CN106840996B - 一种受采动影响煤体渗透率测定装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种受采动影响煤体渗透率测定装置及其使用方法。本发明涉及一种受采动影响煤体渗透率测定装置及其使用方法。高瓦斯煤层开采，采场前方煤体内瓦斯受釆动影响通过裂隙向采场空间渗透，为了能够测定釆动煤体内瓦斯渗透率情况，因此急需一种考虑受采动影响煤体渗透率测定装置。所述的可拆卸堵头Ⅰ的左侧连接气体管路Ⅰ，所述的气体管路Ⅰ的左侧连接瓦斯储存罐，所述的气体管路Ⅰ的右侧上依次设置气体稳压器Ⅰ、气体压力传感器Ⅰ与气体流量计Ⅰ。能够开展不同釆动应力、不同开采高度、不同瓦斯浓度、不同瓦斯压力条件下煤体内瓦斯渗透率测定实验，研究井下采场前方煤体受釆动影响下瓦斯渗透率变化规律。本发明用于受采动影响煤体的渗透率测定装置及方法。

Description

一种受采动影响煤体渗透率测定装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种受采动影响煤体渗透率测定装置及其使用方法。

背景技术

在开采煤炭资源过程中会伴随着多种灾害事故的发生，如瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等。为了有效地防治瓦斯事故的发生，在采煤过程中对瓦斯容易涌出和富集的区域进行有效地抽放是十分重要的。我国煤层普遍具有低渗透性的特点，抽采瓦斯不仅可以大幅降低煤层瓦斯含量，减少发生瓦斯动力灾害的机率，还可将瓦斯作为一种清洁能源加以利用。在煤层开采过程中，采场前方煤体受采动影响易引起煤体层理裂隙发育、贯通及煤体变形甚至破坏，影响着瓦斯渗流和扩散，直接控制着瓦斯导流方向和富集特征，进而极大地影响到煤层瓦斯抽采效果。瓦斯抽采是煤矿瓦斯治理的关键技术措施，渗透率是矿井瓦斯抽采的关键参数，利用釆动影响提高采场煤体的瓦斯渗透率，将对提高抽采效果和实现抽采最大化有着重要意义。

现有研究中，通常都在煤体三轴压缩实验过程中考虑煤体瓦斯渗透率问题，这样仅仅是考虑了煤体单元受三维应力作用时瓦斯渗透情况，而在实际开采过程中瓦斯是在受釆动影响的采场前方大范围煤体内渗透，所得结果未能完全反映釆动煤体内瓦斯渗透率情况，因此急需一种受采动影响煤体渗透率测定装置及其使用方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种受采动影响煤体渗透率测定装置及其使用方法，测定煤体受采动影响下的渗透率。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种受采动影响煤体渗透率测定装置，其组成包括：实验平台、压力传感器、计算机、数据采集仪，所述的实验平台1包括基础底座2和铸铁框架3，所述的基础底座2的两侧为铸铁框架3，所述的铸铁框架3的上端为铸铁顶梁4，所述的铸铁框架3的背侧底部设置铸铁横梁5，所述的基础底座2的顶面设置煤样加载腔体6，所述的煤样加载腔体6的左侧设置可拆卸堵头Ⅰ7-1，所述的可拆卸堵头Ⅰ7-1穿过铸铁框架3的左侧，所述的煤样加载腔体6的上端设置煤样固定器8；

所述的铸铁顶梁4的底面通过螺栓固定一组伺服加载装置Ⅰ13，每个所述的伺服加载装置Ⅰ13的中心均设置一个垂直加载连杆10，所述的垂直加载连杆10的底端设置加压板Ⅰ9-1，所述的加压板Ⅰ9-1的底面设置在煤样固定器8的顶端，所述的垂直加载连杆10与加压板Ⅰ9-1之间设置压力传感器Ⅰ14；

所述的铸铁框架3的内侧面通过螺栓固定一组伺服加载装置Ⅱ17，每个所述的伺服加载装置Ⅱ17的中心均设置一个水平加载连杆16，所述的水平加载连杆16的底端设置加压板Ⅱ9-2，所述的加压板Ⅱ9-2的底面设置在煤样固定器8的侧面，所述的水平加载连杆16与加压板Ⅱ9-2之间设置压力传感器Ⅱ18；

