爆堆块度评价方法研究的进展

玛丽莲梦兔
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2020年07月30日 13:33
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13
卷第
9
期中国
          
2003

9

China
安全
Safety
科学
Science
学报
Vol.13No.9
           
JournalSep.2003
爆堆块度评价方法研究的进展
林大泽
 教授
(
西南科技大学安全工程科学研究所
)
学科分类与代码
:620
1< br>3020
爆堆矿岩的块度分布是评价爆破效果的一项重要依据。对爆堆矿岩的块度大小与块度构成 情
【摘 要】 
况进行准确、可靠的定量描述
,
不仅可为验证、改进爆破工艺 与参数
,
进而为改善爆破效果提供直接的参考依据
,

且也是开展爆 破优化研究的重要技术基础。通常使用手工方法去评估爆堆矿岩的块度
,
它能在一定程度上对爆 破
块度分布进行定量的评价。但这些方法还都存在着某些缺陷。而爆堆矿岩块度的计算机图像分析法则可 弥补上
述诸方法的种种缺陷
,
近年来
,
该研究在国内外得到了越来越 广泛的关注和应用。笔者在总结各种测定爆破块度
分布的理论和方法的基础上
,
详细分 析和研究了当前计算机图像处理分析爆破块度方法。
【关键词】 
岩石爆破 破碎度 数值图像 处理 爆破可能破碎度
RecentDevelopmentinAssessingFragment ationofRockBlasting
LinDaze
,Prof.
(
I nstituteofSafetyEngineeringScience,SouthwestUniver sityofScience&Technology
)
Abstract:
 
Thedistributionofthefragmentationoftheblastedlump sformstheimportantcriteriaforjudgingtheeffec
2< br>titativelydescribetherockfragmentationsizedistr ibutionoftheblastedlumpsaccurately
andreliablyc ouldnotonlyverifyandimprovethetechnologicalprocess andparameters,butcouldalsogreatlyimprovethe
sth eimportanttechnicalbasisforoptimizingthe
ely,it isdonemanuallytoassessthefragmentationoftherockbla sted,bywhichthedistri
2
butionr,moreorlessth erearelimita
2
imageanalysisforfragmentation distributioncouldovercometheseshortcomingsexisting inallthemethods
nthesummarizationofthevariousme thodsstudiedandtheirtheoriesofrockfragmentationdis
2
tribution,thedigitalimageapproachtoassess thefragmentationofrockblastedisintroducedindetail.
Keywords:
 
Rockblasting
 
Fragmen tation
 
Digitalimageprocessing
 
Blas tability
的块体能量交换模型
[10]
基础上
,
建议采用了 一个岩石爆破
1
 概 述
国内外对爆破块度的评价做了大量的研究工作
,并取得
了一定的进展。
20
世纪
50
年代
,
就 有人提出了爆破后石料
块度大小的破碎度分析方法。许多报告研究表明了岩石结
构和岩体性能对 爆破施工质量的影响
[1

3]
,

Bond
作业 指

[4]
可能破碎度的评估系统。通过评估一个岩石爆破可能破碎
度的场地 研究
,
结果显示了这一系统具有实用价值。同时看

:
目前仅仅从破 碎机理和爆炸作用过程入手
,
建立一个理
论评估系统还有许多困难
,
因此
,
利用实际爆破测试数据获
得的经验公式
,
仍然是指导爆破设计 和爆破施工的有效方
法。所以
,
现场施工数据的积累具有重要的价值。
近年来
,
随着电子计算机图像处理与模式识别技术的迅
速发展
,
已开始运用 特制的图像分析系统对摄影照片进行自
动分析处理
,
试图使爆堆块度的摄影分析变得实 用。对爆堆
图像分析的目的
,
是要从照片上岩块的投影轮廓的某一几何
特征的 平面分布
,
求得爆堆岩块的体积分布。这一类方法在
数学原理上属于积分几何学
,
在处理方法上采用的是蒙托
-

Hino
爆破可能破碎度系数< br>[7]
[5]
、岩石因子
[6]
和爆破可能
破碎度指数等。< br>20
世纪
60
年代
,
人们开始对摄影法的研
究。近< br>20
年来
,
国外对摄影法进行了较为深入的探讨
,


