水库下伏采空区覆岩裂隙探查与综合防治技术_黄健丰.pdf

第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．2 Feb． 2020 ［26］ 孙芳强， 王晓勇， 尹立河， 等．Packer 分层取样技术在 非均质含水层勘查中的应用 ［J］ ．人民黄河， 2017， 39 （12 ） 54-56． ［27］ 张建伟， 杨卓静， 冯建华， 等．深孔分层抽水自动监测 仪器的设计与应用 ［J］ ．自动化仪表， 2017， 38 （2） 69-72． 作者简介 李晓龙 （1989） ， 男， 陕西澄城人， 助理研究 员，西安科技大学在读博士研究生，主要从事矿井水害防 治、 井下近水平定向钻进技术研究与应用推广工作。 （收稿日期 2019-01-18； 责任编辑 陈 洋） 水库下伏采空区覆岩裂隙探查与综合防治技术 黄健丰 1,2， 吴 璋 2， 王玉涛2， 段沛然1,2， 李永强1,2， 张 浩 1,2 （1．煤炭科学研究总院， 北京 100013； 2．中煤科工集团西安研究院有限公司， 陕西 西安 710077） 摘要 以火石咀煤矿 8712 工作面采空区注浆充填治理工程为背景， 基于开采沉陷理论， 利用 钻孔波速测试和压水试验， 阐明了综放开采后上覆岩层裂隙发育特征。结果表明 综放开采后上 覆岩层整体移动过程中， 岩体完整性受到不同程度破坏， 采空区边缘处形成呈带状分布水平宽 度约 60 m 的张拉断裂带。采用 “库底防渗、 采空区充填注浆、 影响区域残余变形监测” 的综合防 治技术， 取得良好治理效果。 关键词 采空区； 波速测试； 压水试验； 发育特征； 注浆充填法 中图分类号 TD327文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 02-0090-07 Exploration and Comprehensive Treatment Technology of Overburden Fracture in Underlying Goaf of Reservoir HUANG Jianfeng1,2, WU Zhang2, WANG Yutao2, DUAN Peiran1,2, LI Yongqiang1,2, ZHANG Hao1,2 （1．China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;2．China Coal Technology and Engineering Group Xi’ an Research Institute, Xi’ an 710077, China） Abstract Taking the grouting filling treatment project in the goaf of 8712 working face of Huoshizui Coal Mine as the background, based on the theory of mining subsidence and the of combining borehole wave velocity test and pressure water test, the characteristics of fracture development in overburden strata after fully mechanized caving are expounded． The results show that during the overall movement of the overlying strata after fully mechanized caving mining, the integrity of the rock mass was damaged to varying degrees, and a tensile gap with a horizontal width of about 60 m was ed at the edge of the goaf． The comprehensive treatment technology of “seepage-proofing at the bottom of the