榮傳新，武 漢，彭世龍，程 樺,2，黎明鏡，郭 軻，周 俊

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2. 安徽大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230022)

隨著我國(guó)東部淺部煤炭資源的不斷減少，特別是開(kāi)采已經(jīng)幾十年的淮北煤田，深部資源的開(kāi)發(fā)成為必然。淮北礦區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，斷層、破碎帶等軟弱復(fù)雜地層對(duì)深井連接巷道群和運(yùn)輸大巷圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)體系的安全威脅越發(fā)嚴(yán)重，深部井筒馬頭門、水平巷道等掘進(jìn)時(shí)冒頂、坍塌問(wèn)題頻出，使用過(guò)程中巷道變形嚴(yán)重、頻繁修復(fù)、停工停產(chǎn)，造成重大安全隱患和巨大經(jīng)濟(jì)損失[1-6]。

針對(duì)上述現(xiàn)狀，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)一些新建礦井采取了在井筒地面預(yù)注漿時(shí)，同時(shí)對(duì)井筒巷道群及運(yùn)輸大巷部位巖層預(yù)注漿加固工藝，取得了一定效果[7-12]。但是，由于采用的均為直孔注漿技術(shù)，受注漿孔數(shù)和擴(kuò)散半徑制約，地層加固范圍和效果受到較大影響，無(wú)法根本改善該部位巷道底臌、變形以及支護(hù)破損等現(xiàn)象，急待研究一種注漿孔數(shù)少，注漿范圍廣，可有效加固巷道圍巖的關(guān)鍵技術(shù)。而地面L型孔預(yù)注漿加固圍巖關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)施工工藝，可大幅提高單孔注漿加固地層范圍和質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)一組鉆孔加固上百米水平(斜)巷道圍巖，有效提高圍巖自承力，并與支護(hù)結(jié)構(gòu)形成共同承載結(jié)構(gòu)，不但可解決深立井連接巷道群和井底車場(chǎng)大巷圍巖穩(wěn)定與支護(hù)問(wèn)題，而且可顯著減少垂直鉆孔注漿加固工程量，縮短施工工期，消除深井建設(shè)安全隱患，對(duì)淮北礦區(qū)乃至國(guó)內(nèi)類似條件礦區(qū)深部煤炭資源的開(kāi)發(fā)建設(shè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，應(yīng)用前景廣闊[13-16]。

本文采用理論分析的方法，結(jié)合現(xiàn)有巖體松動(dòng)壓力理論和可注性理論，分析巖體可注性的影響因素和裂隙巖體滲透的幾何參數(shù)，利用現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)注漿段地層的單位吸水率，對(duì)信湖煤礦千米深井巷道中央水泵房和變電所注漿加固段巷道巖體的可注性進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為L(zhǎng)型鉆孔地面預(yù)注漿加固巷道工程提供參考。

1 L型鉆孔地面預(yù)注漿段地質(zhì)條件

本次L型鉆孔地面預(yù)注漿加固的千米深井巷道為信湖煤礦中央水泵房和變電所，巷道所處地層巖性為粉砂巖、細(xì)砂巖與泥巖(見(jiàn)圖1)，井筒檢查孔柱狀圖上的巖性描述如下。

砂巖：淺灰色，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，塊狀-碎塊狀，成份為石英、長(zhǎng)石，含較多泥巖條帶，裂隙發(fā)育，未充填，分選、磨圓好，鈣泥質(zhì)膠結(jié)，局部巖芯稍破碎。

泥巖：灰色-淺灰色，夾少許紫斑，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀，上部含大量植物根莖化石，底部含少許鋁質(zhì)，滑面發(fā)育，少許裂隙，平坦-參差斷口，平行層理。

圖1 中央水泵房(變電所)所處巖性圖(單位：m)

巷道圍巖巖體整體性較差，裂隙發(fā)育。掘進(jìn)過(guò)程中，容易出現(xiàn)頂板掉塊和片幫等事故；圍巖一經(jīng)人工擾動(dòng)，裂隙溝通性增強(qiáng)，導(dǎo)致掘進(jìn)工作面淋水現(xiàn)象嚴(yán)重；巷道圍巖變形嚴(yán)重，支護(hù)工作難度加大，從而，加大了施工的危險(xiǎn)性，影響了巷道掘進(jìn)速度。