所述的可拆卸堵头Ⅰ7-1的左侧连接气体管路Ⅰ26，所述的气体管路Ⅰ26的左侧连接瓦斯储存罐25，所述的气体管路Ⅰ26的右侧上依次设置气体稳压器Ⅰ27、气体压力传感器Ⅰ28与气体流量计Ⅰ29；

所述的伺服加载装置Ⅰ13与伺服加载装置Ⅱ17均连接分油器23，所述的分油器23连接油压稳压器22，所述的油压稳压器22以液压管路连接液压油箱21的出油口，

所述的煤样加载腔体6的右侧设置可拆卸堵头Ⅱ7-2，所述的可拆卸堵头Ⅱ7-2穿过铸铁框架3的右侧，所述的可拆卸堵头Ⅱ7-2的右侧连接气体管路Ⅱ31，所述的气体管路Ⅱ31上依次设置阀门32、气体稳压器Ⅱ33、气体压力传感器Ⅱ34与气体流量计Ⅱ35；

所述的压力传感器Ⅰ14与压力传感器Ⅱ18通过电缆线路连接数据采集仪20，所述的数据采集仪20连接计算机19。

所述的一种受采动影响煤体渗透率测定装置，所述的垂直加载连杆10、伺服加载装置Ⅰ13、加压板Ⅰ9-1、分油器23组成垂直应力加载系统12。

所述的一种受采动影响煤体渗透率测定装置，所述的水平加载连杆16、伺服加载装置Ⅱ17、加压板Ⅱ9-2分油器23组成水平应力加载系统15。

所述的一种受采动影响煤体渗透率测定装置，所述的垂直应力加载系统12和水平应力加载系统15组成应力加载系统11。

所述的一种受采动影响煤体渗透率测定装置，所述的瓦斯储存罐25、气体管路Ⅰ26、气体稳压器Ⅰ27、气体压力传感器Ⅰ28与气体流量计Ⅰ29组成气体输入系统24。

所述的一种受采动影响煤体渗透率测定装置，气体管路Ⅱ31、阀门32、气体稳压器Ⅱ33、气体压力传感器Ⅱ34与气体流量计Ⅱ35组成气体输出系统30。

所述的一种受采动影响煤体渗透率测定装置的使用方法，实验包括以下步骤：

第一步：首先将长方体煤样放置于煤样加载腔体6内，将可拆卸堵头Ⅰ7-1与可拆卸堵头Ⅱ7-2分别涂好密封胶放置到煤样固定器8的两个端口处使之与煤样固定器8的两个端口完全粘合没有缝隙。

第二步：开启垂直应力加载系统12和水平应力加载系统15，使加压板Ⅰ9-1与加压板Ⅱ9-2接触到煤样固定器8。

第三步：关闭气体输出系统30的阀门32，此时整个实验装置形成了一个闭合的空间。

第四步：进行气密性检测，开启瓦斯储存罐25的阀门，向煤样加载腔体6内注入瓦斯气体，注入时长为11分钟。

第五步：11分钟后，关闭瓦斯储存罐25的阀门，观察压力传感器28是否变化。

第六步：如果压力传感器示数未发生改变，则表示煤样加载腔体6的密封性能良好，可以进下一步试验。如果压力传感器示数发生改变则表示煤样加载腔体6的密封性能不好，需要进行查找漏气地方并加以补救，以确保煤样加载腔体6的密封性能良好。

第七步：完成气密性检测后，将瓦斯储气罐25的阀门打开，使瓦斯在气体管路Ⅰ26内依次通过气体稳压器Ⅰ27、气体压力传感器Ⅰ28与气体流量计Ⅰ29后进入到煤样加载腔体6内，气体输入系统24和气体输出系统30开始对瓦斯的压力、流量进行监测。

第八步：启动垂直应力加载系统12，伺服加载装置Ⅰ13使得垂直加载连杆10向下运动，加压板Ⅰ9-1开始对煤样加载腔体6内的煤样施加垂直应力，模拟采场前方煤体受到超前支承压力的作用，应力峰值逐渐向采场前方移动。

