金属矿山松石冒落事故机理及预防措施研究.pdf

I 青芴醯动 N O N F E R R O U SM E T A L SE N G I N E E R I N G d o i i 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．2 0 9 5 ，1 7 4 4 ．2 0 1 2 ．0 3 ．0 0 1 金属矿山松石冒落事故机理及预防措施研究 豳刘宁武1 陈善嘲1 付士根2 张增学3 李迎佳4 何显机5 邵凯旋6 朱慧武1 1 ．中国五矿集团公司北京1 0 0 0 4 4 2 ．中国安全生产科学研究院北京1 0 0 0 1 2 3 ．五矿邯邢矿业有限公司河北邯郸0 5 6 0 3 2 4 ．鲁中矿业有限公司山东莱芜2 7 l l l 3 5 ．江西鸽业集团有限公司南昌3 3 0 0 0 0 6 ．湖南有色金属控股集团有限公司长沙4 1 0 0 1 5 摘要在对中国五矿集团所属地下矿山松石冒落事故案例统计分析的基础上．结合具体实例分析， 系统研究松石冒落的影响因素，探讨金属矿山松石冒落事故的发生机理．并对巷道围岩松动圈的形 成和扩展进行数值模拟。提出预防松石冒落事故的相关技术和管理措施，具有较强的实用性，对类 似金属矿山企业的安全管理具有指导意义。 关键词松石冒落；影响囡素。预防措施 中图分类号T D 2 3 1 ；T D 7 7 ；T D 3 2 7 文献标识码A 文章编号2 0 9 5 1 7 4 4 2 0 1 2 0 3 - 0 0 3 0 - 0 6 中国五矿集团公司目前拥有多座地下矿山，主要为 有色金属矿和铁矿。近年来，随着多数矿山已进入深部 开采阶段，多中段回采难度越来越大。由于开采强度大、 开采扰动剧烈、围岩变形破坏明显、地应力场分布状态 复杂多变等，同时因各矿山生产环境、机械设备等不同 因素的影响，造成松石冒落等事故时有发生，不仅制约 着矿山安全生产和经济效益，而且职工生命安全不能得 到有效保障B - 2 ] 。 根据中国五矿集团公司所属金属矿山近年来发生 的事故统计，松石冒落事故是主要的事故类型之一。 2 0 l O 一2 0 1 1 年各类事故死亡人数比例中，松石冒落事故 占2 9 ％，炮烟中毒事故占3 4 ％，其他事故占3 7 ％p l 。为 有效预防松石冒落事故的发生，保障职工的生命安全， 在对松石冒落事故案例统计分析的基础上，研究松石冒 落致灾机理，提出预防松石冒落事故的相关措施，指导 矿山企业的安全运行管理。 可见不良地质条件是引发松石冒落事故的首要因素。 表1 松石冒落事故原因统计 事故原因比例助 不良地质条件 检撬不彻底 采矿方法与采矿工艺 顶板支护 违反操作规程 从业人员素质 顶板管理 其他 台计 1 松石冒落事故分析 1 ．1 工程地质因素 引起松石冒落发生的因素具有不确定性，其主要影 响因素有地质条件 包括工程地质和水文地质 、采动 影响 包括爆破震动 、支护方式，围岩暴露时间、松 石检撬技术，作业人员的不安全行为以及安全管理等。 对中国五矿集团公司下属9 个金属矿山2 0 0 7 - - 2 0 1 1 年发 生的松石冒落事故原因进行总结分析，结果见表l 。从 表l 可以看出，由不良地质条件引起的事故占2 6 ．4 ％， 工程地质因素主要包括岩石类型、构造应力和岩体 结构面等[ 4 - 5 1 。 1 岩石类型的影响。不同岩石类型的物理力学性质 收稿E l 期2 0 1 2 - 0 2 - 2 8 作者简介刘宁武 1 9 5 8 一 ．男，河北唐山人．