濟(jì)損失的數(shù)據(jù),同時(shí)分析采空塌陷對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害所占比重,確定我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害可接受生命風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)值為1×10-,可容忍生命風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)值為1×10-6:采空塌陷生命風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)值為2.3×10-9,采空塌陷生命風(fēng)險(xiǎn)可容忍標(biāo)準(zhǔn)值為2.3×10-。我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害可接受經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)值為1×10一,地質(zhì)災(zāi)害可容忍經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)值為1×10-3:采空塌陷經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)值為2.3 x 10-6,采空經(jīng)濟(jì)生命風(fēng)險(xiǎn)可容忍標(biāo)準(zhǔn)值為2.3×10-。進(jìn)而結(jié)合當(dāng)?shù)匾?guī)范,設(shè)置風(fēng)險(xiǎn)后果限制線(xiàn)繪制了生命和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)F-N曲線(xiàn)。(6)廣西合山煤礦采空塌陷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)1)采空塌陷風(fēng)險(xiǎn)度評(píng)價(jià)采用風(fēng)險(xiǎn)度的表達(dá)式對(duì)老采空區(qū)范圍內(nèi)建筑物進(jìn)行計(jì)算,機(jī)修廠9棟、10棟、12棟、民房13棟的建筑物風(fēng)險(xiǎn)分別為0.020543、0.018757、0.005311、0.050292;處于其中的人員風(fēng)險(xiǎn)分別為0.000541、0.000445、0.000095、0.015736。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分,機(jī)修廠9棟、10棟、12棟風(fēng)險(xiǎn)均小于0.04,為極低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),民房13棟風(fēng)險(xiǎn)為0.05,風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。2)采空塌陷風(fēng)險(xiǎn)期望評(píng)價(jià)通過(guò)對(duì)承災(zāi)體的調(diào)查,以及對(duì)承災(zāi)體計(jì)價(jià)價(jià)格方式與現(xiàn)有單價(jià)的收集,計(jì)算各承災(zāi)體自身的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。最后綜合各承災(zāi)體的風(fēng)險(xiǎn)度、合山市年生產(chǎn)總值,計(jì)算該采空塌陷造成的期望經(jīng)濟(jì)損失為7.42萬(wàn)元,經(jīng)濟(jì)損失比率為2.11x10-5。以確定的全國(guó)性采空塌陷經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)容許標(biāo)準(zhǔn)劃分,采空塌陷經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)為可容忍風(fēng)險(xiǎn)。以全國(guó)性的采空塌陷經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)值容許標(biāo)準(zhǔn)作為地方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的判據(jù)稍顯嚴(yán)格,可能在地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)經(jīng)濟(jì)水平較為落后的合山市,該風(fēng)險(xiǎn)期望更易被接受,處于可接受的風(fēng)險(xiǎn)水平。
【關(guān)鍵詞】:采空塌陷 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià) 危險(xiǎn)性 易損性 風(fēng)險(xiǎn)容許標(biāo)準(zhǔn)
【學(xué)位授予單位】:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】:博士
【學(xué)位授予年份】:2015
【分類(lèi)號(hào)】:TD325.3
【目錄】:
  • 作者簡(jiǎn)介7-8
  • 摘要8-11
  • ABSTRACT11-19
  • 第一章 緒論19-31
  • §1.1 選題依據(jù)和背景19-20
  • §1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀20-27
  • 1.2.1 地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)研究概述20-22
  • 1.2.2 采空塌陷研究現(xiàn)狀22-24
  • 1.2.3 資源枯竭城市轉(zhuǎn)型與治理研究24-27
  • §1.3 研究?jī)?nèi)容及技術(shù)路線(xiàn)27-31
  • 1.3.1 研究目標(biāo)27
  • 1.3.2 研究?jī)?nèi)容27-28
  • 1.3.3 技術(shù)路線(xiàn)28-30
  • 1.3.4 創(chuàng)新點(diǎn)30-31
  • 第二章 廣西合山煤礦采空塌陷類(lèi)型與特征31-52
  • §2.1 礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境背景31-37
  • 2.1.1 自然地理概況31-32
  • 2.1.2 地形地貌32-33
  • 2.1.3 地層巖性33-34
  • 2.1.4 主要可采煤層巖性34-35
  • 2.1.5 地質(zhì)構(gòu)造35-36
  • 2.1.6 水文地質(zhì)36-37
  • §2.2 合山采空塌陷類(lèi)型與特征分析37-52
  • 2.2.1 合山采空塌陷分布37-45
  • 2.2.2 采空塌陷形成規(guī)律45-48
  • 2.2.3 合山煤礦采空塌陷特征48-52
  • 第三章 廣西合山煤礦采空塌陷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系52-56
