劉心廣 徐建國 馬慶福 劉承志 魏久傳 張偉杰 李孝朋
(1. 兗州煤業(yè)鄂爾多斯能化有限公司,內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市,017000;2.鄂爾多斯市營盤壕煤炭有限公司,內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市,017000;3.內(nèi)蒙古昊盛煤業(yè)有限公司,內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市,017000;4. 山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,山東省青島市,266590)
鄂爾多斯等西部礦區(qū)地層具有沖積層淺、弱膠結(jié)基巖厚度大、多個富水巖層發(fā)育的特征,為保障井筒施工安全,全深凍結(jié)法鑿井技術(shù)在富水巖層井筒建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。
凍結(jié)法鑿井技術(shù)的原理是利用井筒周圍鉆設(shè)的凍結(jié)孔將低溫媒劑在孔內(nèi)循環(huán)使用,吸收圍巖熱量而在地層中形成以凍結(jié)孔為結(jié)點的凍結(jié)止水帷幕。成井后地層逐漸解凍,止水帷幕失效,凍結(jié)孔中的凍結(jié)管與孔壁之間的環(huán)形空間將形成隱蔽的豎向?qū)ǖ溃陂L期水—巖作用下或凍結(jié)孔被井巷工程揭露后,經(jīng)常發(fā)生滲水及涌水災(zāi)害,甚至造成淹井事故,嚴重影響礦井建設(shè)和生產(chǎn)安全。
由于凍結(jié)孔環(huán)形空間的隱蔽性和由此引發(fā)涌水災(zāi)害的嚴重性,其涌水災(zāi)害預(yù)防與治理已成為重要技術(shù)課題。目前,國內(nèi)相關(guān)專家重點關(guān)注凍結(jié)井筒涌水災(zāi)害的治理方法與技術(shù)研究,常規(guī)方法包括壁后注漿法、射孔注漿法、引流注漿法及環(huán)形截水巷道治理技術(shù)。其中壁后注漿法重點和難點在于探查與定位涌水通道,實際工程中即使能暫時揭露導(dǎo)水通道并封堵,但在地下水滲透壓力和開采擾動作用下將發(fā)展為新通道,需要反復(fù)注漿,難以做到標本兼治;射孔注漿工藝復(fù)雜,技術(shù)難度大,費用較高,且很多工程不具備該方法的基本條件;引流注漿技術(shù)是將動水變?yōu)殪o水開展治理工程,在致災(zāi)凍結(jié)孔確定的情況下能夠取得良好治理效果;環(huán)形截水巷道治理技術(shù)主要適用于凍結(jié)孔被直接揭露情形,該方法能夠?qū)⒕仓車膬鼋Y(jié)孔全部揭露并封堵,封堵質(zhì)量好,然而工程量大,費用較高,且在軟巖內(nèi)施工環(huán)形巷道具有一定的風(fēng)險。以上研究主要針對環(huán)形通道引起水害事故所采取的災(zāi)后治理方法。隨著對凍結(jié)孔環(huán)形空間導(dǎo)水通道認識的加深,工程技術(shù)人員逐漸意識到通過凍結(jié)孔環(huán)形空間預(yù)處理可從根源上預(yù)防此類災(zāi)害的發(fā)生,其中代表性治理方法為泥漿置換技術(shù),有效防止了井底馬頭門等井巷工程水害事故,但受制于置換水泥漿凝膠時間等因素,環(huán)形空間置換高度有限且不可避免產(chǎn)生封閉不良區(qū)段。