根據(jù)巷道斷面設(shè)計(jì)和地面預(yù)注漿的特點(diǎn)，為保證巷道周邊圍巖通過(guò)注漿可以得到有效的加固，信湖煤礦中央變電所和水泵房加固段巷道斷面布孔方式確定為三孔型。同時(shí)，為縮短工期，減少地面鉆孔的數(shù)量及整個(gè)鉆孔工程量，采取了L型單鉆孔和水平分支孔相結(jié)合的鉆孔形式，信湖煤礦井下巷道L型鉆孔地面預(yù)注漿鉆孔的布置方式如圖1～圖2所示。

圖2 L型鉆孔布置方式(單位：m)

L型鉆孔中的620～1 190m(鉆孔軌跡長(zhǎng)度)為定向造斜段，經(jīng)過(guò)地層的巖性主要為泥巖、砂巖交替出現(xiàn)，以泥巖地層居多，尤其是在垂深780～935m之間，泥巖以大段高連續(xù)出現(xiàn)，結(jié)合鉆孔施工過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)，鉆進(jìn)速度很快，施工過(guò)程中未出現(xiàn)塌孔、卡鉆、掉鉆、鉆孔泥漿漏失等現(xiàn)象，泥巖的完整性較好，但抗壓強(qiáng)度較低，未發(fā)現(xiàn)高角度裂隙，裂隙開(kāi)度較小，地層容易受到外力擾動(dòng)而破壞。

2 巷道注漿的必要性研究

信湖煤礦中央水泵房斷面形狀為直墻半圓拱形，高和寬均為7.0m。為便于計(jì)算，通過(guò)幾何性將其簡(jiǎn)化為圓形結(jié)構(gòu)。由地質(zhì)資料可知，中央水泵房處圍巖為砂巖和泥巖，巖性較破碎，故該支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的支護(hù)抗力可近似等于松動(dòng)壓力[17]33。松動(dòng)壓力的計(jì)算以圍巖應(yīng)力彈塑性分析為基礎(chǔ)。該計(jì)算方法是僅考慮塑性區(qū)內(nèi)的巖體自重并以其作為作用在支護(hù)上的荷載而建立的分析方法。

2.1 松動(dòng)壓力的假設(shè)條件

松動(dòng)壓力的計(jì)算方法又被稱作卡柯(Caquot)公式[17]33，其在整個(gè)計(jì)算過(guò)程中作了如下的假設(shè)：

1)當(dāng)巷道開(kāi)挖后，巷道的圍巖應(yīng)力呈彈塑性分布。在塑性區(qū)充分發(fā)展后，塑性區(qū)內(nèi)巖體的自重為作用在支護(hù)上的圍巖壓力；

2)在λ=1的情況下，取巷道頂?shù)膯卧w為代表性計(jì)算單元進(jìn)行分析，以考慮巷道的圍巖壓力最不利狀態(tài)；

3)在塑性區(qū)邊界上，巖體不作應(yīng)力傳遞，即當(dāng)r=Rp時(shí)，σrp=0。塑性區(qū)內(nèi)的應(yīng)力服從莫爾-庫(kù)倫強(qiáng)度理論。

2.2 松動(dòng)壓力的計(jì)算

在巷道開(kāi)挖后，巖體產(chǎn)生塑性區(qū)。在塑性區(qū)內(nèi)的巷道頂部取一單元體。單元體的受力情況如圖3所示。根據(jù)靜力平衡條件可得如方程式(1)。

(1)

圖3 松動(dòng)壓力計(jì)算簡(jiǎn)圖

略去二階無(wú)窮小量，并將sin dθ/2≈dθ/2，整理后得

(2)

式中：γ0為塑性區(qū)內(nèi)巖體重度。

根據(jù)假設(shè)條件塑性區(qū)內(nèi)的應(yīng)力滿足莫爾-庫(kù)倫強(qiáng)度理論，該強(qiáng)度理論表達(dá)式如下