高级经济师，地 质与工业企业管理专业，长期从事矿山安全技术管 理工作。 3 0工程按术E n g i n e e r i n gT e c h n o l o g y 加 邡 劢 舯 加 ∞ 蛐 蚰 弘 “ H B m 爱 一 L m 万方数据 不同，岩性是巷道变形的主要因素之一。矿体及围岩在 受到水的作用后，其物理力学性质会发生很人的变化。 它们受水侵蚀后会膨胀．软化，承受围压能力差，使巷 道围岩的强度和完整性减弱，从而发生围岩片帮、冒落， 支护体严重变形等危害。如果巷道布置在这类岩层中， 就不能保证安全生产，甚至还容易引发危害井下作业人 员安全的事故。 岩体完整性对巷道的稳定性也起着重要作用，如果 围岩破碎，那么围岩强度会大大降低，起不到与支护体 共同维护巷道稳定的作用，从而使巷道围岩变形甚至失 稳破坏。 2 构造应力的影响。实测资料表明，水平构造应力 一般为垂直应力的O ．5 ～5 ．5 倍，在地质条件复杂地区甚 至更高。构造应力的基本特点是以水平应力为主，具有 明显的方向性和区域性。构造应力是巷道围岩冒落的主 要原因之一。 3 结构面的影响。岩体中存在各种地质结构面，包 括节理、裂隙、断层等，这类结构面不论成因，空间分布、 大小、产状及力学性质都对巷道变形产生影响。多结构 面岩体在受到外力的影响后，通常不是因岩石达到了极 限抗压强度而破坏，而是由于岩体中的结构面强度过低， 发生破坏，从而引起整个岩体发生破坏。 1 ．2 水文地质因素 地下水既能影响应力状态，又能影响岩体强度。岩 体结构中孔隙水压力的增大，结构面上的有效正应力就 随之减小，岩体沿结构面的抗滑稳定性也随之降低。地 下水的物理化学作用能降低岩体强度，所以地下水的活 动往往是围岩失稳破坏的一个重要因素。 I ．3 事故案例分析 2 0 1 1 年5 月1 5 日，郑家坡矿项目部某职工上夜班， 在北风井井下一1 5 2m 水平4 盘区作业，其对4 盘区联 巷右边采场顶板进行松石检撬作业，在检撬作业时，发 生松石冒落事故，造成1 人死亡。根据事故分析，采场 围岩破碎是导致事故的直接原因。 发生事故的矿区 床 赋存在粉子山群小宋组含铁 岩系中，属典型的层控沉积变质铁矿床。赋矿岩石主要 为磁铁黑云变粒岩、磁铁石榴黑云变粒岩。区内地层区 划属华北地层区、鲁西地层分区、济南一滕州地层小区， 区域东南部发育新太古代变质地层，其余大部分地区广 泛分布有古生代海陆交互相地层、新生代河湖相地层及 近代松散堆积物。区内岩浆岩出露很少，主要有燕山期 闪长岩、燕山期闪长玢岩和伟晶花岗岩。北风井井下1 5 2 m 水平4 盘区巷道围岩层理构造发育，分层厚度O ．5m 以上，经动力变质作用，层理充填有绿帘石、绿泥石等 强腐蚀变质矿物，形成_ 『层问滑动面。此外，受多期构 造力的影响，垂直层理方向存在多组的节理面，岩体的 稳定性和完整性受到很大程度的破坏，由于底层产状较 缓，约为8 。一1 5 。，巷道顶板揭露反映不出破碎程度． 给松石检撬工作带来了困难，受到轻微外力作用，就会 发生松石冒落。松石冒落事故现场如图l 所示。 图1 采场冒落事故现场 1 ．4 松石冒落机理分析 在较完整围岩中，当应力达到或超过岩土的强度极 限时，除弹性变形外，还将产生较大的塑性变形，如果 不阻止这种变形的发展，就会导致围岩破裂，甚至失稳 破坏。在被软弱结构面切割成块体或松散介质的围岩中， 则易于向隧道或硐室产生滑落和塌落，使得围岩失稳。 采空区周围容易形成破裂区，一般呈环状。对于塑 性岩石，在破裂区外应力接近岩石的强度，当小于岩石 强度，围岩处于塑性状态。