第九步：启动水平应力加载系统15，伺服加载装置Ⅱ17使得水平加载连杆16向水平方向运动，加压板Ⅱ9-2开始对煤样加载腔体6内的煤样施加水平应力。

第十步：随着垂直应力与水平应力的施加过程中，读取气体输入系统24的气体压力传感器Ⅰ28的压力，通过气体流量计Ⅰ29记录煤体中注入瓦斯流量；读取气体输出系统30中气体压力传感器Ⅱ34的压力，通过气体流量计Ⅱ35记录煤体中渗出瓦斯流量，数据处理得出釆动影响下煤层瓦斯渗透率。

有益效果：

本发明的实验系统和方法能够进行不同釆动应力、不同开采高度、不同瓦斯浓度、不同瓦斯压力条件下煤体内瓦斯渗透率实验，主要用于模拟井下采场前方煤体受釆动影响下瓦斯渗透率变化规律研究，为煤矿瓦斯灾害防治与瓦斯抽采利用提供了实验装置及方法。

2.本发明的装置及方法充分考虑釆动影响，将水平应力和支承压力共同作用于煤体，实现了微裂隙、裂隙、破碎状态煤体作为一个整体测定瓦斯渗透率的行为，同时通过数据实时采集装置，准确监测到煤体瓦斯的渗透率变化趋势，具有结构合理、操作简便、测量准确等优点。

附图说明：

附图1是本发明的结构示意图。

附图2是本发明的水平应力加载系统的结构示意图。

附图3是本发明的伺服加载装置Ⅰ的结构示意图。

具体实施方式：

实施例1

一种受采动影响煤体渗透率测定装置，其组成包括：实验平台、压力传感器、计算机、数据采集仪，所述的实验平台1包括基础底座2和铸铁框架3，所述的基础底座2的两侧为铸铁框架3，所述的基础底座2的上端为铸铁顶梁4，所述的铸铁框架3的背侧底部设置铸铁横梁5，所述的基础底座2通过螺栓连接铸铁框架3，所述的铸铁框架3通过螺栓连接铸铁顶梁4，所述的铸铁框架3为加厚板，基础底座2为厚钢板以螺栓形式固定在混凝土地基上，所述的基础底座2的顶面设置煤样加载腔体6，基础底座2开有螺纹孔，煤体加载腔体6的底板通过螺杆与基础底座2上的螺纹孔连接，煤体加载腔体6的侧向护板以焊接方式相连接并固定在加载腔体6底板上，顶板以焊接的方式固定在侧板上，所述的煤样加载腔体6的左侧设置可拆卸堵头Ⅰ7-1，所述的可拆卸堵头Ⅰ7-1穿过铸铁框架3的左侧，所述的煤样加载腔体6的上端设置煤样固定器8，煤样固定器8为薄层耐高压橡胶套，煤样固定器8呈长方体形状；

所述的铸铁横梁5的侧面通过螺栓固定一组伺服加载装置Ⅰ13，每个所述的伺服加载装置Ⅰ13的中心均设置一个垂直加载连杆10，所述的垂直加载连杆10的底端设置加压板Ⅰ9-1，所述的加压板Ⅰ9-1为8个，加压板Ⅰ9-1呈正方形，加压板Ⅰ9-1上设置螺纹孔与垂直加载连杆10以螺栓相连，所述的加压板Ⅰ9-1的底面设置在煤样固定器8的顶端，所述的垂直加载连杆10与加压板Ⅰ9-1之间设置压力传感器Ⅰ14；

所述的铸铁横梁5的侧面通过螺栓固定一组伺服加载装置Ⅱ17，所述的伺服加载装置Ⅱ17的数量为8个，每个所述的伺服加载装置Ⅱ17的中心均设置一个水平加载连杆16，所述的水平加载连杆16的底端设置加压板Ⅱ9-2，加压板Ⅱ9-2呈正方形，加压板Ⅱ9-2上设置螺纹孔与水平加载连杆16以螺栓相连，所述的加压板Ⅱ9-2的底面设置在煤样固定器8的侧面，所述的水平加载连杆16与加压板Ⅱ9-2之间设置压力传感器Ⅱ18；