此外,井壁與凍結(jié)地層之間的間隙也是隱伏的豎向?qū)ǖ?,地層循環(huán)凍融過程中促進巖層中損傷通道發(fā)展,解凍后將成為圍巖地下水進入到井筒的通道,因此非常必要與凍結(jié)孔環(huán)形空間聯(lián)合治理。
本文針對全深凍結(jié)鑿井技術(shù)施工的井筒周圍的凍結(jié)孔及井壁空隙等隱蔽豎向?qū)ǖ乐聻?zāi)機制進行了分析,提出隱蔽豎向?qū)ǖ烙克?lián)合治理技術(shù)體系;在該技術(shù)體系指導(dǎo)下,以營盤壕煤礦主井為例,制定了詳盡的聯(lián)合治理方案并付諸實踐,取得了良好的治理效果。
我國西部全深凍結(jié)法施工的井筒,由于緩凝水泥漿置換高度受限等原因或未采用預(yù)防措施,凍結(jié)管與孔壁之間的環(huán)形空間不能完全封閉,形成隱蔽且通暢的豎向?qū)ǖ馈鼋Y(jié)止水帷幕解凍后,由于開挖擾動及長期的水—巖相互作用,圍巖內(nèi)部裂隙增生和擴展,當與環(huán)形空間溝通或在井壁接茬等薄弱環(huán)節(jié)時,井筒內(nèi)將出現(xiàn)涌水等災(zāi)害,主要有如下3種情形,如圖1所示。
圖1 全深凍結(jié)井筒隱蔽豎向通道致災(zāi)示意圖
(1)高壓大流量涌水,破壞井巷工程圍巖。凍結(jié)孔環(huán)形空間未采取封閉措施,井底馬頭門等輔助井巷工程施工期間,不可避免地揭露或擾動凍結(jié)孔,凍結(jié)孔導(dǎo)水通道被截斷,造成孔內(nèi)出現(xiàn)高壓大流量涌水,特殊情況下還伴有碎石、泥砂等被沖蝕或凍融剝離的圍巖碎屑物。該類災(zāi)害涌水量大、壓力高,治理難度大。如胡家河礦主井井筒中因箕斗裝載硐室、上倉通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷貫通施工時揭露凍結(jié)孔而發(fā)生多次涌水事故,圍巖破壞嚴重,最大涌水量超過150 m3/h。
(2)井壁淋水,影響井筒正常運營。凍結(jié)帷幕形成及井筒掘進過程中,凍脹力的聚積與釋放加劇巖層變形與破壞,形成損傷裂隙;井筒成井后地層解凍,地下水滲透力造成弱膠結(jié)巖體軟化、泥化,土壓力與地下水靜水壓力聯(lián)合施加于井壁上,造成井壁受壓破損而產(chǎn)生裂隙,形成滲水通道。此外,井筒接茬處密封質(zhì)量較差,與滲水通道連通時將引起長期井壁淋水;若得不到及時治理,則有可能出現(xiàn)大流量涌水事故,如平煤某礦風(fēng)井凍結(jié)段施工完成解凍后,在主要含水層段出現(xiàn)井壁破損及淋水現(xiàn)象,采用壁后注漿方法處理過程中,井壁壓裂形成孔洞,涌水量激增到300 m3/h,造成井筒被淹。
(3)工作面頂板涌水量激增,增加礦井排水費用。在水頭差作用下,不同含水層水通過隱蔽豎向通道發(fā)生水力聯(lián)系。西部礦區(qū)煤層開采過程中,裂采比相對中東部礦區(qū)顯著增大,形成范圍較大的導(dǎo)水裂縫帶。開采煤層直接充水含水層中地下水以導(dǎo)水裂縫帶為通道涌入開采工作面,同時造成含水層測壓水位下降,增加了與其他含水層之間的水頭差;不斷增大的水頭差強化了其他含水層與直接充水含水層間的水力聯(lián)系,表現(xiàn)為上部含水層水持續(xù)補給直接充水含水層,導(dǎo)致開采工作面持久性涌水且涌水量激增,大大增加了礦井排水費用。長期的高速水流沖蝕作用還將不斷擴充豎向?qū)ǖ酪?guī)模,引起圍巖持久性弱化。
因此,為了防止凍結(jié)范圍地層隱蔽豎向?qū)ǖ勒T發(fā)涌水、涌泥、工作面涌水量增加等地質(zhì)災(zāi)害,需針對井筒凍結(jié)孔及井壁與圍巖間隙進行全面預(yù)注漿處治。