(3)

式中：c為巖石的凝聚力，φ為巖石的內(nèi)摩擦角。

通過(guò)化簡(jiǎn)上式可得

σθ-σr=(σr+ccotφ)(m-1)

(4)

將式(4)代入式(3)得

(5)

求解上述微分方程并將邊界條件(當(dāng)r=Rp時(shí)，σrp=0)帶入可求得

(6)

當(dāng)r=ra時(shí)，即為作用在支護(hù)上的松動(dòng)壓力(pa)，式(6)也就可改寫成通常稱作為卡柯公式， 表達(dá)式為

(7)

當(dāng)巖體中開(kāi)挖一個(gè)以ra為半徑的巷道后，在式(7)中，巖體強(qiáng)度的c，φ值為常數(shù)，松動(dòng)壓力主要取決于塑性區(qū)半徑Rp的大小，當(dāng)塑性區(qū)半徑為ra時(shí)，即在無(wú)塑性區(qū)的情況下，pa=0。隨著Rp的增大pa也將隨之增大。

另外，在實(shí)際應(yīng)用卡柯公式評(píng)價(jià)松動(dòng)壓力時(shí)，塑性區(qū)半徑Rp，通?？砂垂?8)計(jì)算。

(8)

式中：σc為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，p0為圍巖初始應(yīng)力。

由式(7)和式(8)可知，影響松動(dòng)壓力的因素有凝聚力、內(nèi)摩擦角、塑性區(qū)內(nèi)巖體的重度、地壓、巖石的單軸抗壓強(qiáng)度等。在巖體的重度、地壓確定的情況下，巖體作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)的松動(dòng)地壓與巖體的強(qiáng)度、凝聚力和內(nèi)摩擦角關(guān)系密切，如圖4～圖5所示。

圖4 支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的松動(dòng)壓力與內(nèi)摩擦角關(guān)系圖

圖5 支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的松動(dòng)壓力與凝聚力關(guān)系圖

由圖4和圖5可知，增大巖體的凝聚力和內(nèi)摩擦角可效降低支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的松動(dòng)地壓，當(dāng)巖體的內(nèi)摩擦角從10°提高到20°時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的松動(dòng)地壓降低最顯著。提高巖體的強(qiáng)度、增大巖體的凝聚力和內(nèi)摩擦角最有效的途徑是對(duì)巷道巖體進(jìn)行注漿，以改善巖體的力學(xué)特性。

3 巖體的可注性研究

3.1 巖體的可注性定義

巖體注漿是漿液壓滲到巖體的裂隙中并擴(kuò)散到足夠遠(yuǎn)的地方。巖體可注性是研究巖體能否讓某種漿液滲入其裂隙的可能性，它既取決于裂隙巖體的滲透性，又取決于漿液的粒度和流動(dòng)性[18]。一般來(lái)說(shuō)，巖體可注性理論主要研究滲透注漿的巖體滲透幾何參數(shù)與漿液粒度的比值滿足的基本條件。因此，巖體可注性可定義為：在壓力作用下，漿液滲透到巖體內(nèi)的能力，以及漿液在巖體內(nèi)的滲透能力。

3.2 巖體可注性的影響因素

根據(jù)上述巖體可注性的定義，影響漿液的可注性因素主要有如下3種：

1)漿液性質(zhì)。漿液性質(zhì)主要由漿材顆粒直徑、漿液粘度和漿液流變性等所決定；

2)注漿工藝。注漿工藝主要包括注漿壓力、注漿方法和注漿設(shè)備等；

3)巖體地質(zhì)條件。主要指巖體內(nèi)的裂隙分布特征以及裂隙寬度、傾角、粗糙性、連通性、填充情況、變形特性以及地應(yīng)力水平等。

以上三種因素不能被孤立割裂，忽視了任何一個(gè)因素分析其可注性都會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤結(jié)果，進(jìn)而影響注漿效果，甚至?xí)苯佑绊懝こ踢\(yùn)行期的安全。