所述的可拆卸堵头Ⅰ7-1的左侧连接气体管路Ⅰ26，所述的气体管路Ⅰ26的左侧连接瓦斯储存罐25，所述的气体管路Ⅰ26的右侧上依次设置气体稳压器Ⅰ27、气体压力传感器Ⅰ28与气体流量计Ⅰ29；

所述的伺服加载装置Ⅰ13与伺服加载装置Ⅱ17均连接分油器23，所述的分油器23连接油压稳压器22，所述的油压稳压器22以液压管路连接液压油箱21的出油口，

所述的煤样加载腔体6的右侧设置可拆卸堵头Ⅱ7-2，所述的可拆卸堵头Ⅱ7-2穿过铸铁框架3的右侧，所述的可拆卸堵头Ⅱ7-2的右侧连接气体管路Ⅱ31，所述的气体管路Ⅱ31上依次设置阀门32、气体稳压器Ⅱ33、气体压力传感器Ⅱ34与气体流量计Ⅱ35；

所述的压力传感器Ⅰ14与压力传感器Ⅱ18通过电缆线路连接数据采集仪20，所述的数据采集仪20连接计算机19。

可拆卸堵头Ⅰ7-1与可拆卸堵头Ⅱ7-2内均为金属材质立方体，外侧为法兰套，金属材质立方体内设置有十六个气孔，左侧堵头气孔联通到外侧气体输出系统的入气端，右侧堵头气孔联通到外侧气体输出系统的入气端。法兰套设置有连接孔十二个，煤样腔体侧板设置与之对应的螺纹孔，采用螺杆将堵头与煤样腔体侧板相连，为了更好的密封法兰套与煤样腔体侧板之间有密封胶圈。

实施例2

实施例所述的一种受采动影响煤体渗透率测定装置，所述的垂直加载连杆10、伺服加载装置Ⅰ13、加压板Ⅰ9-1、分油器23组成垂直应力加载系统12。

实施例3

实施例1所述的一种受采动影响煤体渗透率测定装置，所述的水平加载连杆16、伺服加载装置Ⅱ17、加压板Ⅱ9-2分油器23组成水平应力加载系统15。

实施例4

实施例2所述的一种受采动影响煤体渗透率测定装置，所述的垂直应力加载系统12和水平应力加载系统15组成应力加载系统11，所述的应力加载系统11由液压油箱21供给液压应力。

实施例5

实施例1所述的一种受采动影响煤体渗透率测定装置，所述的瓦斯储存罐25、气体管路Ⅰ26、气体稳压器Ⅰ27、气体压力传感器Ⅰ28与气体流量计Ⅰ29组成气体输入系统24。气体输入系统24用于给煤体提供渗透瓦斯源，监测初始瓦斯压力。

实施例6

实施例1所述的一种受采动影响煤体渗透率测定装置，气体管路Ⅱ31、阀门32、气体稳压器Ⅱ33、气体压力传感器Ⅱ34与气体流量计Ⅱ35组成气体输出系统30。气体输出系统30用于监测气体通过煤体的瓦斯流量以及瓦斯压力情况。

实施例7

利用实施例1所述的一种受采动影响煤体渗透率测定装置，实验方法包括以下步骤：

第一步：首先将长方体煤样放置于煤样加载腔体6内，将可拆卸堵头Ⅰ7-1与可拆卸堵头Ⅱ7-2分别涂好密封胶放置到煤样固定器8的两个端口处使之与煤样固定器8的两个端口完全粘合没有缝隙。

第二步：开启垂直应力加载系统12和水平应力加载系统15，使加压板Ⅰ9-1与加压板Ⅱ9-2接触到煤样固定器8。

第三步：关闭气体输出系统30的阀门32，此时整个实验装置形成了一个闭合的空间。

第四步：进行气密性检测，开启瓦斯储存罐25的阀门，向煤样加载腔体6内注入瓦斯气体，注入时长为11分钟。

第五步：11分钟后，关闭瓦斯储存罐25的阀门，观察压力传感器28是否变化。

第六步：如果压力传感器示数未发生改变，则表示煤样加载腔体6的密封性能良好，可以进下一步试验。如果压力传感器示数发生改变则表示煤样加载腔体6的密封性能不好，需要进行查找漏气地方并加以补救，以确保煤样加载腔体6的密封性能良好。

