CN111425245A - 一种基于采空区漏风场优化的煤与瓦斯共生灾害防治方法 - Google Patents
一种基于采空区漏风场优化的煤与瓦斯共生灾害防治方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于采空区漏风场优化的煤与瓦斯共生灾害防治方法,A、确定采空区及其上覆岩层裂隙场分布范围,进而确定钻孔位置的高度范围;B、根据裂隙场分布范围及现有煤矿地质资料确定合理的瓦斯抽采方式;C、确定钻场分布情况;D、监测工作面瓦斯浓度及CO浓度,并检测采空区漏风速度;E、调节抽采主管路的抽采负压及设置瓦斯传感;F、确定漏风速度和瓦斯浓度对煤自燃和瓦斯爆炸共存可能性ε;G、根据确定的安全范围,得出煤矿的实际抽采负压;本发明通过考虑采空区流场变化情况,确定本煤层合理的抽采负压,从而使得采空区漏风场达到最优化,进而能在保障瓦斯抽采效果的同时实现煤与瓦斯共生灾害防治的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于采空区漏风场优化的煤与瓦斯共生灾害防治方法。
背景技术
煤炭是目前广泛采用的主要能源物质之一,但其开采时的瓦斯、火、水、粉尘等灾害却制约着煤炭工业的发展。随着开采深度的增加,煤层瓦斯含量和瓦斯压力不断增高,地温梯度急剧增大,大量浅部低瓦斯矿井升级为高瓦斯矿井甚至是煤与瓦斯突出矿井,不易自燃煤层转变成可自燃煤层甚至是极易自燃煤层,导致瓦斯与煤自燃灾害交织共生,灾害风险不断增大,呈现多种灾害耦合作用,煤矿安全生产形势愈加严峻。近年来,随着煤与瓦斯共生灾害越发凸显,这种共生灾害发展成为煤矿特重大事故导火索的致灾模式,对煤矿安全生产造成了严重威胁,遏制了煤炭工业持续健康发展,因此必须采取有效措施解决瓦斯与煤共生灾害。
目前,关于煤与瓦斯共生灾害防治的方法也有一些研究,如申请号为201910632444.X的中国专利,提出了一种利用顺层定向钻孔抽采瓦斯和防灭火的方法,该方法通过施工顺层定向钻孔,以负压的方式抽采采空区中瓦斯,再向采空区注入防灭火材料,防止采空区中遗煤自燃;又如申请号为201911152741.0的中国专利,提出了一种煤层采空区瓦斯与煤自燃协同防治方法,利用旁路式高位走向长钻孔抽采瓦斯,进风巷布置注浆管路连续向采空区注阻燃浆体封堵漏风通道,再连续向采空区注水成膜胶体泡沫防治采空区煤炭自燃。上述方法虽然能在一定程度上既可以防治瓦斯超限又可以防治煤自燃,但在前期准备防灭火材料耗时较长,所需成本较高;并且没有很好解决采空区瓦斯在抽采过程中会导致遗煤自然发火的危险性,由于当抽采瓦斯时,空气及瓦斯的流动造成采空区内的氧气浓度及气体温度发生改变,当温度上升后又会造成流场重新分布,流场重新分布后又会造成氧气浓度场及温度场发生改变,如此反复下去最终会导致采空区内遗煤自燃,而上述防治方法未考虑采空区流场问题,在进行瓦斯抽采时容易造成煤自燃灾害。此外,上述方法未考虑抽采负压对抽采效果的影响,即抽采负压过低,会造成瓦斯流动动力不足,允许抽采的瓦斯量少;抽采负压过高容易造成钻孔内外压差过大而出现钻孔漏气,抽采浓度过低,浪费负压资源,同时煤自燃风险也急剧增加。因此,如何提供一种方法能充分考虑采空区流场问题,以及确定本煤层合理的抽采负压,从而保障瓦斯抽采效果的同时防止煤自燃,是本发明所要解决的技术问题。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题,本发明提供一种基于采空区漏风场优化的煤与瓦斯共生灾害防治方法,通过考虑采空区流场变化情况,确定本煤层合理的抽采负压,从而使得采空区漏风场达到最优化,进而能在保障瓦斯抽采效果的同时实现煤与瓦斯共生灾害防治的目的。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案是:一种基于采空区漏风场优化的煤与瓦斯共生灾害防治方法,具体步骤为:
A、确定采空区及其上覆岩层裂隙场分布范围,进而确定钻孔位置的高度范围:采空区煤层的裂隙带高度范围采用如下公式(1)计算得出,采空区上覆岩层的裂隙带高度范围通过已知地质资料得出;由于钻孔位置位于采空区煤层的裂隙带高度范围内,因此采用公式(2)得出;
其中,∑M为煤层厚度,HF为采空区煤层的裂隙带高度,HD为钻孔位置的高度;
B、根据裂隙场分布范围及现有煤矿地质资料确定合理的瓦斯抽采方式:根据步骤A确定的裂隙场分布范围及现有煤矿地质资料,选择高位钻孔法、顶板巷道抽放法、插管抽放法和高抽巷抽放法的其中一种确定为当前煤矿的瓦斯抽采方式;其中优选高位钻孔法,其能抽放出高浓度瓦斯,抽放量稳定,适用于有邻近层开采的工作面,涌出量在15~20m3/min之间;
C、确定钻场分布情况:在回风巷沿线依次布置多个钻场,且各个钻场均位于回风巷的上方,在每个钻场中钻设九个钻孔、且以矩阵的形式排列,然后通过抽采主管路分别连接各个钻孔进行瓦斯抽采;
D、监测工作面瓦斯浓度及CO浓度,并检测采空区漏风速度:正常回采过程中,从工作面回风隅角位置处开始,沿回风巷每隔10m设有一瓦斯浓度传感器及CO浓度传感器,各个瓦斯浓度传感器监测周围的瓦斯浓度,同时各个CO浓度传感器监测周围的CO浓度,均反馈给监测系统;采用SF6(六氟化硫)气体示踪技术检测采空区漏风速度,选择在进风巷高能位点的裂缝处作为释放地点,SF6检测仪的取样地点为低能位点的工作面回风隅角,经过计算得出采空区的漏风速度;
E、调节抽采主管路的抽采负压及设置瓦斯传感器:在抽采主管路上设置阀门和孔板流量计,用于调节所需负压;先设定一个抽采负压值,开始调节阀门开度时,将抽采主管路内的抽采负压从低到高逐渐增加,并观察孔板流量计处的负压变化,直到调节到设定的抽采负压值,保持阀门开度;在抽采管路中设置固定式本质安全型红外管道瓦斯传感器,用来检测抽采主管路内抽采的瓦斯浓度;
F、确定漏风速度和瓦斯浓度对煤自燃和瓦斯爆炸共存可能性ε:在进行瓦斯抽采过程中,监测系统将各个瓦斯浓度传感器反馈的数据传递给数据中心,同时计算得出的采空区漏风速度传递给数据中心;数据中心采用数学计算模型评价漏风速度和瓦斯浓度对煤自燃和瓦斯爆炸共存的可能性ε,具体数学计算模型为:
式中:εv是根据漏风率定义的煤自燃和瓦斯爆炸共存可能性;εc是根据瓦斯浓度定义的煤自燃和瓦斯爆炸共存可能性;v为采空区的漏风速度;vc为冷却区的极限漏气速度;va为窒息区的极限漏气速度;c为各个瓦斯浓度传感器每次检测浓度值中的最大值;cu为瓦斯浓度的爆炸上限;ci为瓦斯浓度的爆炸下限;
将εv和εc值进行比较,选择两者之间较小的作为漏风速度和瓦斯浓度对煤自燃和瓦斯爆炸共存可能性ε,具体如公式(5):
ε=min(εv,εc) (5);
G、确定煤矿的实际抽采负压:按照当前煤矿的实际情况结合已知安全资料确定ε的安全范围(ε的安全范围因卸压区渗透率、煤自燃特性和煤吸附特性等因素影响,应根据煤矿实际情况进行选择,现有研究及实践表明ε的安全范围一般在0.7以下,安全范围最大值提高会加大煤自燃与瓦斯共生灾害的可能性,另外ε值如太低将导致抽采效果不理想,经济效益低),并进入如下步骤;