3.3 裂隙巖體的滲透幾何參數(shù)

裂隙巖體的滲流模型歸結(jié)為兩類：一類是巖體由孔隙性差而透水性強(qiáng)的裂隙系統(tǒng)和孔隙好而透水性弱的巖塊系統(tǒng)組成；另一類為裂隙介質(zhì)模型[19-20]。裂隙介質(zhì)的主要幾何參數(shù)有節(jié)理裂隙的組數(shù)、平均厚度或平均體積開(kāi)裂度。研究節(jié)理裂隙的方法有地質(zhì)方法和水力學(xué)方法[21-22]。

地質(zhì)方法是對(duì)露頭的巖體節(jié)理裂隙的產(chǎn)狀、間距/頻率、裂隙的寬度、粗糙度、密集度進(jìn)行量測(cè)和統(tǒng)計(jì)；在沒(méi)有露頭時(shí)，采用鉆孔取樣和鉆孔物探調(diào)查。在不具備地質(zhì)調(diào)查的條件下，可采用水力學(xué)方法。水力學(xué)方法是用裂隙巖體的滲透性來(lái)計(jì)算裂隙的寬度。巖體的滲透性與裂隙組數(shù)、裂隙寬度、間距、連通狀況、裂隙內(nèi)的填充物、裂隙面的粗糙度等因素有關(guān)。

因此巖體的透水性是多種因素的函數(shù)，用水力學(xué)方法計(jì)算裂隙的寬度存在多解性。通常在地質(zhì)方法的基礎(chǔ)上，采用水力學(xué)方法得出較好的近似值。裂隙巖體滲透性的各向異性與裂隙組數(shù)有關(guān)。組數(shù)越少(單組)，各向異性越強(qiáng)，組數(shù)越多愈趨向各向同性。反映裂隙巖體滲透性的指標(biāo)有滲透系數(shù)和單位吸水率等，下面分別討論它們與裂隙寬度的關(guān)系。

(1)裂隙巖體的滲透系數(shù)與裂隙寬度的關(guān)系

裂隙巖體滲透系數(shù)與土體滲透系數(shù)相似，是表征裂隙巖體透水性大小的一種“速度型”的物理量，用m/s或cm/s表示水在巖層內(nèi)滲透得快慢。通常要用抽水試驗(yàn)方法來(lái)測(cè)定，它是將孔隙介質(zhì)的水力學(xué)參數(shù)用于裂隙介質(zhì)。

1)單一裂隙的滲透系數(shù)

(9)

(10)

式中：δ為裂隙張開(kāi)度；A為裂隙的連續(xù)性程度；μ動(dòng)力粘性系數(shù)；w為決定于裂隙相對(duì)粗糙度的系數(shù)；γw為液體的重度；a為裂隙面的絕對(duì)粗糙度；d為水力直徑；g為重力加速度。

2)一組連續(xù)裂隙

(11)

(12)

3)斷續(xù)裂隙組

沿裂隙方向的滲透系數(shù)可按下式計(jì)算

(13)

式中：Km為巖石的滲透系數(shù)；l為裂隙長(zhǎng)度；h為沿裂隙方向上相鄰裂隙中間的間距。

4)根據(jù)巖體的裂隙成因確定巖體裂隙參數(shù)

首先根據(jù)巖石類型和裂隙成因確定裂隙巖體的滲透系數(shù)和單位厚度裂隙率m(m=δT，T為裂隙稠密度，表示1m厚裂隙巖層所遇到的裂隙數(shù)目)；然后，根據(jù)裂隙率、滲透系數(shù)、裂隙的稠密度，確定裂隙的寬度。

5)用多孔介質(zhì)推測(cè)裂隙介質(zhì)參數(shù)

當(dāng)裂隙寬度很小時(shí)，流體在其間流動(dòng)與多孔介質(zhì)的滲流現(xiàn)象相似，所以把水流在粒狀介質(zhì)中滲透看作是在粗糙裂隙介質(zhì)中流動(dòng)的極端情況，利用孔隙介質(zhì)的滲透系數(shù)公式