,20
世纪
80
年代初
,
摄影法在处理照片统计量的手段 仍采
用手工方式
,
严重地影响分析精度和效率。
最近
,Latham

Lu
[9]
,
在他们为描述爆炸过程所提出
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10

中国安全科学
ChinaSafetyScien ce
学报第
13

                
Journa l2003

当所有颗粒比重相同时
,
爆堆总体积等于各组分体积之卡罗法。 目前常用的方法有手工方法和爆破块度计算机图
像分析法。和
,

2
 常用的手工方法
2.1
 面积法与数点法
巴隆于
1960
年对面积 法作了系统的介绍
,
至今该方法
仍被广泛使用。面积法的原理很简单
,
即用照片上各块度等
级的岩块的投影面积代替爆堆中各粒级的体积比。运用该
法的具体步骤如 下
:
首先
,
求得照片上各岩块投影面积
,
然后按面积大小进
行分组。各组的平均面积值为
S
i
(
其中
i
=1, 2,3

,
n
)
,
则各组岩块的平均块度尺寸
d< br>i

:
d
i
=kS
i
 
(
i=
1
,
2
,

,n
)
i=
1< br>6
n
V
i
=v
i
(
i=
1
,
2
,

,n
)
式中
,
V
i———第
i
块岩石体积
;
v
i
———第
i组分体积。
  假设每一岩体都是由一些按相同方向排列的、有单位截
面积
Ae
的棱柱体的组合
,
则每一组分的体积可看作为改组
内所有岩块所包含的 所有棱柱体的长度
L
sj

A
e
之积
,

v
i
=
i=
1
6
n
L
sj
A
e
  爆堆的总体积也可表示为
V=
i=
1
j=
1
66
nn
L
sj
A
e
式中
,
k
———修正系数
,
取决于岩块形状。
累积各组的投影面积和总的投影面积< br>,
则各组分得相对
含量为
则各组分的相对含量即可用棱柱体长度之比来表示:
v
i
<
i
==
V
i=
1
6
n
L
sj
A
e
i
<
i
=k
  其中求和符号
影面积求和。
i=
1
6
n
S
n
i=
1
j=
1
66
n
=
L
sj< br>A
e
i=
1
6
n
L
sj
n
i=
1
j=
1
66
n
L
sj
i=
1
j=
1
66
n
  具体的步骤是
:
根据蒙托-
卡罗法的随机取样原理
,

S
照片上随机地布置若干条直线。 这些直线被岩块的投影轮
廓切割成若干线段。然后
,
将所有这些线段长度进行分组,
并累积各组中所有线段之小计
,
则各组分线段之小计与总的
线段和之比 即改组分的相对含量。显然
,
一张照片上布置的
直线越多
,
则愈能充 分利用改组照片所提供的信息。在线段
法中
,
从照片上得到的块度尺寸往往要比实际的 块度尺寸

,
必须加以校正。
以上这两种方法
,
不仅是手工 处理照片所常用的方法
,
而且也很容易在图像分析计算机上实现。由于线段法对岩
块图 像轮廓的完整性和清晰度要求比较低
,
并且所占计算机
内存较少
,
因 此
,
目前国外用图像分析技术处理堆积岩块块
度分布的硬件和软件大多采用线段法。< br>∑
上的
i
表示对第
i
组中所有岩块投
在巴隆原著中< br>,
此法是借用白金相学和岩相学中的切片
分组分析法。切片分析根据的是积分几何学的蒙 托
-
卡罗
法。在爆堆摄影中
,
由于岩块空间方位的随机性和任一岩块
被其他岩块覆盖部分的随机性
,
可认为是与切片法中特征颗
粒被切位置的随机 性相当的。由于岩块投影的形状极不规

,
用手工处理要准确求得其面积较为困难。因 此
,
又出现
了所谓的“数点法”。
数点法的原理实质上是与面积法相同的。即 用一张上
面均匀
(
设间距为
a
)
分布有点子
(或网络交叉点
)
的透明纸
覆盖在照片上
,
记录下每块岩块投影范 围内的点子数
m
,