基于我國西部礦區(qū)全深凍結(jié)井筒隱蔽豎向?qū)ǖ乐聻?zāi)機理分析,本文以地質(zhì)及水文地質(zhì)分析為基礎(chǔ),采用凍結(jié)孔空間定位技術(shù),結(jié)合治理工程施工中的信息實時反饋和方案設(shè)計的動態(tài)調(diào)整機制,提出凍結(jié)法施工井筒隱蔽豎向?qū)ǖ谰C合治理技術(shù),技術(shù)體系如圖2所示。
首先進行礦井地質(zhì)資料與水文地質(zhì)資料分析,重點研究井筒施工資料、凍結(jié)孔測斜與封閉信息、含(隔)水層分布特征,開展凍結(jié)孔封閉質(zhì)量評價及突涌水致災(zāi)危險性分析;基于井筒附近地質(zhì)勘探鉆孔,從礦井水文地質(zhì)學(xué)角度研究巖性組合特征,在凍結(jié)孔封閉不良段內(nèi)確定致災(zāi)水源及最佳的注漿治理區(qū)段;分析凍結(jié)孔在不同深度上的測斜資料,研究所有凍結(jié)孔在治理區(qū)段內(nèi)的跡線變化,確定其空間位置;然后制定凍結(jié)孔環(huán)形空間及井壁與圍巖間隙的綜合治理方案,包括注漿鉆孔方案設(shè)計及注漿方案設(shè)計;在此基礎(chǔ)上,在井筒內(nèi)構(gòu)筑活動式工作平臺,利用該平臺實施鉆孔及注漿工程,根據(jù)鉆孔施工及注漿過程中信息實施反饋,動態(tài)調(diào)整鉆孔布設(shè)方案及注漿參數(shù);注漿結(jié)束后施工檢查孔評價注漿效果,必要時開展補充注漿。
圖2 綜合治理體系圖
營盤壕煤礦位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯烏審旗境內(nèi),采用立井開拓方式,設(shè)計生產(chǎn)能力1200萬t/a,主井及副井采用全深凍結(jié)法施工。主井井口標高+1247.50 m,井筒直徑(凈)9.40 m,井筒深度849.50 m,穿越表土層厚度43.58 m,基巖段厚度805.92 m。主井凍結(jié)深度865.00 m,凍結(jié)范圍包括井筒下部裝載硐室;凍結(jié)鉆孔44個,鉆孔直徑192 mm,凍結(jié)管采用?140 mm×6 mm無縫鋼管;測溫管5個,采用?127 mm×5 mm無縫鋼管,營盤壕煤礦主井凍結(jié)孔及測溫孔平面分布如圖3所示。凍結(jié)管下入之前,主井凍結(jié)孔采用泥漿置換技術(shù)封閉了自孔底以上200 m范圍,環(huán)形空間其他區(qū)段未進行封堵。
營盤壕煤礦主井穿越的主要基巖含水層有兩個,分別為白堊系下統(tǒng)志丹群(K1zh)和侏羅系中統(tǒng)直羅組(J2z)承壓含水層,基本特征如下:
(1)白堊系下統(tǒng)志丹群(K1zh)孔隙裂隙承壓水含水層。該含水層主要為中、細粒砂巖,次為粗粒砂巖或含礫粗粒砂巖,泥質(zhì)膠結(jié),結(jié)構(gòu)疏松,局部裂隙發(fā)育。志丹群含水層平均厚度315.06 m,水位標高+1244.41 m,單位涌水量為0.348~0.454 L/(s·m),滲透系數(shù)為0.137~0.578 m/d。因此該含水層的富水性中等,透水性與導(dǎo)水性能強,且天然條件下該含水層與下部承壓水含水層的水力聯(lián)系較小。
(2)侏羅系中統(tǒng)直羅組(J2z)孔隙裂隙承壓水含水層。該含水層主要由灰綠色、灰白色中粗粒砂巖組成,夾灰色、淺灰色砂質(zhì)泥巖、粉砂巖和各粒級砂巖,全區(qū)皆有分布。直羅組含水層平均厚度53.04 m,水位標高+1252.37~+1252.39 m,鉆孔單位涌水量為0.0429~0.0508 L/(s·m),滲透系數(shù)為0.125~0.160 m/d,因此該含水層的富水性弱,透水性與導(dǎo)水性能差。