①将步骤F得出的与确定的安全范围进行比较,若ε处于安全范围内,则进入步骤②;若ε未处于安全范围内,则进入步骤④;
②将各个瓦斯浓度传感器检测浓度值中的最大值与1%的阈值进行比较,若最大值低于
1%的阈值,则进入步骤③;若最大值大于等于1%的阈值,则进入步骤④;
③将各个CO浓度传感器检测浓度值中的最大值与0.0024%的阈值进行比较,若最大值
低于0.0024%的阈值,则确定当前的抽采负压值为煤矿实际抽采负压值进行煤矿瓦斯抽
采;若最大值大于等于0.0024%的阈值,则进入步骤④;
④重新设定一个抽采负压值,并重复步骤E至G。
进一步,所述步骤C具体为:在回风巷沿线依次布置5个钻场,且各个钻场均位于回风巷的上方,在每个钻场中钻设九个钻孔、且以矩阵的形式排列,每个钻场尺寸均为6m×3.5m×2.8m,每个钻孔的孔径为150mm,相邻钻孔相距200mm;然后通过抽采主管路分别连接各个钻孔进行瓦斯抽采。
进一步,所述步骤D中采空区漏风速度具体检测过程为:在地面将SF6气体装入氧气袋中带往选定的一个释放地点处释放SF6气体并开始计时,同时用GPS仪测量释放点坐标并记录下来;在工作面回风隅角取样地点用SF6检测仪进行实时检测,将当SF6检测仪检测到SF6气体时停止计时并记录时长,然后根据公式(6)得出本次检测的采空区漏风风速;
其中,v为采空区的漏风风速,m/min;l为释放地点与取样地点之间的漏风距离,m;t为从SF6释放到检测仪检测到SF6所经历的时长,min;
然后在第一个释放点结束检测后隔天再选择一处释放地点重复上述检测过程,得到该次检测的采空区漏风风速,如此重复多次,获得多个采空区漏风风速,最后取平均值,即为检测得出采空区的漏风风速。
与现有技术相比,本发明先确定钻场分布情况,然后在瓦斯抽采过程中监测工作面瓦斯浓度及CO浓度,根据建立的计算模型确定漏风速度和瓦斯浓度对煤自燃和瓦斯爆炸共存可能性ε;最后判断计算得到的ε是否属于安全范围及判断工作面瓦斯浓度及CO浓度是否处于安全范围;直至两者均符合,确定当前的抽采负压值为煤矿实际抽采负压值进行煤矿瓦斯抽采;本发明通过考虑采空区流场变化情况,确定本煤层合理的抽采负压,从而使得采空区漏风场达到最优化,进而能在保障瓦斯抽采效果的同时实现煤与瓦斯共生灾害防治的目的。
附图说明
图1是本发明的整体流程图;
图2是本发明的采空区钻场布置示意图;
图3是本发明的钻场中钻孔布置剖面图;
图4是本发明的监测系统布置示意图。
图中:1、崩落带,2、裂隙带,3、弯曲变形带,4、进风巷,5、回风巷,6、钻场,7、工作面,8、采空区,9、监测系统,10、瓦斯浓度传感器及CO浓度传感器。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图1至图4所示,本发明的具体步骤为:
A、确定采空区及其上覆岩层裂隙场分布范围,进而确定钻孔位置的高度范围:采空区煤层的裂隙带2高度范围采用如下公式(1)计算得出,采空区上覆岩层的裂隙带高度范围通过已知地质资料得出;由于钻孔位置位于采空区8煤层的裂隙带2高度范围内,因此采用公式(2)得出;
其中,∑M为煤层厚度,HF为采空区8煤层的裂隙带2高度,HD为钻孔位置的高度;
B、根据裂隙场分布范围及现有煤矿地质资料确定合理的瓦斯抽采方式:根据步骤A确定的裂隙场分布范围及现有煤矿地质资料,选择高位钻孔法、顶板巷道抽放法、插管抽放法和高抽巷抽放法的其中一种确定为当前煤矿的瓦斯抽采方式;其中优选高位钻孔法,其能抽放出高浓度瓦斯,抽放量稳定,适用于有邻近层开采的工作面,涌出量在15~20m3/min之间;