任一岩块的块度尺寸
d
可根据下表达式 求得
:
d=a
×
km
3
 计算机图像分析爆破块度法
美国知名爆破工程专家温则采用了一种新的计算摄影
照片块度分布的方法。他将炮孔起爆后某一瞬间< br>,
从台阶正
前方拍摄的岩体爆破鼓包抛出瞬间的“冻结”照片的图像数
字化后< br>,
输入计算机进行处理。计算机首先计算出画面上所
有岩块平面图形面积的尺寸
,
然后由一子程序计算出每一岩
块平面图形的最小宽度
(
他假设岩块的厚度等 于这一最小宽

)
。将每一岩块的面积乘以这一最小宽度和岩石比重即可
求得 每一岩块的重量。然后
,
按一定的尺寸等级在计算机中
进行“筛分”
,
即可求得爆堆的重量分布。从他发表的数据来

,
这种起爆后某一瞬间摄得的爆堆表 面的宽度分布与筛分
结果进行的比较
,
其趋势是一致的
,
只是数据的 波动较大一
些。显然
,
温则的这一方法与前面所述的传统方法是不同
的。国外 已发表的与爆堆图像分析方法有关的方法及系统
概要情况介绍如下。
东德的西瓦特等在“爆堆块 度分析的方法和经验”一文
式中
,
k
———修正系数。
将岩块按其所 含点数
m
或块度尺寸
d
进行分组
,
各组
所有岩块所 含点数的小计和所有岩块总点数之比
,
即为该组
岩块的相对含量。
数点法实际 上是面积法的一种离散处理方法。在计算
机图像处理过程
,
中求特征物投影面积也是采 用的这种方

,
只是其扫描的点阵非常密而已。
2.2
 线段法(
或称随机直线法
)
线段法是另一种积分几何学的蒙托
-
卡罗法
,
将它运用
于爆堆摄影分析与面积法几乎是同时的。原东德弗来贝采
矿科学院 的戴兹
,
对线段法的原理作了详细介绍
,
并进行了
大量的实验工作< br>,
摸索到了一些有价值的规律。其线段法原
理的表述如下
:
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第九期           林大泽
:
爆堆块度评价方法研究的进展
中简单地介绍了电子计算机进行直线扫描的原理
,
即在一系
列水平扫描照片的过程中 利用岩块轮廓分别截取线段。当
扫描完一副照片后将所有线段按照一定的长度区间归类
,

后再分别求出各类线段长度之和对于整个线段长度之和地
百分数
,
从而获 得近似的块度分布。
1978

,
美国富克斯伯公司生产的
95PS D
系列颗粒尺

11

拍照时
,
在爆堆上放置两个 互相垂直的标尺
,
以便调整图像
时使同样大小的物体在宽度、高度上缩小的比例一致。
获取爆堆矿岩的原始图像
,
按使用的仪器与图像记录形
式分
,
有照相机照相和电视摄像机摄像两种方法。前者是以
照片或底片
,
后者则是以录像磁 带作为记录矿岩图像的载
体。显然
,
采用摄像法将减少照相法冲洗胶卷和照片等工
,
更为简单方便。从作为拍照
(

)
对象的矿岩之存 在形式
上讲
,
则有对爆堆初始表面与电铲挖掘断面、车载矿岩及矿
车卸载过程 中的矿岩进行拍照
(

)
几种方法。
采用第一种方法
,是在确定了爆堆表
(

)
具体拍照方案
的基础上
,首先一次性地对爆堆进行抽样拍照
,
之后
,
随着爆
堆挖掘与装载 工作的进行
,
间断地对各挖掘断面进行拍照。
采用此种方法
,
不仅简 单易行
,
效率高
,
而且利于减少对现场
生产的干扰与影响。但是,
采用的拍照技术参数
(
如拍照角

)
是决定图像真实 性的一个重要因素。
车载矿岩照相
(
或摄像
)

,
不仅受到现场装运作业的制
约与影响
,
而且存在不易于同时实现对不能装车的大块进行
统计的缺陷。
对矿车卸载过程中的矿岩流体进行拍照
(

)
,
除不能同
时对大块进行统计外
,
最为突出的问题是难以获得具有足够
清晰度的图像
,
难以保证计算机图像处理与分析结果的准
确性
[2]