圖3 營盤壕煤礦主井凍結(jié)孔及測溫孔平面分布圖
營盤壕煤礦主井施工完成并解凍后,未發(fā)生涌水、滲水現(xiàn)象。為防止礦井投產(chǎn)運營后井筒水害發(fā)生及主采2-2煤層開采過程中工作面頂板涌水量過大,亟需對凍結(jié)孔環(huán)形空間及井壁間隙進行預(yù)注漿封堵。本文將之前構(gòu)建的綜合治理技術(shù)體系運用至盤壕煤礦井筒豎向隱蔽致災(zāi)通道的注漿治理工程中。
3.2.1確定凍結(jié)孔環(huán)形空間封閉不良范圍并評價其危險性
營盤壕煤礦主井采用全深凍結(jié)法施工,凍結(jié)孔共計44個,測溫孔5個。分析各凍結(jié)孔封閉資料可知,主井凍結(jié)孔環(huán)形空間僅封閉了自孔底以上200 m的范圍,而主采2-2煤層頂板包括直羅組及志丹群等承壓含水層均未封閉,成為含水層間產(chǎn)生水力聯(lián)系的通道。根據(jù)地質(zhì)勘探資料,營盤壕煤礦2-2煤層平均厚度6.29 m,距直羅組承壓含水層平均距離為44.59 m。為預(yù)計2-2煤層導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度,本文采用類比方法計算導(dǎo)水裂縫帶范圍。選取與本礦地質(zhì)、開采條件及覆巖條件類似的金雞灘煤礦、轉(zhuǎn)龍灣煤礦、胡家河煤礦等10余個礦井,根據(jù)實測資料,類比礦井典型工作面裂采比為13.7~22.7,平均為18.0,故營盤壕煤礦2-2煤層裂采比取18.0,則導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度預(yù)計為113.2 m,已波及至直羅組承壓含水層。礦井生產(chǎn)階段,直羅組水通過導(dǎo)水裂縫帶進入到開采空間內(nèi),導(dǎo)致水位下降,而上部的志丹群承壓含水層將通過環(huán)形空間等豎向通道對其持續(xù)補給,必將增加開采區(qū)涌水量,增加排水成本。
3.2.2研究豎向通道封閉不良段巖性組合特征并確定最佳注漿治理區(qū)段
為節(jié)約治理成本及縮短工期,豎向?qū)ǖ罒o需完全注漿封堵,僅需在含水層間的穩(wěn)定隔水層中選擇合適區(qū)段實施注漿工程,封堵隱蔽豎向?qū)ǖ兰纯伞?jù)本礦地質(zhì)資料可知,直羅組與志丹群承壓含水層間安定組穩(wěn)定分布,其巖性主要為粉砂巖和泥巖,為良好天然隔水層。根據(jù)實際情況,本工程選擇+813.5~+731.5 m里程段內(nèi)施工。
3.2.3凍結(jié)孔探查及其空間定位
根據(jù)凍結(jié)孔在不同深度的測斜資料,掌握每個鉆孔沿深度上的軌跡形態(tài),繪制鉆孔軌跡平面圖及剖面圖,尤其是繪制注漿區(qū)段內(nèi)鉆孔軌跡圖,確定凍結(jié)孔空間位置,以指導(dǎo)注漿鉆孔方位角設(shè)計。
3.2.4 隱蔽豎向?qū)ǖ谰C合注漿方案設(shè)計
聯(lián)合注漿方案主要包括注漿材料選擇及調(diào)配方法、注漿液擴散范圍、漿鉆孔布置方式、注漿順序、注漿壓力及注漿結(jié)束標準等部分。
(1)注漿材料選擇及動態(tài)調(diào)配。為提高漿液在豎向通道內(nèi)的擴散距離并增強凝膠體與圍巖的粘結(jié)力,進而強化封堵效果,本次注漿以水泥單液漿為主、水泥—水玻璃雙液漿(C-S漿液)為輔。漿液由P.O 42.5普通硅酸鹽水泥、水玻璃(模數(shù)M=3.1~3.4,濃度為35~40 Be)及水配制而成,其中水泥漿采取由稀到濃的順序逐級調(diào)整,水灰比(即水與水泥的質(zhì)量比)調(diào)配區(qū)間為2~0.5;若單液漿注漿量過大或長期不起壓,則提高漿液濃度,必要時改用雙液漿,雙液漿C∶S=2∶1~1∶1,凝膠時間控制為0.25~15 min。