C、确定钻场分布情况:在回风巷5沿线依次布置多个钻场6,且各个钻场6均位于回风巷5的上方,在每个钻场6中钻设九个钻孔、且以矩阵的形式排列,然后通过抽采主管路分别连接各个钻孔进行瓦斯抽采;
D、监测工作面瓦斯浓度及CO浓度,并检测采空区漏风速度:正常回采过程中,从工作面回风隅角位置处开始,沿回风巷每隔10m设有一瓦斯浓度传感器及CO浓度传感器10,各个瓦斯浓度传感器监测周围的瓦斯浓度,同时各个CO浓度传感器监测周围的CO浓度,均反馈给监测系统;采用SF6(六氟化硫)气体示踪技术检测采空区漏风速度,选择在进风巷高能位点的裂缝处作为释放地点,SF6检测仪的取样地点为低能位点的工作面回风隅角,经过计算得出采空区的漏风速度;
E、调节抽采主管路的抽采负压及设置瓦斯传感器:在抽采主管路上设置阀门和孔板流量计,用于调节所需负压;先设定一个抽采负压值,开始调节阀门开度时,将抽采主管路内的抽采负压从低到高逐渐增加,并观察孔板流量计处的负压变化,直到调节到设定的抽采负压值,保持阀门开度;在抽采管路中设置固定式本质安全型红外管道瓦斯传感器,用来检测抽采主管路内抽采的瓦斯浓度;
F、确定漏风速度和瓦斯浓度对煤自燃和瓦斯爆炸共存可能性ε:在进行瓦斯抽采过程中,监测系统9将各个瓦斯浓度传感器反馈的数据传递给数据中心,同时计算得出的采空区漏风速度传递给数据中心;数据中心采用数学计算模型评价漏风速度和瓦斯浓度对煤自燃和瓦斯爆炸共存的可能性ε,具体数学计算模型为:
式中:εv是根据漏风率定义的煤自燃和瓦斯爆炸共存可能性;εc是根据瓦斯浓度定义的煤自燃和瓦斯爆炸共存可能性;v为采空区的漏风速度;vc为冷却区的极限漏气速度;va为窒息区的极限漏气速度;c为各个瓦斯浓度传感器每次检测浓度值中的最大值;cu为瓦斯浓度的爆炸上限;ci为瓦斯浓度的爆炸下限;
将εv和εc值进行比较,选择两者之间较小的作为漏风速度和瓦斯浓度对煤自燃和瓦斯爆炸共存可能性ε,具体如公式(5):
ε=min(εv,εc) (5);
G、确定煤矿的实际抽采负压:按照当前煤矿的实际情况结合已知安全资料确定ε的安全范围(ε的安全范围因卸压区渗透率、煤自燃特性和煤吸附特性等因素影响,应根据煤矿实际情况进行选择,现有研究及实践表明ε的安全范围一般在0.7以下,安全范围最大值提高会加大煤自燃与瓦斯共生灾害的可能性,另外ε值如太低将导致抽采效果不理想,经济效益低),并进入如下步骤;
①将步骤F得出的与确定的安全范围进行比较,若ε处于安全范围内,说明瓦斯爆炸及煤自燃的可能性极低,则进入步骤②;若ε未处于安全范围内,则进入步骤④;
②将各个瓦斯浓度传感器检测浓度值中的最大值与1%的阈值进行比较,若最大值低于
1%的阈值,此时工作面回风隅角的瓦斯浓度极低,说明大部分瓦斯被抽采出去,瓦斯
抽采效果较好,则进入步骤③;若最大值大于等于1%的阈值,则进入步骤④;
③将各个CO浓度传感器检测浓度值中的最大值与0.0024%的阈值进行比较,若最大值
低于0.0024%的阈值,说明采空区8内没有煤自燃的迹象,则确定当前的抽采负压值为
煤矿实际抽采负压值进行煤矿瓦斯抽采;若最大值大于等于0.0024%的阈值,则进入步
骤④;
④重新设定一个抽采负压值,并重复步骤E至G。
进一步,所述步骤C具体为:在回风巷5沿线依次布置5个钻场6,且各个钻场6均位于回风巷5的上方,在每个钻场6中钻设九个钻孔、且以矩阵的形式排列,每个钻场6尺寸均为6m×3.5m×2.8m,每个钻孔的孔径为150mm,相邻钻孔相距200mm;然后通过抽采主管路分别连接各个钻孔进行瓦斯抽采。
