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1940年9月16日，總部下達了百團大戰(zhàn)第二階段作戰(zhàn)命令，指示第二階段作戰(zhàn)目的是擴大戰(zhàn)果。

作戰(zhàn)基本方針是繼續(xù)破壞日軍交通，摧毀深入根據(jù)地的某些據(jù)點。

百團大戰(zhàn)第二階段，晉察冀軍區(qū)主要進行了淶靈戰(zhàn)役，第129師主要進行了榆遼戰(zhàn)役，第120師主要破擊了同蒲路。

八路軍的重機槍戰(zhàn)斗陣地日軍駐蒙軍占領(lǐng)的淶源、靈丘地區(qū)，深入晉察冀邊區(qū)西北部。

駐淶源、靈丘及其附近的是日軍獨立混成第2旅、第26師各一部，共1500余人，另有偽軍1000余人。

日軍受到第一階段打擊后，各據(jù)點紛紛增加兵力（其中淶源城已增到500人左右），增修加固工事，儲備糧彈。

晉察冀軍區(qū)決定調(diào)集部隊，組織淶靈戰(zhàn)役。

1940年9月22日22時，淶靈戰(zhàn)役開始，右翼隊向淶源縣城及其周圍據(jù)點發(fā)起猛烈攻擊。經(jīng)一夜激戰(zhàn)，奪占東、西、南關(guān)，日軍退入城內(nèi)。

百團大戰(zhàn)第二階段，淶靈戰(zhàn)役三甲村戰(zhàn)斗后，被俘的日偽軍及家屬。

1940年9月23日當(dāng)夜，第2團在第1團1個營及炮兵配合下，猛攻淶源城東10公里處淶（源）易（縣）公路上的敵重要據(jù)點三甲村，殲敵大部，將其占領(lǐng)。

同時，第3團向淶源城東北東團堡發(fā)起猛攻，至24日夜，攻克該村周圍全部堡壘，將殘敵壓迫于村中數(shù)間房屋死守。

25日，敵將據(jù)點庫存武器、物資、糧食全部燒毀，準(zhǔn)備突圍。攻擊部隊再度向敵猛攻，殘敵突圍無望，投火自焚。

1940年9月26日，右翼隊其他部隊和平西軍分區(qū)第9團也連克桃花堡、白樂堡、吉家莊、辛莊、北口、下北頭、白石口、中莊、王喜洞、劉家嘴、張家峪、北石佛、金家井等13個據(jù)點。

戰(zhàn)役發(fā)起的第2天，日軍開始由張家口等地南援，由于破路不徹底，日軍推進迅速。

1940年9月28日中午，日偽軍3000余人搭乘汽車，在坦克20輛、飛機4架的掩護下，進抵淶源城。

在這種情況下，右翼隊已難開展有利的攻勢，晉察冀軍區(qū)乃決心轉(zhuǎn)移攻勢于靈丘地區(qū)，第一步掃除靈丘、渾源間敵據(jù)點，第二步奪取大營東南至神堂堡一線及大營、沙河以北山地內(nèi)敵據(jù)點。

10月2日，晉察冀軍區(qū)命令右翼隊主力集結(jié)淶源以東及東南地區(qū)整理，一部監(jiān)視鉗制淶源之?dāng)常硪缘?、第2團歸左翼隊指揮，加入左翼隊作戰(zhàn)。

1940年10月8日夜，第1團第1營乘南坡頭日軍一部出動襲擊第2團之機，向南坡頭發(fā)起進攻，一舉襲入敵陣，殲敵大部，殘敵逃竄。

同時，第6團第1營攻克搶風(fēng)嶺，青磁窯日軍望風(fēng)而逃，9日夜，第6團第3營攻擊了金峰店。

此外，向靈丘、廣靈間出擊的第26團8日夜曾一度攻入黃臺寺。

1940年10月9日，晉察冀軍區(qū)發(fā)覺第1軍分區(qū)《抗敵報》第35期9月22日社論無意中將百團大戰(zhàn)第二階段企圖泄露。

這時，靈丘方面，渾源、廣靈日軍1300余人南援，開始反撲。