reservoir, full-clay filling and grouting in the goaf, and monitoring the movement and deation of the affected area”has achieved good governance effects． Key words goaf; velocity measurement; water pressure test; development characteristics; grouting filling 煤炭资源大规模开发对我国国民经济发展有巨 大的推动作用，同时引发生态环境恶化的问题也日 益凸显。据相关统计，煤矿井工开采平均每采出万 吨原煤， 地表土地沉陷面积约为 0．2～0．33 hm2， 我国 DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．02．020 黄健丰， 吴璋， 王玉涛,等．水库下伏采空区覆岩裂隙探查与综合防治技术 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （2 ） 90-96． HUANG Jianfeng, WU Zhang, WANG Yutao, et al． Exploration and Comprehensive Treatment Technology of Overburden Fracture in Underlying Goafof Reservoir ［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （2） 90-96．移动扫码阅读 90 ChaoXing Vol．51No．2 Feb． 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 图 1采空区覆岩移动模型 Fig．1Overburden movement model of goaf 采煤沉陷区面积累积已达 200 万 hm2，按照现有开 采强度预计到 2030 年将达 280 万 hm2[1-2]。随着我 国城镇化进程的不断加快，大型城市公共工程、 能 源工程和交通工程等项目常与采空区影响范围发生 冲突，采空区上覆岩层移动导致新建建筑物（构筑 物） 产生不均匀沉降， 对其安全性构成严重威胁， 部 分采空区亟需处治[3-5]。 近年来，我国专家学者在采空区治理方面进行 了大量工作， 取得了一定研究成果。左建平等[6-7]通 过深部基岩变形破断移动与浅部松散层沉降有机相 结合的方法，研究了上覆岩层整体移动规律，提出 了充分采动条件下上覆岩层移动 “类双曲线” 模型； 邓喀中等[8-9]通过分析老采空区残余沉降机理， 建立 了在建筑物载荷作用下老采空区残余下沉系数的计 算方法； 陈超等[10]针对我国开采沉陷区地裂缝受力 形成条件进行分类，研究了边缘裂缝和动态裂缝的 发育规律及其与地质、开采条件之间的关系；杜子 建等[11]基于扰动影响下岩体应力场与渗流场相互作 用原理， 采用 ANSYS 有限元数值分析软件， 研究了 库区下伏采空区渗流场变化规律； 梁冰等[12]提出了 裂隙-空隙双重连续介质对裂隙岩体渗流场与应力 场耦合的数值模型； 童立元等[13-14]结合公路采动响 应特征、采空区活化机制、不同开采工况条件下地 表移动与变形规律的有限元数值分析，研究了公路 与采空区二者之间相互作用的基本规律；陈凯等[15] 通过分析老采空区对建筑物地基的稳定性影响， 采 用注浆法对建筑物下老采空区进行治理，取得了良 好工程效果。在前人的研究基础上，结合彬州市红 岩河水库下伏采空区治理工程，通过钻孔波速测 试、 压水试验， 查明火石咀煤矿 8712 工作面开采结 束后覆岩裂隙发育特征，结合区域工程地质背景， 采取 “库底防渗、 采空区全充填注浆、 监测治理区域 移动变形”的综合防治技术，为类似采空区治理工 程提供参考。 1工程地质背景 彬州市红岩河水库 （在建） 是以城镇居民生活、 工业生产供水和拦沙为主要用途的Ⅲ等中型水利工 程。建成后能够有效缓解城镇供水不足、保证率低 的现状， 为彬州市经济、 社会发展发挥巨大作用。 通过 调查， 库区淹没线已进入火石咀煤矿 8712 工作面采 空区， 采空区对水库建设和蓄水运营造成安全隐患。 