进一步,所述步骤D中采空区漏风速度具体检测过程为:在地面将SF6气体装入氧气袋中带往选定的一个释放地点处释放SF6气体并开始计时,同时用GPS仪测量释放点坐标并记录下来;在工作面回风隅角取样地点用SF6检测仪进行实时检测,将当SF6检测仪检测到SF6气体时停止计时并记录时长,然后根据公式(6)得出本次检测的采空区漏风风速;
其中,v为采空区的漏风风速,m/min;l为释放地点与取样地点之间的漏风距离,m;t为从SF6释放到检测仪检测到SF6所经历的时长,min;
然后在第一个释放点结束检测后隔天再选择一处释放地点重复上述检测过程,得到该次检测的采空区漏风风速,如此重复多次,获得多个采空区漏风风速,最后取平均值,即为检测得出采空区的漏风风速。
试验证明:
新集二矿位于中国安徽省淮南市,矿区面积从东向西6公里,南北长5公里,面积约22km2,预测煤炭地质储量5.33亿吨,可采储量1.93亿吨。该矿具有绝对瓦斯瓦斯涌出量39.01m3/min,相对瓦斯涌出量9.84m3/t,属煤与瓦斯突出矿井。进风巷设计长度858.5m,回风巷设计长度835.9m,工作面长度59.7m,其中4.2m厚煤层有自燃倾向,瓦斯含量高,工作面瓦斯绝对排放量大,平均16.9m3/min,有诱发瓦斯爆炸和煤自燃的可能。
采用本发明的方法在111310工作面回风巷沿线修建了5个高水平钻井平台,分别位于巷道上方,用于在空间上钻孔排瓦斯。第一个钻井场距明沟80m,1-4号钻井场间距70m,第五个钻井场距4号钻井场55m,距停钻线76m。五个钻井场大小相同,均为6m×3.5m×2.8m(长×宽×高)。在每个钻井场中,钻一到九个孔以矩阵的形式排列,一个钻井场的控制区覆盖了前一个钻井场,重叠30m;
经过本发明进行现场实践,确定该矿适宜采用13kpa的负压进行抽采,采用该负压值进行实际瓦斯抽采时,抽采的瓦斯平均流量为28.24m3/min,瓦斯平均浓度为17.03%,纯瓦斯平均流量为4.84m3/min,获得的经济效益较高。在此期间,工作面回风隅角的瓦斯浓度从未超过1%的阈值,达到了预期的瓦斯抽采目标;同时工作面内一氧化碳浓度保持在0.0024%以下,说明采空区没有煤自燃的迹象。
Claims (3)
1.一种基于采空区漏风场优化的煤与瓦斯共生灾害防治方法,其特征在于,具体步骤为:
A、确定采空区及其上覆岩层裂隙场分布范围,进而确定钻孔位置的高度范围:采空区煤层的裂隙带高度范围采用如下公式(1)计算得出,采空区上覆岩层的裂隙带高度范围通过已知地质资料得出;由于钻孔位置位于采空区煤层的裂隙带高度范围内,因此采用公式(2)得出;
其中,∑M为煤层厚度,HF为采空区煤层的裂隙带高度,HD为钻孔位置的高度;
B、根据裂隙场分布范围及现有煤矿地质资料确定合理的瓦斯抽采方式:根据步骤A确定的裂隙场分布范围及现有煤矿地质资料,选择高位钻孔法、顶板巷道抽放法、插管抽放法和高抽巷抽放法的其中一种确定为当前煤矿的瓦斯抽采方式;
C、确定钻场分布情况:在回风巷沿线依次布置多个钻场,且各个钻场均位于回风巷的上方,在每个钻场中钻设九个钻孔、且以矩阵的形式排列,然后通过抽采主管路分别连接各个钻孔进行瓦斯抽采;
D、监测工作面瓦斯浓度及CO浓度,并检测采空区漏风速度:正常回采过程中,从工作面回风隅角位置处开始,沿回风巷每隔10m设有一瓦斯浓度传感器及CO浓度传感器,各个瓦斯浓度传感器监测周围的瓦斯浓度,同时各个CO浓度传感器监测周围的CO浓度,均反馈给监测系统;采用SF6气体示踪技术检测采空区漏风速度,选择在进风巷高能位点的裂缝处作为释放地点,SF6检测仪的取样地点为低能位点的工作面回风隅角,经过计算得出采空区的漏风速度;