第七步：完成气密性检测后，将瓦斯储气罐25的阀门打开，使瓦斯在气体管路Ⅰ26内依次通过气体稳压器Ⅰ27、气体压力传感器Ⅰ28与气体流量计Ⅰ29后进入到煤样加载腔体6内，气体输入系统24和气体输出系统30开始对瓦斯的压力、流量进行监测。

在煤炭开采过程中，对采场前方的煤体釆动应力进行长期监测，统计出垂直应力与水平应力的变化规律，利用计算机编程的形式将垂直应力与水平应力的变化规律编制到应力控制系统中。实现釆动应力对采场前方煤体的作用，进而来测定采场煤体受釆动影响煤体瓦斯渗透率变化情况。

第八步：启动垂直应力加载系统12，伺服加载装置Ⅰ13使得垂直加载连杆10向下运动，加压板Ⅰ9-1开始对煤样加载腔体6内的煤样施加垂直应力，模拟采场前方煤体受到超前支承压力的作用，应力峰值逐渐向采场前方移动。

第九步：启动水平应力加载系统15，伺服加载装置Ⅱ17使得水平加载连杆16向水平方向运动，加压板Ⅱ9-2开始对煤样加载腔体6内的煤样施加水平应力。

第十步：随着垂直应力与水平应力的施加过程中，读取气体输入系统24的气体压力传感器Ⅰ28的压力，通过气体流量计Ⅰ29记录煤体(是指煤样)中注入瓦斯流量；读取气体输出系统30中气体压力传感器Ⅱ34的压力，通过气体流量计Ⅱ35记录煤体中渗出瓦斯流量，数据处理得出釆动影响下煤层瓦斯渗透率。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种受采动影响煤体渗透率测定装置，其组成包括：实验平台、压力传感器、计算机、数据采集仪，其特征是：所述的实验平台(1)包括基础底座(2)和铸铁框架(3)，所述的基础底座(2)的两侧为铸铁框架(3)，所述的铸铁框架(3)的上端为铸铁顶梁(4)，所述的铸铁框架(3)的背侧底部设置铸铁横梁(5)，所述的基础底座(2)上设置煤样加载腔体(6)，所述的煤样加载腔体(6)的左侧设置可拆卸堵头Ⅰ(7-1)，所述的可拆卸堵头Ⅰ(7-1)穿过铸铁框架(3)的左侧，所述的煤样加载腔体(6)的上端设置煤样固定器(8)；

所述的铸铁顶梁(4)的底面通过螺栓固定一组伺服加载装置Ⅰ(13)，每个所述的伺服加载装置Ⅰ(13)的中心均设置一个垂直加载连杆(10)，所述的垂直加载连杆(10)的底端设置加压板Ⅰ(9-1)，所述的加压板Ⅰ(9-1)的底面设置在煤样固定器(8)的顶端，所述的垂直加载连杆(10)与加压板Ⅰ(9-1)之间设置压力传感器Ⅰ(14)；

所述的铸铁横梁(5)的内侧面通过螺栓固定一组伺服加载装置Ⅱ(17)，每个所述的伺服加载装置Ⅱ(17)的中心均设置一个水平加载连杆(16)，所述的水平加载连杆(16)的底端设置加压板Ⅱ(9-2)，所述的加压板Ⅱ(9-2)的底面设置在煤样固定器(8)的侧面，所述的水平加载连杆(16)与加压板Ⅱ(9-2)之间设置压力传感器Ⅱ(18)；

所述的可拆卸堵头Ⅰ(7-1)的左侧连接气体管路Ⅰ(26)，所述的气体管路Ⅰ(26)的左侧连接瓦斯储存罐(25)，所述的气体管路Ⅰ(26)的右侧上依次设置气体稳压器Ⅰ(27)、气体压力传感器Ⅰ(28)与气体流量计Ⅰ(29)；

所述的伺服加载装置Ⅰ(13)与伺服加载装置Ⅱ(17)均连接分油器(23)，所述的分油器(23)连接油压稳压器(22)，所述的油压稳压器(22)以液压管路连接液压油箱(21)的出油口，