火石咀煤矿位于彬长矿区的东南部，地表多为 第四系黄土及新近系红土所覆盖，具有典型的黄土 沟壑地貌特征，红岩河沟谷有白垩系下统洛河组出 露。该矿采用后退式倾斜长壁一次采全高综放开采 工艺， 主采煤层为侏罗系延安组 4-2煤层， 该煤层厚 度约为 3～12 m， 平均厚度为 7．1 m， 埋深为 400～460 m， 靠近水库库区处为 460 m， 煤层倾角为 1～7， 赋 存较稳定， 直接顶由深灰色泥岩、 砂质泥岩及粉砂岩 构成， 煤层底板为铝质泥岩， 平均 2．29 m。依据钻孔 揭露及地质填图资料，该井田内地层由老至新依次 为 三叠系上统胡家村组 （T3h） ， 侏罗系下统富县组 （J1f） 、 中统延安组 （J2y） 、 直罗组 （J2z） 及安定组 （J2a） ， 白垩系下统宜君组（K1y） 、洛河组（K1l） 、华池组 （K2h） ， 上新近系 （N） ， 第四系中更新统离石组 （Q2） 、 上更新统马兰组 （Q3） 和全新统 （Q4） 。 2采空区覆岩移动模型及地表移动变形预测 2．1采空区覆岩移动模型 煤层开采引起地表移动变形与生态环境恶化， 实质是采空区上覆岩层移动伴随一系列力学现象导 致。采空区覆岩移动模型如图 1， 可划分为 “横三区” （A 为煤壁支撑影响区， B 为离层区， C 为重新压实 区） 、“竖三带”（Ⅰ为垮落带， Ⅱ为断裂带， Ⅲ为弯曲下 沉带 ） 。开采过程中岩体在矿山压力作用下产生不同 程度变形， 岩体变形超过弹性变形极限时出现不规则 垮落的地层区域称为垮落带， 岩层断裂后然排列整齐 的地层区域称为断裂带， 自断裂带顶界至地表所有地 层称为弯曲下沉带。 采空区覆岩移动变形从开始到相 对稳定状态， 所需时间长短不一， 与地质条件、 开采方 式等因素密切相关， 如煤层采高 M、 煤层倾角 α、 开采 深度 H、 采煤方法和上覆岩层力学性质等。 2．2地表移动变形预测 依据 建筑物、 水体、 铁路及主要井巷煤柱留设 与压煤开采规程 ， 结合该矿覆岩性质， 类比邻矿岩 移观测资料，综合确定该矿地表残余变形的预测参 数 （表 1） ， 火石咀煤矿 8712 工作面开采时间为 2013 91 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．2 Feb． 2020 图 2勘察钻孔布设图 Fig．2Survey drilling layout 表 2岩体完整程度表 Table 2Rock mass integrity table 表 18712 工作面采空区地表变形预测模型参数 Table 1Parameters of surface deation prediction model for goaf in 8712 working face 年 12 月至 2014 年底， 工作面长度为 209 m， 推进长 度 2 290 m。 地面变形调查表明 8712 工作面煤层开 采引发地表大量地裂缝 （图 2） ， 根据概率积分法预 计 8712 工作面地表最大变形量。 主要影响半径 rH/tanβ158．40 m。 最大下沉量值 Wmaxq M cosα4 615 mm。 最大倾斜值 imaxWmax/r29．13 mm/m。 最大曲率值 Kmax1．52Wmax/r20．28 mm/m2。 最大水平移动值 Umaxb Wmax1 384．5 mm。 最大水平变形值 Kmax1．52Umax/r13．29 mm/m2。 式中 H 为煤层埋深， m； M 为煤层采高， m； α 为 煤层倾角，（） ； β 为主要影响角，（） 。 3采空区覆岩裂隙发育特征现场探查 受采动影响， 原岩应力状态发生改变， 覆岩的裂 隙发展、岩层的整体移动都会随着时间的推移而变 化。为了充分掌握采空区覆岩裂隙真实发育特征， 参照 煤矿采空区岩土工程勘察规范 ， 基于开采沉 陷理论，结合火石咀煤矿沉陷区地形，为了保证现 场实验数据的可靠性、准确性，共布设 4 个勘查钻 孔， ZK-1 位于采动影响范围之外，观测原始地层裂 隙发育情况。ZK-2、 ZK-3、 ZK-4 位于采空区影响范 围内，观测综放开采结束后覆岩裂隙发育情况， 勘 察钻孔布设如图 2。 3．1采动岩体完整性测试 岩体完整性系数表示岩体相对于岩块的完整程 度， 岩块基本上不包含明显的结构面， 岩块的弹性纵 波波速是完整岩石的物理力学参数。