寸分布转换器是用于测定传送皮带上固体颗粒尺寸分布的
专门仪器。该仪器主要由颗粒尺寸 传感器和信号处理器两
部分组成。
95PSD
所测定的颗粒尺寸分布实际上是运动皮< br>带上所载表层颗粒的弦长分布
,
它完全依靠硬件操作。
1982
年瑞典
LULEA
大学的
L.
里博格
,
试制出专门用
于处 理爆破岩块块度分布的图像分析系统。这个系统的处
理器是
Z80,
配有视频数字转换 器、微型打印机及微型终端。
传感器部分为一套电视摄像系统。处理机全套装置连同电
视摄像机 系统装在一个轻便的手提箱里
,
便于现场处理。该
系统用机器语言编写程序。处理方法 是先用梯度法检测边

,
反复迭代增强边界
,
然后
,
通过一系列随机直线扫描
,

取与边界线正交的弦作为岩块的特征直径
,< br>从而统计出特征
之境的分布。该系统分析一副照片需要
24min
左右。
4
 我国采用的爆堆图像分析方法
我国在摄影法测定爆堆块度的实际应用工作起步较晚。目前
,
还未有能自动测定的专用系统。但研究工作近年来有
所进展
,主要有马鞍山矿山研究院采用静摄影拍摄爆堆岩

,
取得随机底片
,经适度放大取得照片
,
再用人工方法加宽
岩块边界
(
勾边
)
和修涂每个岩块的中间层次
(
表白
)
,
修描后
的照片再经灰度检测的图像分析系统处理
,
取得中间结果
,
再用电子计算机进 行处理
,
最终建立岩块的分布规律。
综上所述
,
最为突出且代表爆破 块度测量技术研究领域
的趋势和方向的
,
就是基于现代计算机图像分析技术的爆破块度图像分析法。
5.2
 图像处理分析
爆堆矿岩图像的处理及分析的主要包含下 述内容和
步骤
:
(
1
)
图像格式变换。对爆堆进行拍照的图 像
,
经扫描仪
扫描后变成
Windows
支持的
bmp文件。此时
bmp
文件通常为
24

bmp
文件。为了 便于后序的处理工作
,
应把
24

bmp

件在< br>Photoshop
或画图软件上变成
8

(
256

)
bmp
文件。这

bmp
文件的每个字节存放一个象素 的灰度值
,
在图像处理
上极大方便了操作。虽然
24

bm p
文件转变成
8

bmp


,
丢失一些 信息
,
但对统计岩块大小基本无影响。
(
2
)
对图像进行调 整
,
以便岩块在宽度、高度方向上缩
5
 计算机图像分析爆破块度法
  所有的计算机图像分析法
,
虽然采用的具体技术方法和
操作步骤等都不尽相同,
但在实质上都属于对爆破矿岩块度
的间接测量方法
,
其目的在于弥补传 统的大块度计数法和二
次爆破消耗雷管计数法等以单指标评价爆破效果的缺陷
,
求对全爆堆矿岩块度组成给出准确的综合性定量评价。此
类方法的基本内容与一般步骤主要包括:
爆堆矿岩图像的获
取、图像处理与分析、块度统计与分析计算。
小比例一致。对 爆堆进行拍照时
,
由于不是垂直拍照
,
这样
在宽度、高度方向上岩块 缩小的比例不一致。相机镜头与爆
堆表面法线的夹角越大
,
同样长度物体在高度方向上 所占象
素个数越少。
(
3
)
图像上物体边缘的提取。由于爆堆上的岩 块凹凸
不平和光线等原因
,
对爆堆拍照所得图像
,
往往出现岩块中< br>部的灰度值与边缘灰度值相同或还小
,
这样不能自动地对岩
块进行边缘提取。建 议采用简单的人机交互方式提取。在
前面得到的
8

bmp
文件上< br>,
通常用鼠标人为地把岩块边缘
提取出来。这样
,
虽工作量较大
,
但提取的边缘比较准确
,

筛分相比
,
还是大大地节约 了人力、物力。
(
4
)
图像边界跟踪、目标统计和岩块粒度组成。对图像5.1
 爆堆矿岩图像的获取
对爆堆拍照实质上是一种抽样测量方法。诺林等人认