(2)漿液擴散范圍。根據(jù)相鄰礦區(qū)壁后注漿經(jīng)驗,壁后空隙內(nèi)漿液擴散距離設(shè)計為3~5 m,凍結(jié)孔環(huán)形空間內(nèi)擴散距離設(shè)計為20~30 m,因此鉆孔設(shè)計時需要保證相鄰鉆孔注漿范圍產(chǎn)生重疊以保證注漿效果。
(3)注漿鉆孔布置方式。采用下行式注漿。設(shè)計為1#~6#組注漿鉆孔,其中每組包括7個注漿斷面,各斷面由7個注漿孔組成,則每組鉆孔49個,用于揭露44個凍結(jié)孔及5個測溫孔。注漿斷面間距2 m,鉆孔呈梅花狀布置;綜合考慮凍結(jié)孔方位以及井筒內(nèi)電纜及管路的位置,斷面內(nèi)相鄰鉆孔間距為2.78~5.41 m。梅花狀布孔方式不僅可以保證任意相鄰的兩個鉆孔注漿擴散范圍產(chǎn)生重疊,還能避免同一斷面鉆孔布置太密而影響井壁質(zhì)量。
各注漿鉆孔均設(shè)計為揭露凍結(jié)孔及測溫孔,并以此確定鉆孔方位角與深度,注漿孔設(shè)計深度為4.30~9.56 m,如圖4所示。
圖4 各組注漿鉆孔布置平面示意圖
(4)注漿鉆孔施工方法及注漿順序。注漿孔通過風(fēng)鉆施工,使用?42 mm鉆頭開孔1.0 m,下入?42 mm×600 mm不銹鋼管作為孔口管;固管后換用?32 mm鉆頭套孔鉆進。各組鉆孔按照1#~6#順序施工,組內(nèi)鉆孔鉆至壁后間隙時實施注漿;當組內(nèi)所有鉆孔完成壁后注漿后繼續(xù)鉆進直至揭露凍結(jié)孔及測溫孔,實施環(huán)形空間注漿封堵。
(5)注漿壓力及注漿結(jié)束標準。注漿壓力是注漿過程的關(guān)鍵控制參數(shù),根據(jù)參考文獻,注漿壓力pg由下式確定:
pg=pw+(0.5~1.5)
(1)
式中:pg——注漿壓力,MPa;
pw——地層靜水壓力,MPa。
根據(jù)礦井水文地質(zhì)資料,注漿段靜水壓力約為5.16 MPa,則注漿終壓不高于6.66 MPa。
注漿結(jié)束標準:注入水泥單液漿達到終壓后,注漿速率降低至50~60 L/min且穩(wěn)定30 min,可結(jié)束注漿;若漿液為C-S雙液漿,注漿壓力達到終壓,且兩種漿液的總注漿速率降至100~200 L/min 且穩(wěn)定30 min,可結(jié)束注漿。
(6)活動式施工平臺設(shè)計與構(gòu)筑。為便于施工和運輸,施工平臺利用主井1號及2號主箕斗上部安裝臨時工作平臺。平臺與箕斗之間經(jīng)10 mm厚鋼板做成的連接扣連接,連接扣之間穿過?30 mm×400 mm連接銷,連接銷末端鉆?12 mm孔起到固定作用;施工平臺梁采用16#槽鋼,表面鋪設(shè)4 mm網(wǎng)紋花板?;穬蓚?cè)副盤,使用2根?76 mm×6 mm無縫鋼管分別焊接在施工平臺與箕斗上,中間各串一根?50 mm×6 mm無縫鋼管伸至井壁作為副盤骨架,骨架上固定50 mm厚木板作為副盤平臺。施工平臺結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。
圖5 活動式工作平臺結(jié)構(gòu)示意圖
(7)綜合治理工程信息化施工。注漿過程中漿液濃度、單雙液漿調(diào)換及注漿壓力等注漿參量需根據(jù)現(xiàn)場施工條件動態(tài)調(diào)整。此外,根據(jù)凍結(jié)孔揭露效率與注漿封堵情況及時調(diào)整注漿孔布置方式和施工順序,在保障注漿封堵效果的基礎(chǔ)上,降低工程費用并縮短工期。