E、调节抽采主管路的抽采负压及设置瓦斯传感器:在抽采主管路上设置阀门和孔板流量计,用于调节所需负压;先设定一个抽采负压值,开始调节阀门开度时,将抽采主管路内的抽采负压从低到高逐渐增加,并观察孔板流量计处的负压变化,直到调节到设定的抽采负压值,保持阀门开度;在抽采管路中设置固定式本质安全型红外管道瓦斯传感器,用来检测抽采主管路内抽采的瓦斯浓度;
F、确定漏风速度和瓦斯浓度对煤自燃和瓦斯爆炸共存可能性ε:在进行瓦斯抽采过程中,监测系统将各个瓦斯浓度传感器反馈的数据传递给数据中心,同时计算得出的采空区漏风速度传递给数据中心;数据中心采用数学计算模型评价漏风速度和瓦斯浓度对煤自燃和瓦斯爆炸共存的可能性ε,具体数学计算模型为:
式中:εv是根据漏风率定义的煤自燃和瓦斯爆炸共存可能性;εc是根据瓦斯浓度定义的煤自燃和瓦斯爆炸共存可能性;v为采空区的漏风速度;vc为冷却区的极限漏气速度;va为窒息区的极限漏气速度;c为各个瓦斯浓度传感器每次检测浓度值中的最大值;cu为瓦斯浓度的爆炸上限;ci为瓦斯浓度的爆炸下限;
将εv和εc值进行比较,选择两者之间较小的作为漏风速度和瓦斯浓度对煤自燃和瓦斯爆炸共存可能性ε,具体如公式(5):
ε=min(εv,εc) (5);
G、确定煤矿的实际抽采负压:按照当前煤矿的实际情况结合已知安全资料确定ε的安全范围,并进入如下步骤;
①将步骤F得出的与确定的安全范围进行比较,若ε处于安全范围内,则进入步骤②;若ε未处于安全范围内,则进入步骤④;
②将各个瓦斯浓度传感器检测浓度值中的最大值与1%的阈值进行比较,若最大值低于1%的阈值,则进入步骤③;若最大值大于等于1%的阈值,则进入步骤④;
③将各个CO浓度传感器检测浓度值中的最大值与0.0024%的阈值进行比较,若最大值低于0.0024%的阈值,则确定当前的抽采负压值为煤矿实际抽采负压值进行煤矿瓦斯抽采;若最大值大于等于0.0024%的阈值,则进入步骤④;
④重新设定一个抽采负压值,并重复步骤E至G。
2.根据权利要求1所述的基于采空区漏风场优化的煤与瓦斯共生灾害防治方法,其特征在于,所述步骤C具体为:在回风巷沿线依次布置5个钻场,且各个钻场均位于回风巷的上方,在每个钻场中钻设九个钻孔、且以矩阵的形式排列,每个钻场尺寸均为6m×3.5m×2.8m,每个钻孔的孔径为150mm,相邻钻孔相距200mm;然后通过抽采主管路分别连接各个钻孔进行瓦斯抽采。
3.根据权利要求1所述的基于采空区漏风场优化的煤与瓦斯共生灾害防治方法,其特征在于,所述步骤D中采空区漏风速度具体检测过程为:在地面将SF6气体装入氧气袋中带往选定的一个释放地点处释放SF6气体并开始计时,同时用GPS仪测量释放点坐标并记录下来;在工作面回风隅角取样地点用SF6检测仪进行实时检测,将当SF6检测仪检测到SF6气体时停止计时并记录时长,然后根据公式(6)得出本次检测的采空区漏风风速;
其中,v为采空区的漏风风速,m/min;l为释放地点与取样地点之间的漏风距离,m;t为从SF6释放到检测仪检测到SF6所经历的时长,min;
然后在第一个释放点结束检测后隔天再选择一处释放地点重复上述检测过程,得到该次检测的采空区漏风风速,如此重复多次,获得多个采空区漏风风速,最后取平均值,即为检测得出采空区的漏风风速。
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