  • §3.1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的基本概念52-53
  • §3.2 采空塌陷區(qū)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)內(nèi)容53-55
  • §3.3 廣西合山煤礦采空塌陷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)基本體系55-56
  • 第四章 廣西合山煤礦采空塌陷危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)56-99
  • §4.1 采空區(qū)巖土層力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)56-62
  • 4.1.1 表土層物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)57
  • 4.1.2 巖層力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)57-62
  • §4.2 采空塌陷模擬及變形研究62-76
  • 4.2.1 東礦礦業(yè)遺跡采礦背景62-66
  • 4.2.2 采空塌陷數(shù)值模擬66-76
  • §4.3 采空區(qū)巖層力學(xué)參數(shù)分布模型研究76-85
  • 4.3.1 巖石力學(xué)參數(shù)分布模型76-82
  • 4.3.2 結(jié)構(gòu)面分布模型82-85
  • §4.4 基于關(guān)鍵層理論的極限平衡模型85-92
  • 4.4.1 關(guān)鍵層基本概念85-86
  • 4.4.2 關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)受力計(jì)算模型86-88
  • 4.4.3 極限平衡模型建立88-92
  • §4.5 基于可靠度的采空塌陷危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)92-99
  • 4.5.1 采空塌陷可靠度分析92-95
  • 4.5.2 采空塌陷危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)95-99
  • 第五章 廣西合山煤礦采空塌陷易損性評(píng)價(jià)99-139
  • §5.1 廣西合山煤礦采空塌陷易損性評(píng)價(jià)模型99-103
  • 5.1.1 煤礦采空塌陷易損性評(píng)價(jià)內(nèi)容99-101
  • 5.1.2 基于Logistic函數(shù)的建筑物易損性評(píng)價(jià)模型101-103
  • §5.2 采空塌陷災(zāi)害強(qiáng)度評(píng)價(jià)103-131
  • 5.2.1 采空塌陷災(zāi)害強(qiáng)度評(píng)價(jià)模型103
  • 5.2.2 采空塌陷對(duì)建筑物的影響特征分析103-109
  • 5.2.3 基于建筑物有限元分析的地表位移指標(biāo)109-127
  • 5.2.4 基于時(shí)間序列模型的變形速度指標(biāo)127-131
  • §5.3 建筑物脆弱性評(píng)價(jià)131-134
  • 5.3.1 建筑物脆弱性評(píng)價(jià)模型131-132
  • 5.3.2 建筑物脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)132-134
  • §5.4 建筑物易損性評(píng)價(jià)134-136
  • 5.4.1 建筑物現(xiàn)狀134-135
  • 5.4.2 建筑物易損性評(píng)價(jià)135-136
  • §5.5 人員易損性評(píng)價(jià)136-139
  • 5.5.1 人員易損性評(píng)價(jià)方法分析136-137
  • 5.5.2 基于建筑物易損性的人員易損性評(píng)價(jià)137-139
  • 第六章 廣西合山煤礦采空塌陷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)139-159
  • §6.1 采空塌陷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型與方法139-142
  • 6.1.1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型139-140
  • 6.1.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法140-142
  • §6.2 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分142-144
  • 6.2.1 風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)的含義142-143
  • 6.2.2 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分方法143-144
  • §6.3 風(fēng)險(xiǎn)容許標(biāo)準(zhǔn)研究144-152
  • 6.3.1 風(fēng)險(xiǎn)容許標(biāo)準(zhǔn)框架144-145
  • 6.3.2 生命風(fēng)險(xiǎn)容許標(biāo)準(zhǔn)145-150
  • 6.3.3 經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)容許標(biāo)準(zhǔn)150-152
  • §6.4 廣西合山煤礦采空塌陷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)152-155
  • 6.4.1 廣西合山煤礦采空塌陷風(fēng)險(xiǎn)度評(píng)價(jià)152-154
  • 6.4.2 廣西合山煤礦采空塌陷風(fēng)險(xiǎn)期望評(píng)價(jià)154-155
  • §6.5 廣西合山煤礦采空塌陷風(fēng)險(xiǎn)管理155-159
  • 6.5.1 采空塌陷風(fēng)險(xiǎn)管理框架155-156
  • 6.5.2 采空塌陷風(fēng)險(xiǎn)控制措施156-159
  • 第七章 結(jié)論及展望159-163
  • §7.1 結(jié)論159-162
  • §7.2 展望162-163
  • 致謝163-165
  • 參考文獻(xiàn)165-173

【參考文獻(xiàn)】

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3 高買(mǎi)燕;突發(fā)性崩塌災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法研究[D];重慶交通大學(xué);2012年

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本文編號(hào):526185

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