(8)注漿效果檢驗及局部補充注漿。注漿工程結(jié)束后,利用已有工作平臺在井筒不同位置施工檢查孔,隨機抽檢凍結(jié)孔環(huán)形空間及壁后空隙注漿封堵效果,當檢查孔涌水量不大于0.1 m3/h時,則達到注漿要求。
營盤壕煤礦綜合治理工程于2016年11月11日-12月6日實施,注漿鉆孔在實施過程中根據(jù)注漿效果及時進行了動態(tài)調(diào)整。在+813.5~+801.5 m里程段內(nèi)1#組鉆孔揭露凍結(jié)孔34個,鉆孔涌水量大,多個鉆孔涌水量達40~60 m3/h,表明凍結(jié)孔環(huán)形空間是重要且危險的隱蔽導(dǎo)水通道。凍結(jié)孔及注漿孔全部注漿封堵,根據(jù)注漿量測算漿液擴散距離較大,注漿效果較好。因此動態(tài)調(diào)整鉆孔施工順序,跳過2#組、4#組及5#組,直接施工3#組與6#組的部分鉆孔,并優(yōu)化鉆孔斷面間距及減少鉆孔數(shù)量。本次注漿共計施工有效鉆孔94個,凍結(jié)孔及測溫孔全部揭露,注入水泥60.85 t,水玻璃0.32 t。
注漿結(jié)束后,分別在+785.5 m、+783.5 m、+781.5 m、+779.5 m、+775.5 m、+775.5 m、+773.5 m、+737.5 m等井筒里程處施工檢查孔18個,隨機挑選凍結(jié)孔檢查注漿封堵質(zhì)量。檢驗結(jié)果表明,16個檢查孔無涌水,2個檢查孔涌水量小于0.01 m3/h,達到驗收要求。此外,由于鉆孔揭露井壁與圍巖間隙后未發(fā)現(xiàn)明顯涌水,因此在治理過程中將壁后間隙和環(huán)形空間同時注漿封堵,經(jīng)檢查孔檢驗,注漿效果良好。綜上所述,在全深凍結(jié)井筒圍巖隱蔽豎向?qū)ǖ谰C合治理關(guān)鍵技術(shù)的指導(dǎo)下,營盤壕主井凍結(jié)孔環(huán)形空間全部被注漿封堵,且工期短、費用低、經(jīng)濟效益顯著。
(1)我國西部礦區(qū)沖積層淺、基巖弱膠結(jié)且遇水易軟化和泥化,井筒施工過程中常選用全深凍結(jié)法施工,然而封閉不良的凍結(jié)孔及井壁后間隙成為重要隱蔽導(dǎo)水通道,在井筒建設(shè)期間及運營期間均可能引發(fā)涌水災(zāi)害;同時溝通了開采煤層直接充水含水層與其他含水層,造成工作面涌水量增大,排水費用及開采成本激增,需要采用有效措施進行處治。
(2)建立了全深凍結(jié)法施工井筒隱蔽豎向?qū)ǖ赖木C合注漿治理關(guān)鍵技術(shù)體系,該體系以礦井地質(zhì)與水文資料分析為基礎(chǔ),評價凍結(jié)孔環(huán)形空間封閉質(zhì)量及其涌水危險性,確定致災(zāi)水源及處置工程施工區(qū)間,制定針對性的綜合治理方案,依托活動式工作平臺實施隱蔽豎向?qū)ǖ李A(yù)注漿封堵工程及注漿效果檢驗工作,必要時開展補充注漿工作。該關(guān)鍵技術(shù)具有治理工期短、成本低的顯著優(yōu)勢。
(3)在綜合注漿治理關(guān)鍵技術(shù)的指導(dǎo)下,依托營盤壕煤礦開展了凍結(jié)井筒隱蔽豎向井筒的注漿封堵工作,通過注漿方案的信息化動態(tài)調(diào)整,累計施工注漿鉆孔94個,凍結(jié)孔及測溫孔全部揭露并順利完成注漿封堵。經(jīng)18個檢查孔隨機抽查檢驗,達到驗收要求,營盤壕煤礦主井隱蔽豎向?qū)ǖ谰C合治理工程取得了理想效果。
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