再往外应力低于岩石的塑性 屈服应力，围岩处于弹性状态，形成围岩中的四个区， 巷道围岩的典型物理力学状态见图2 卜”。 图2 巷道围岩的典型物理力学状态 处于弹性状态的围岩，由于其仍然具有承载能力， 所以可以保持自稳。而处于破裂状态的围岩，由于发生 了碎胀破裂，其表面将丧失自承能力，如不进行支护将 会产生失稳，所以，破裂区是支护的直接对象，是解决 支护问题的关键所在。在现场，可用声波仪或多点位移 计等仪器测试。 围岩松动圈具有一定的形状。根据实验室试验．当 围岩各向同性时，如果垂直应力与水平应力相等，则为 圆形松动圈，否则为椭圆形，且椭圆的长轴与主应力P 方向垂直，围岩松动圈形状见图3 。如果围岩各向异性， 在岩石强度低的层位将产生较大的松动圈，非均质围岩 松动圈见图4 。 2 围岩稳定性数值分析 以中国五矿集团公司小官庄矿为例，数值模拟分析 研究矿山围岩稳定性。 鲁中矿业小官庄铁矿位于山东省莱芜市，矿区处于 有色金属工程2 0 1 2 年第3 期 3 1 万方数据 看幺企囊工程 N O N F E R R O U SM E T A L SE N G I N E E R l N G 图3 围岩松动圈形状图 I 垂直应力与水平应力相等；2 垂直应力大于水平应力 图4 非均质围岩松动圈 l 一软岩松动圈；2 一硬岩松动圈 华北地台鲁中台背斜莱芜断陷盆地一莱芜矿山弧形背斜 倾末端，矿山采用无底柱分段崩落法，矿岩主要有矽卡 岩、红板岩和闪长岩。根据R M R 分级法，矽卡岩和红 板岩的岩体质量类别为Ⅳ级，属于差的岩体类型。闪长 岩的质量类别为Ⅲ级，属于一般的岩体类型。矿体的质 量类别为Ⅱ级，属于好的岩体类型。 2 ．1 计算模型 采用摩尔一库仑屈服准则判断岩体的破坏，计算公 式Z 仃1 一毋 1 s i n t p ／ 1 一s i n e ～2 c [ 1 s i n t p ／ 1 一s i n t p ] ”。，式中 a ．和吼分别是最大和最小主应力，c 和妒分别是黏聚力 和摩擦角。当_ 『 0 时，材料将发生剪切破坏。在通常应 力状态下，岩体的抗拉强度很低，因此可根据抗拉强度 准则 以≥a T 判断岩体是否产生拉破坏。 根据小官庄采矿方法设计，选取小官庄铁矿一4 1 0m 水平四个采矿进路作为对象，利用F L A C 3 D 软件进行数 值分析，剖面长度由1 9 ．1 进路到2 0 ．1 进路之间的宽度 决定，即为1 1 0m ，地表标高2 0 0m 。为了保证模拟计 算的快速、准确，选择垂直进路为x 方向，平行进路为 】，方向，定义竖直向上为z 方向，按照1 1 的比例尺， 建立模型。形成尺寸为2 5 0 mx 1 0 0 mx6 5 0 i n 的计算模 型，共划分约7 50 4 0 个六面体网格、8 00 4 2 个网格节点。 计算模型如图5 和图6 所示，其中进路长度1 0 0m ，进 路间距1 2 ．5 m ，净宽4 m ，高3 ．5 m 。 根据在鲁中矿业现场收集到的数据，数值模拟基本 力学参数如表2 和表3 所示。 3 2工程技术E n g i n e e r i n gT e c h n o l o g y } 揽嚣雠留粼” { ㈣；榭 醚j ∞箍跚射a 酽” 图5 开采数值模型示意图 图6 采场进路模拟图 表2 岩体力学计算参数 岩体类别 ，f k 密g‰弹性／G 模量P a 泊松比晷襞黏聚／M P 力a 蚀变闪长岩 28 0 0 2 1 ．00 ．22 53 ．9 2 蚀变闪长玢岩 26 0 01 2 ．9O ．2 63 06 ．