为了真实反映 受采动影响岩体的完整程度， 对 8712 工作面沉陷区 进行钻孔勘探， 并进行波速测井。参照 SL326-2005 水利水电工程物探规程 岩体完整程度标准 （表2） 。 按以下公式计算岩体完整性指数 Kv＝ Vp Vc （ ） 2 （1 ） 式中 Kv为岩体完整性指数； Vp为受采动影响 岩体的纵波速度， m/s； Vc为完整岩块的纵波速度， m/s。 通过现场钻孔波速测试，受采动影响岩体的最 小波速 3 993 m/s， 最大波速 4 889 m/s， 平均波速 4 500 m/s。根据钻孔波速测试及岩块波速对比， 统计 分析可知，在 90 m 深度范围内， ZK-1 岩体完整性 为较破碎-破碎部分占 28．6； ZK-2 岩体完整性为 较破碎-破碎部分占 41．6 （与 ZK-1 相比，大幅增 加） ， 较破碎岩体厚度 28 m， 主要分布在 19．0～25．0、 40．0～45．0、 51．0～58．0、 63．0～70．0、 74．0～77．0 m，破碎 岩体厚度 9 m， 主要在 10．0～19．0 m。 ZK-3 在 0～170 m 深度范围内岩体完整性为较 破碎～破碎占 47， 较破碎岩体厚度 64 m， 主要分布 在 21．0～30．0、 34．0～64．0、 78．0～84．0、 123．0～133．0 m， 破碎岩体厚度 16 m， 主要在 5．0～21．0 m， 完整性差 岩体厚度 78 m，主要分布在 30．0～34．0、 64．0～73．0、 84．0 ～89．0、 96．0 ～102．0、 133．0 ～136．0， 155．0 ～170．0、 198．0～220．0、 236．0～239．0、 244．0～255．0 m。 ZK-4 在 0～170 m 深度范围内岩体为较破碎- 破碎占 47．6， 较破碎岩体厚度 77 m， 主要分布在 9．0 ～43．0、 47．0 ～55．0、 65．0 ～74．0、 79．0 ～89．0、 115．0 ～ 131．0 m， 破碎岩体厚度 4 m， 主要在 5．0～9．0 m， 完 整性差岩体厚度 67 m，主要分布在 43．0～47．0、 55．0～65．0、 74．0～79．0、 89．0～92．0、 97．0～115．0、 131．0～ 140．0、 144．0～156．0、 162．0～168．0 m。由此可知， 受采 动影响， 上覆岩体移动变形， 完整性降低， 与采空区 Kv＞0．750．75～0．550．55～0．350．35～0．15＜0．15 完整程度完整较完整完整性差较破碎破碎 位置 下沉 系数 q 水平 移动 系数 b 残余剩 余下沉 系数 η 移动角 主要影 响角正 切 tanβ 拐点 偏移 距 S 开采影 响传播 角/ （ ） 土层 / （ ） 岩层 / （ ） 8712 工作面 0．650．3080．7545702．9040．177H87．89 92 ChaoXing Vol．51No．2 Feb． 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 图 4钻孔透水率统计图 （1 Lu1 L/ （m MPa min） ） Fig．4Drilling water permeability statistics chart 距离越近， 岩体的破碎程度大幅提高， 产生新的裂隙， 岩体完整性下降， 岩体完整性分布如图 3。 图 3岩体完整性分布 Fig．3Rock mass integrity distribution 3．2钻孔压水试验 压水试验，是一种在钻孔中进行的原位渗透试 验。笔者通过在实际水压力作用下检测岩体的透水 能力，进一步明确采场覆岩采动裂隙的发育特征。 依据钻孔地质因素，结合试验条件对钻孔 ZK-1、 ZK-2、 ZK-3 和 ZK-4 共计进行了 161 段压水试验。 ZK-1 位于开采沉陷范围以外， 对分析采空区覆岩裂 隙发育起参照作用， 数钻孔透水率统计图如图 4。 90 m 深度范围内， ZK-1 的透水率均不超过 20 Lu， 说明原始地层稳定， 裂隙不发育； ZK-2 透水率介 于 40～50 Lu 岩体厚度为 18．2 m， 占全孔的20．4， 主 要分布在 12．2～26．1、 55．4～59．7 m。 