:
抽样拍照面积占总面积的
15%
即足以保证其代表性。
在爆堆表 面和挖掘断面进行拍照
,
要保证拍照面积大于爆堆
表面积的
15%
。 在拍照方法上
,
采用平面倾斜摄影法。由
于倾斜拍照
,
同样大小的物 体在宽度、高度方向上所占象素
个数不同
,
后面计算目标大小时以象素个数为基础,
故每次
进行边缘提取后
,
用中国矿业大学开发的
KDImag eprocess
软件
,
对图像进行边缘跟踪
,
统计目标的面积和周 长
,
再利用
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12

中国安全科 学
ChinaSafetyScience
学报第
13

                 
Journal2003

最佳匹配椭圆体模型推测岩块的粒 度组成。
矿岩图像的计算机处理与分析技术是爆破块度图像分
析法的核心与关键。国内外对此已 进行了大量的研究
,
且取
得了一些积极的进展
,
但还难以在根本上达 到令人满意的效
果。问题的关键在于矿岩图像具有以下特点
:
①反映在图像中的岩块边 界及岩块内部均不具有特定
的灰度特征
,
而且规律性差
;
②计算机的 图像识别基本功能在于它仅能对图像中各
个像素的灰度与色彩进行判断。
此前应用较为普遍的方 法是在图像滤波与增强处理的
基础上
,
对图像进行简单的灰度二值化处理以确定岩块的 边
界。除岩块边界十分清晰的特例外
,
一般都难以取得令人满
意的结果。为解 决此问题
,
必须以手工方式对计算机处理结
果进行数值化修正处理
,
甚至需要对整幅图像进行手工二值
化处理
,
然后才能进行块度数据的计算机统计与分析 。
为了便于对不同爆堆的破碎程度与特点进行比较
,
需要在图
像处理和分析结 果的基础上
,
对不同粒级所占的比率进行统
计计算
,
并找出能够反映 块度分布基本特征的参数。列表法
不能很好的满足这一要求。块度分布柱状图较为直观
,
但也
不利于进行比较和评价。块度分布函数回归法则是最为方
便、有效且应用最为普遍的一种 方法。
从统计的意义上讲
,
爆破后爆堆矿岩的块度分布具有一
定的规律性,
即岩块尺寸与相应的筛下累积率之间具有一定
的数量关系
,
反映这种关 系的块度分布函数主要是
Rossin-
Ramler
函数
(
R-R
函数
)

Gaudin-Meloy
函数
(
G-M


)

Gates-Gaudin-Schumann
函 数
(
G-G-S
函数
)
。这
3
种函数形式都基本上 得到了公认
,
应用普遍
,
但相对于某
个具体的爆堆究竟哪一种最为合 适
,
则取决于矿岩块度分布
的性质
:
若粗粒部分较大
,采用
R-R
函数或
G-M
函数
;

细粒部分比 例较大
,
则采用
G-G-S
函数更为合适
[11]

理论分析和试验检验的结果均表明
,
在统计的意义上
,
爆堆岩块的一维或二 维尺寸与其体积之间均具有良好的相
关性和一致性。但是
,
为更真实准确地对矿岩块度 分布进行
描述
,
在爆堆岩块的一维或二维尺寸与其体积的定量统计关
系确定之 后
,
也可将图像分析结果转换成以体积为块度特征
量的体积块度分布。
5.3
 爆堆块度的定量描述
图像处理和分析的直接结果只包括各个岩块的投影面
积与长度。 因此
,
作为一项完整的爆破块度测量技术
,
还必
须确定能够真正有效 地反映矿岩块度本质特征的各种参数
和综合反映这种矿岩块度分布的描述方法。
所谓块度即是指 矿岩碎块个体的大小
,
它是一个在形式
上很简单的空间概念。但在实际中
,< br>究竟采用岩块的哪一种
特征尺寸来衡量岩块块度的大小更为有效和方便
,
是块度 测
量方法研究工作必须首先解决的问题。从直观上讲
,
由于岩
块属于三维实体
,
因而以其体积作为衡量块度的标准几何特
征参量为理想。根据理论分析及实验检验的 结果
,
岩块投影
的面积、随机弦长
(
随机截距
)
和 最大弦长
(
最大截距
)
都在统
计意义上与岩块的体积有着十分良好的 线性相关关系。对
于一定的岩块集合体
,
岩块体积与其余
3
个参量之 间的线性
比例都将随着抽样次数的增加而趋于一特定常数
,