7 1 矽卡岩 27 5 0 1 ．8O ．1 81 912 4 矿体 37 0 0 13 ．3 02 5 2 8 3 ．0 3 红板岩 24 8 04 ．10 ．1 82 217 3 表3 支护结构力学计算参数 2 ．2 巷道围岩应力分析 用F L A C 3 D 软件计算，开挖1 0m 最小主应力为 2 7 ．5M P a ，开挖3 0m 最小主应力为2 8 ．1M P a ，开挖6 0 m 最小主应力为2 8 ．2M P a ，随着进路不断向前掘进，最 小主应力在不断增大，这是因为巷道围岩暴露面积在不 断扩大，数值模拟最小主应力见图7 至图9 。 2 ．3 巷道围岩位移分析 巷道开挖后，初始应力被释放，经过应力重新分配， 转入二次应力状态。此时，巷道周边一定范围内的围岩 万方数据 图7 开挖1 0 m 最小主应力图 图8 开挖3 0 m 最小主应力图 “争 图9 开挖6 0 m 最小主应力图 已进人塑性状态，向巷道内侧蠕变，具体表现为拱顶及 拱肩部位出现沉降，底板底鼓，边墙产生侧向变形。为 更好地分析巷道开挖的位移场，计算中对不同开挖的三 个巷道横断面的拱顶、拱肩等部位进行位移模拟分析， 分析结果如图1 0 至图1 2 所示。 r ” P ●l - _ 】举一●■- ●啊Ⅳ 图1 0 开挖1 0 m Z 方向位移图 图1 1 开挖3 0 m Z 方向位移图 上一 ．， ’ 翼 图1 2 开挖6 0 m Z 方向位移图 2 ．4 巷道围岩松动圈分析 围岩塑性破坏是一个徐变过程。巷道开挖后，首先 产生围岩松动圈，围岩以释放应力的形式发生小量位移。 由于围压的卸载使得部分围岩在剪切应力的作用下破坏 失效，失去承载能力，导致相邻岩石在传递来的剪应力 下继续破坏。同时由于工作面的向前推移，顶板围岩距 离悬臂结构的端部越来越远，上部岩石压应力作用逐渐 转为拉应力作用。因此，塑性破坏区的范围要从一个较 长时间段来看，在设计和施工阶段，就应该考虑到这一 点。从计算结果来看，巷道段刚开挖完和掌子面远离后 的围岩塑性破坏也存在较大差异。 图1 3 围岩塑性破坏区 从图1 3 可以得到，围岩松动圈1 8 0c m ，属于一般 不稳定围岩 软岩 Ⅳ级大松动圈，应采取锚杆组合拱， 喷层、金属网局部支护。 2 ．5 实际开采条件下计算分析 在数值模拟基础上，针对变化应力环境条件，分析 小官庄铁矿采场巷道矿柱的稳定性，结果具有一定的普 遍性。小官庄铁矿实际开采模型，则是情况的特例，通 过调整边界应力条件，进行同样计算，巷道围岩不同分 区范围和稳定性安全系数如表4 所示。 表4 反映小官庄铁矿采场巷道在实际开采的两种极 限状态 开槽状态、收尾状态 下，处于临近采区，进 路回采时动态支承压力的环境，两种软破岩巷道围岩主 次承载区的变化情况。选择两种极限状态，主要是它们 具有代表性。开槽状态是指进路刚回采时工作面处于拉 槽时，此时工作面承受的应力较小，主要承受临近采区 的开采影响，而收尾状态则是进路开采最困难的时候， 进路工作面不仅要承受临近采区的集中应力，而且还要 承受进路开采所引起的集中应力。 小官庄铁矿承压区软破岩采场巷道围岩主次承载区 范围同样遵循一般普遍性的规律。不同位置的围岩承受 不同的应力。小官庄铁矿承压区软破岩采场巷道围岩稳 定的安全系数，对于主承载区其安全系数保持在2 ．0 左 右，次承载区安全系数保持在1 ．0 左右，即可保证巷道 使用的安全。当主承载区安全系数降至1 ．0 以下，或次 承载区安全系数降至O ．5 以下，巷道已处于不安全状态。 