0～90 m 深度范围 内， ZK-3 透水率大于 30 Lu 占 59．2， 90～170 m 深 度范围内， ZK-3 透水率大于 30 Lu 占 47，介于 20～30 Lu 岩体厚度为 32．6 m， 占 13．2， 主要分布 在 58．8～64．1、 128．1～133．1、 200．8～223．1 m； ZK-4 在 170 m 深度范围内透水率介于 30～40 Lu 岩体厚度 为 72．4 m，占 41．6，主要分布在 6．9～12．2、 16．4～ 21．7、 25．9～40．7、 44．9～54．4、 64．5～74、 78．0～92．4、 102．5～ 106．7、 116．7～121．5、 130．8～135．6 m。 对现场钻孔 161 段压水实验数据进行了统计分 析， 岩体渗透性如图 5。同一地层的透水率， ZK-2 比 ZK-1 增大 0．5～19．9 倍，平均提高 5．04 倍； ZK-3 比 ZK-1 增大 0．03～24．5 倍，平均提高了 5．20 倍； ZK-4 比 ZK-1 增大 1．08～29．3 倍， 平均提高了 7．2 倍。根据 试验结果统计表明，采动岩体透水率整体平均提高 93 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．2 Feb． 2020 5．82 倍。 上述分析表明， 岩体渗透性受采动影响较大，影响范围内采场上覆岩体节理裂隙发育明显增强。 图 5岩体渗透性对比 Fig．5Rock mass permeability comparison 3．3采空区覆岩裂隙发育特征 基于开采损害理论，开采沉陷区裂隙主要分为 边缘裂隙和动态裂隙。边缘裂隙一般位于开采工作 面的边缘区域， 以 “带状” 、“O” 形圈的形态分布在开 采工作面的边缘；动态裂隙则位于工作面上覆岩层 中，并随着工作面的推进不断产生和闭合。大规模 高强度煤层开采后上覆岩层移动变形，采空区边缘 处整体呈漏斗状，结合火石咀煤矿和邻矿开采资 料， 确定 8712 工作面岩层移动角为 70， 黄土层移 动角为 45。现场波速测试和压水实验数据分析表 明岩体完整性指数和透水率存在较好对应关系， 两者相互验证。通过对比采动岩体裂隙扩展、完整 性及渗透性变化情况， 钻孔 ZK-2 （52．4～69．8 m）完 整性为较破碎， 透水性大于 40 Lu， ZK-3 （200～223．6 m） 完整性为较破碎， 透水率为 20～30 Lu。基于开采 沉陷理论， 煤层开采后， 采空区边缘呈 “漏斗” 状， 结 合现场试验数据分析，火石咀煤矿 8712 工作面采 空区边缘处已形成水平宽度约 60 m 的张拉裂隙 带，拉张裂隙带边缘为钻孔 ZK-2（52．4～69．8 m） 、 ZK-3 （200～223．6 m） 条带形成的连线， 拉张断裂带 整体上呈带状分布。 煤层开采后， 在上覆岩层移动变形逐步向地表传 递的过程中， 垮落带重新压实， 上覆岩层产生新的裂 隙， 岩体强度受到不同程度损伤， 渗透性明显增强， 在 采空区影响范围内建设水库， 水体会沿着采动裂隙渗 流， 在采空区张拉断裂带形成水力通道， 水体会对裂 隙岩体产生渗透作用及对破碎体和充填物长期冲蚀 作用， 会进一步削弱裂隙体的强度， 同时引起岩体应 力场的改变， 导致裂隙岩体的渗透变形， 增大岩体的 渗透性，在两者长期相互作用下, 如不采取措施必然 会对水库长期运营产生安全威胁。 4水库下伏采空区综合治理技术 波速测试和压水实验表明，采空区覆岩移动变 形在逐步向地表传递的过程中， 应力场、 裂隙场发生 改变，岩体强度受到不同程度损伤。为保障拟建水 库顺利蓄水和安全运营，对库区影响范围内采空区 垮落带、断裂带及其上覆岩层裂隙进行综合治理， 以防止其进一步变形和破坏。 对采空区引起的浅层裂隙渗漏采取土工膜与黏 土覆盖相结合的治理措施， 具有一定伸缩性， 在采空 区后续微量残余变形时可有效阻隔水体渗漏， 保障水 库蓄水安全； 采空区内部采用充填注浆法， 对垮落带 残余空间和上覆岩体裂隙进行统一注浆充填， 有效控 制治理区域内水平位移和垂直位移。 采空区治理区内 按照梅花型布设内部孔 （26 个 ） ， 钻孔间排距 50 m， 内 部孔边缘设置帷幕孔 （10 个 ） ， 孔间距为25 m， 施工现 场共布设 36 个注浆孔，采空区治理工程平面布置图 94 ChaoXing Vol．