(14)

做如下假設(shè)：

① 粗砂顆粒直徑與孔隙平均直徑有如下關(guān)系

d0=1.25mD0

(15)

② 層流時(shí)矩形斷面內(nèi)的水力阻力系數(shù)比圓形斷面的阻力系數(shù)大1.5倍。矩形斷面的孔裂隙水力半徑r0=δ/2，則

(16)

式中：K1為孔隙介質(zhì)的滲透率，n為巖石的孔隙率。

(2)裂隙巖體的單位吸水率與裂隙寬度的關(guān)系

抽水試驗(yàn)方法來(lái)測(cè)定滲透系數(shù)，費(fèi)時(shí)而且費(fèi)用較高，因而工程上多采用既簡(jiǎn)單又方便的壓水試驗(yàn)。確定裂隙巖體滲透性的“數(shù)量型”物理量，即單位吸水率和單位吸水量。

1)單位吸水率和單位吸水量

壓水試驗(yàn)成果多采用單位吸水率即ω來(lái)表示，其定義為每米水頭作用下，單位鉆孔長(zhǎng)度內(nèi)單位時(shí)間內(nèi)的吸水量，表示式為

(17)

式中：ω為單位吸水率，L/(min·m·m)；Q為平均或選擇的壓入流量，L/min；P為用水柱高度計(jì)量的壓水水頭，m；L為試驗(yàn)段長(zhǎng)度，m。

2)壓水試驗(yàn)

壓水試驗(yàn)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)是呂榮壓水試驗(yàn)方法和呂榮表示方法。呂榮壓水試驗(yàn)方法，是法國(guó)地質(zhì)工程師呂榮1933年為評(píng)定壩基巖層進(jìn)行注漿的必要性而提出來(lái)的。當(dāng)時(shí)采用約1MPa壓力，將水壓入5m長(zhǎng)的試驗(yàn)段內(nèi)，當(dāng)求得每米鉆孔壓入流量為1L/min時(shí)即為1呂榮。呂榮試驗(yàn)方法經(jīng)過(guò)多次修定，目前標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法是，試驗(yàn)段的長(zhǎng)度取5m，用三個(gè)壓力點(diǎn)p1

(18)

根據(jù)五次的呂榮值相應(yīng)的規(guī)范表，選用適當(dāng)?shù)膮螛s值做為代表值。

1)呂榮值與吸水率之間的關(guān)系

呂榮值與吸水率值的關(guān)系為

Lu=100ω

(19)

試驗(yàn)成果表明，當(dāng)透水性較小(Lu<5)時(shí)，巖縫內(nèi)的流態(tài)屬于層流。p-R關(guān)系多為直線關(guān)系。Lu與ω之間才符合式(19)關(guān)系。當(dāng)Lu>5(即ω<0.05)時(shí)流態(tài)開(kāi)始呈現(xiàn)紊流，p-Q關(guān)系多為曲線型。用式(19)算誤差較大。

2)滲透系數(shù)與呂榮值之間的關(guān)系

當(dāng)用壓水試驗(yàn)來(lái)估算滲透系數(shù)時(shí)，方法有以下兩種。

①Lu在20以下，可用下式來(lái)計(jì)算

(20)

式中：K為滲透系數(shù)；Q為壓入流量；L為試驗(yàn)段長(zhǎng)度；r0而為鉆孔半徑；Lu為呂榮值。

② 經(jīng)驗(yàn)曲線法

庫(kù)茲納爾推薦的曲線中，K與Lu的近似值為

Lu> 30，K=10-5m/s

Lu=5～20，K=5×10-6～5×10-7m/s

(21)

Lu=1～3，K=10-7m/s

4 注漿段巖體的可注性評(píng)價(jià)

信湖礦副井基巖段先采用S孔地面預(yù)注漿法達(dá)到基巖段堵水及對(duì)不穩(wěn)定地層加固的目的，后采用普通立井鑿井法施工工藝掘砌到底。副井S孔地面預(yù)注漿施工過(guò)程中，進(jìn)行了壓水試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)得到了6個(gè)S孔各注漿段地層的單位吸水率。其中，注漿段的單位吸水率值(累深965～1 020m)如表1所示。