lim
n
→∞
5.4
 爆堆块度分布统计
进行上述一系列矿岩图像处理功能后
,
岩块的轮廓基本
上能清楚地划分出来。然后进入最后的工作阶段———块度
统计分 析输出。可以认为
,
当各粒级内岩块数目足够多时
,
以矿岩碎块的平面投影尺 寸
(
如面积或周长
)
作为检测爆堆
矿岩块度的几何特征量
,
可以反映出爆堆矿岩地实际爆破破
碎效果。
在处理后的图像中
,
每个 目标区域都有一个特殊的边界
围绕着。根据不同的边界
,
用不同的数值填充
,
充填完整个
图像后
,
统计相应的充填数值得个数及边界数值得个数
,

样就能得到各个目标区域的面积及其周长。
目前还没有于矿岩块度尺寸测量和块度描 述方法的公
认标准。鉴于岩块平面投影尺寸与体积之间具有一定的数
量关系
,
一般应以岩块投影面积或最大弦长来表示块度的大

,
并采用块度分布函数回归方法描 述爆堆矿岩颗粒的块度
分布。
i=
1
6
nn
V
i< br>i=
1
6
A
i
=C
式中
,
V
i
,A
i
———分别表示第
i
个岩块的体积和投影面积
;
C
———一个与该岩块集合形状特征有关的常数。
对于某一具体的爆堆
,在标定岩块体积与上述几何参量
的统计关系之后
,
也可以采用岩块体积作为描述矿 岩块度的
几何特征参量。
矿岩图像在经过二值化、平滑去噪以及边界跟踪
(
检 测
)
等一系列处理工作后
,
每个目标区域都有一个特殊的边界围
绕着 。根据不同的边界
,
用不同的数值填充
,
充填完整个图
像后
,
统计相应的充填数值个数及边界数值的个数
,
这样就
得到各个目标区域的面 积及周长。
由图像分析得到的结果只是各个岩块的一维或二维尺

,
仅由这些 数据本身还不能对爆堆矿岩的组成作出明确的
综合性定量评价。对爆堆矿岩的块度大小与构成进行描述< br>的形式主要有分级数据列表、柱状图及块度分布函数
3
种。
6
 结 论
利用爆堆照片的图像处理方法分析岩石破碎度的技术
是今后评价爆炸效果领域的重要发展方向。 在获得岩块图
像的主要途径和场地条件下图像的基本特征时
,
为避免投影
比例 偏差和减少遮挡偏差
,
在获取爆堆照片时应尽量采用垂
直拍摄方式。爆堆岩块的一维或 二维尺寸与其体积之间均
具有良好的相关性和一致性
,
为矿岩块度的统计定量分布描< br>述提供了理论基础。
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第九期           林大泽
:
爆堆块度评价方法 研究的进展
(
收稿
:2003

6

;
作 者地址
:
四川省绵阳市
;
西南科技大学安全工程科学研究所
;
邮编
:621000
)

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2004
年《安全与环境学报》
《 安全与环境学报》是安全与环境学科的学术性双月刊
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刊号为
ISSN1009-6094CN11-4537X,
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由北京理工大学、中国环境科学学会、中国
劳动保护科学技术学 会主办
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中国科协书记处书记、博士生导师冯长根教授任主编。
《安全与环境学报》主 要刊载石油、化工、环保、矿业、信息、网络、冶金、建筑、交通、勘探、国防等相关领域的安
全科学理 论、安全工程与技术、安全管理与监察理论、安全检测与监测技术、职业安全与卫生、安全评估方法、事故
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保护与管理、灾害及其防治、环境污染及其防治、废物处理及其综合利用、环境质量评价与环境检 测等科学研究新
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