51No．2 Feb． 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 如图 6。结合钻探过程中钻液漏失量统计， 与勘查期 间裂隙发育特征有较好的对应关系，进一步证实， 在 上覆岩层移动变形逐步向地表传递的过程中， 岩体内 部裂隙向地表扩展。灌浆工艺采用一次成孔、 自下而 上、 间歇性式充填注浆工艺， 首先进行帷幕孔注浆， 再 交错进行内部孔注浆，以便迅速封闭采空区治理范 围， 防止后续孔注浆时发生漏浆和串浆。注浆材料主 要为水泥粉煤灰浆液， 帷幕孔注浆施工时， 为了使注 入浆液尽快凝固， 形成帷幕， 制浆时加入 2～4 的 水玻璃。通过地表布置观测线， 定期观测采空区水平 位移和垂直位移， 利用检测孔布设渗压计和测压管长 期观测覆岩内部水渗流变化。 本次治理工程完成注浆 量 44 003．83 m3， 有效的对水库下伏采空区进行治理， 达到了良好的工程效果。 图 6采空区治理工程平面布置图 Fig．6Plane layout of the goaf treatment project 5结论 1） 煤层开采后上覆岩层移动变形最终波及地表 形成开采沉陷区，本质上是覆岩损伤变形演化的过 程。波速测试和压水试验是检测围岩体破坏程度、 渗透性的可靠实验方法，符合探测开采沉陷区裂隙 发育的实质要求。通过现场钻孔实测，得到了火石 咀煤矿开采后覆岩渗透性能的有效数据。 2） 现场实测和钻探数据表明 8712 工作面采空 区上覆岩体完整性指数和透水率存在较好对应关 系，两者相互验证。采空区边缘处已形成水平宽度 约 60 m 的张拉断裂带，拉张断裂带边缘为钻孔 ZK-2 （52．4～69．8 m） 、 ZK-3 （200～223．6 m） 条带形成 的连线，拉张断裂带整体上呈带状分布。彬长矿区 综放开采后岩体内垂直向上裂隙发育带随时间推移 向地表继续发展， 其发展规律有待进一步研究。 3） 老采空区土地重新开发利用， 在进行现场钻 探基础上，可通过波速测试、压水试验查明采场覆 岩裂隙发育情况，根据拟建构筑物特点，有针对性 的制定有效治理方案。 参考文献 ［1］ 李树志．我国采煤沉陷区治理实践与对策分析 ［J］ ．煤 炭科学技术， 2019， 47 （1） 41－48． ［2］ 李斯佳， 王金满， 万德鹏， 等．采煤沉陷地微地形改造 及其应用研究进展 ［J］ ．生态学杂志， 2018， 37 （6 ） 1612． ［3］ 李永红， 刘海南， 范立民， 等．陕西榆神府生态环境脆 弱区地质灾害分布规律 ［J］ ．中国地质灾害与防治学 报， 2016， 27 （3） 116－121． ［4］ 李东印， 李化敏， 周英， 等．煤炭资源科学采矿评价方 法探讨 ［J］ ．煤炭学报， 2012， 37 （4） 543－547． ［5］ 孙魁， 范立民， 夏玉成， 等．基于保水采煤理念的地质 环境承载力研究 ［J］ ．煤炭学报， 2019， 44 （3 ） 171－180． ［6］ 于秋鸽， 张华兴， 邓伟男， 等．基于关键层理论的地表 偏态下沉影响因素分析 ［J］ ．煤炭学报， 2018， 43 （5） 1322－1327． ［7］ 左建平， 孙运江， 钱鸣高．厚松散层覆岩移动机理及 “类双曲线” 模型 ［J］ ．煤炭学报， 2017， 42 （6） 1372． ［8］ 张宏贞， 邓喀中， 顾伟， 等．老采空区残留空洞空隙分 布规律研究 ［J］ ．采矿与安全工程学报， 2016， 33 （5） 893－897． ［9］ 邓喀中， 谭志祥， 张宏贞， 等．长壁老采空区残余沉降 95 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.2 Feb. 2020 ［2］ 胡秋嘉， 贾慧敏， 祁空军， 等．高煤阶煤层气井单相流 段流压精细控制方法 以沁水盆地樊庄－郑庄区块为 例 ［J］ ．天然气工业， 2018， 38 （9） 76－81． ［3］ 贾慧敏， 孙世轩， 毛崇昊， 等．基于煤岩应力敏感性的 煤层气井单相流产水规律研究 ［J］ ．煤炭科学技术， 2017， 45 （12） 189－193． ［4］ 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