表1 信湖礦副井S孔段(累深965～1 020m)地層單位吸水率

本次L型鉆孔地面預(yù)注漿加固巷道(中央水泵房和變電所)底板標(biāo)高為-960m，副井自然地坪標(biāo)高為+31.42m，則中央水泵房和變電所巷道底板累深為991.42m。中央水泵房和變電所巷道周邊巖體的吸水率可按表1進(jìn)行參考取值。由表1可知，巖體的單位吸水率平均值為0.002 3 L/(min·m·m)。將該單位吸水率代入到式(19)進(jìn)行計(jì)算可得，中央水泵房和變電所巷道周邊巖體的透水率為0.23Lu。

由國(guó)內(nèi)相關(guān)注漿工程實(shí)踐可知，透水率在3或5Lu以上的巖體，巖體的可注性較好；透水率1～3(或5)Lu之間的巖體，巖體的可注性一般，且需看巖體裂隙寬度如何再定；透水率小于1Lu的巖體，巖體的可注性較差。

中央水泵房和變電所巷道周邊巖體的透水率小于1Lu，可知巖體的可注性較差。L型鉆孔(定向造斜段620～1 190m)經(jīng)過(guò)地層的巖性主要為泥巖、砂巖交替出現(xiàn)，以泥巖地層居多，泥巖的完整性較好，但抗壓強(qiáng)度較低，未發(fā)現(xiàn)高角度裂隙，裂隙開(kāi)度較小，工程地質(zhì)條件同時(shí)也表明了巖體的可注性較差。

根據(jù)《立井井筒地面預(yù)注漿效果壓水試驗(yàn)檢驗(yàn)方法》，滲透系數(shù)按下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

(22)

(23)

式中：W為單位吸水量，L/(min·m·m)；K為滲透系數(shù)，m/d；L為壓水段高，m；r為鉆孔半徑，m。

參考表1內(nèi)單位吸水量的平均值0.002 3 L/(min·m·m)，代入公式(23)，可以計(jì)算出巖體滲透系數(shù)K取值2.16×10-3m/d。

綜上所述，中央水泵房和變電所巷道周邊巖體的可注性較差，如在巷道開(kāi)挖施工期采用工作面注漿方法加固圍巖，則很難達(dá)到預(yù)期效果。因此，為保證巷道周邊圍巖通過(guò)注漿可以得到有效的加固，同時(shí)，為縮短工期，減少地面鉆孔的數(shù)量及整個(gè)鉆孔工程量，信湖煤礦中央變電所和水泵房加固段巷道采取L型單鉆孔和水平分支孔相結(jié)合的鉆孔形式無(wú)疑是達(dá)到本次注漿目的較好途徑。

5 結(jié)論

1)本次L型鉆孔地面預(yù)注漿加固的千米深井巷道所處地層巖性為砂巖與泥巖，泥巖抗壓強(qiáng)度較低，但未發(fā)現(xiàn)高角度裂隙，其完整性較好，裂隙開(kāi)度較小，地層容易受到外力擾動(dòng)而破壞。

2)通過(guò)巷道松動(dòng)壓力的理論分析可知，增大巖體的凝聚力和內(nèi)摩擦角可有效降低支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的松動(dòng)地壓，當(dāng)巖體的內(nèi)摩擦角從10°提高到20°時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的松動(dòng)地壓降低最顯著。提高巖體的強(qiáng)度、增大巖體的凝聚力和內(nèi)摩擦角最有效的途徑是對(duì)巷道巖體進(jìn)行注漿，以改善巖體的力學(xué)特性。

3)由巖體的可注性分析可知，中央水泵房和變電所巷道周邊巖體的可注性較差，如在巷道開(kāi)挖施工期采用工作面注漿方法加固圍巖，則很難達(dá)到預(yù)期效果。最終表明了采用L型鉆孔地面預(yù)注漿加固圍巖的必要性與可行性。

參考文獻(xiàn)：

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