所述的煤样加载腔体(6)的右侧设置可拆卸堵头Ⅱ(7-2)，所述的可拆卸堵头Ⅱ(7-2)穿过铸铁框架(3)的右侧，所述的可拆卸堵头Ⅱ(7-2)的右侧连接气体管路Ⅱ(31)，所述的气体管路Ⅱ(31)上依次设置阀门(32)、气体稳压器Ⅱ(33)、气体压力传感器Ⅱ(34)与气体流量计Ⅱ(35)；

所述的压力传感器Ⅰ(14)与压力传感器Ⅱ(18)通过电缆线路连接数据采集仪(20)，所述的数据采集仪(20)连接计算机(19)；

所述的垂直加载连杆(10)、伺服加载装置Ⅰ(13)、加压板Ⅰ(9-1)、分油器(23)组成垂直应力加载系统(12)；

所述的水平加载连杆(16)、伺服加载装置Ⅱ(17)、加压板Ⅱ(9-2)分油器(23)组成水平应力加载系统(15)；

所述的垂直应力加载系统(12)和水平应力加载系统(15)组成应力加载系统(11)；

所述的瓦斯储存罐(25)、气体管路Ⅰ(26)、气体稳压器Ⅰ(27)、气体压力传感器Ⅰ(28)与气体流量计Ⅰ(29)组成气体输入系统(24)；

气体管路Ⅱ(31)、阀门(32)、气体稳压器Ⅱ(33)、气体压力传感器Ⅱ(34)与气体流量计Ⅱ(35)组成气体输出系统(30)。

2.利用权利要求1所述的一种受采动影响煤体渗透率测定装置的使用方法，其特征是：实验包括以下步骤：

第一步：首先将长方体煤样放置于煤样加载腔体(6)内，将可拆卸堵头Ⅰ(7-1)与可拆卸堵头Ⅱ(7-2)分别涂好密封胶放置到煤样固定器(8)的两个端口处使之与煤样固定器8的两个端口完全粘合没有缝隙；

第二步：开启垂直应力加载系统(12)和水平应力加载系统(15)，使加压板Ⅰ(9-1)与加压板Ⅱ(9-2)接触到煤样固定器(8)；

第三步：关闭气体输出系统(30)的阀门(32)，此时整个实验装置形成了一个闭合的空间；

第四步：进行气密性检测，开启瓦斯储存罐(25)的阀门，向煤样加载腔体(6)内注入瓦斯气体，注入时长为11分钟；

第五步：11分钟后，关闭瓦斯储存罐(25)的阀门，观察压力传感器(28)是否变化；

第六步：如果压力传感器示数未发生改变，则表示煤样加载腔体(6)的密封性能良好，可以进下一步试验，如果压力传感器示数发生改变则表示煤样加载腔体(6)的密封性能不好，需要进行查找漏气地方并加以补救，以确保煤样加载腔体(6)的密封性能良好；

第七步：完成气密性检测后，将瓦斯储气罐(25)的阀门打开，使瓦斯在气体管路Ⅰ(26)内依次通过气体稳压器Ⅰ(27)、气体压力传感器Ⅰ(28)与气体流量计Ⅰ(29)后进入到煤样加载腔体(6)内，气体输入系统(24)和气体输出系统(30)开始对瓦斯的压力、流量进行监测；

第八步：启动垂直应力加载系统(12)，伺服加载装置Ⅰ(13)使得垂直加载连杆(10)向下运动，加压板Ⅰ(9-1)开始对煤样加载腔体(6)内的煤样施加垂直应力，模拟采场前方煤体受到超前支承压力的作用，应力峰值逐渐向采场前方移动；

第九步：启动水平应力加载系统(15)，伺服加载装置Ⅱ(17)使得水平加载连杆(16)向水平方向运动，加压板Ⅱ(9-2)开始对煤样加载腔体(6)内的煤样施加水平应力；

第十步：随着垂直应力与水平应力的施加过程中，读取气体输入系统(24)的气体压力传感器Ⅰ(28)的压力，通过气体流量计Ⅰ(29)记录煤体中注入瓦斯流量；读取气体输出系统(30)中气体压力传感器Ⅱ(34)的压力，通过气体流量计Ⅱ(35)记录煤体中渗出瓦斯流量，数据处理得出釆动影响下煤层瓦斯渗透率。

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