3 预防松石冒落对策措施 针对不同的地质条件和矿脉的赋存状态，预防和减 有色金属工程2 0 1 2 年第3 期 3 3 万方数据 看么企囊工程 N O N F E R R O U SM E T A L SE N G I N E E R I N G 表4 巷道围岩不同分区范围和稳定性安全系数 少松石冒落事故可以采取优化支护、采掘工程布置、爆 破设计以及提高松石检撬技术等措施，同时也可以从岩 石无损探测技术和围岩顶板在线监测两方面出发，建立 围岩监测预警系统。根据五矿集团所属矿山发生松石冒 落事故的原因，结合现场工程实际，从以下几个方面采 取预防治理措施。 3 ．1 优化支护参数 在巷道掘进和采矿过程中，要及时进行支护，在作 业人员与围岩之间建立起安全保护层，防止松石冒落伤 人。根据不同岩种、地质情况和巷道服务年限，制定分 级支护的办法，确保支护方案经济合理I l O l 。当岩石不稳 定，需用普通法上掘天溜井时，要求进行临时喷浆支护 或打点柱，以防止围岩节理面进水并受凿岩振动而脱落， 每次放炮前要将木垛支护到工作面。所有对不稳定岩石 的临时支护要求在放炮1 0h 以内进行，喷浆与凿岩时间 间隔在3h 以上。 3 ．2 布置巷道工程 如果地下工程布局不合理，地下岩体中的二次应力 状态分布不可能有均一性。急倾斜多中段重复采动，产 生多次应力集中，这势必影响井下工程结构体的稳定性。 如果地下工程布置不合理，采掘顺序不适应矿区岩体应 力合理分布状态，则会导致岩体的整体抗载能力明显下 降。同时井巷和采场的顶板应尽量采用拱形。因为围岩 的次生应力不仅与原岩应力和侧压系数有关，而且还与 巷道形状有关。采用拱形时，施工难度不大且顶板压力 不会太集中，顶板稳定性较好。 1 工程布置应避开地质结构软弱面。根据前面分 析，采场或掘进巷道的松石冒落主要受矿岩本身的稳定 性影响较大，特别是软弱岩层，同时地质构造 主要指 断层和节理 、构造应力和采动也有一定的影响。断层 对巷道的影响是局部性的，过了断层，影响就比较小了。 构造应力在巷道布置方位确定后在一定程度上无法避免。 软弱岩层对巷道的矿压显现影响较大，但人为无法改变 软弱岩层的岩性、强度和赋存环境，所以在选择巷道工 程及采场进路和天井布置层位上尽量避开岩层弱结构面。 2 开拓巷道布置应根据矿脉的赋存条件、地质条件、 开采技术条件和矿井开拓、通风、运输方式等因素确定， 并应符合下列规定开采近距离矿脉群时，宜采用集中 或分组运输大巷布置方式；矿脉间距大时，宜采用分层 运输大巷布置方式；开拓巷道布置应避开应力集中区和 活动断层，且不宜沿断层布置。 3 一般采准工程应布置在矿体的下盘。由于矿体被 采出后，其上部岩石就会发生移动或崩落。因此，无论 是主要开拓巷道或辅助开拓巷道等都应设在距岩石移动 带1 0 - 2 0m 的范围以外。否则，就要在其下部保留一部 分矿石作为保安矿柱来维护这些工程。 例如黑色余属矿1 【J 在应用崩落采矿法时，应把阶段 运输巷道布置在下盘围岩中，并且令其位于下阶段开采 后的岩石移动范围之外，如图1 4 所示。当矿体倾角a 大于下盘岩石移动角y 时，如果上阶段的下盘运输巷道 要保留到下阶段采完，则该巷道与矿体边界的最下距 1 1 离应为￡m m i 日‘i 面1 一志 ，式中仔一阶段高度，m a 一 矿体倾角， o ， 卜下盘岩石移动角， o 。 图1 4 确定阶段巷道与矿体的最小距离 计算出L 。之后，还要综合考虑其他因素，最终确定 阶段运输巷道的位置。当萨y 时，计算公式不适用。这 时下阶段的岩石移动对上一阶段巷道的位置不发生影响。 3 1 3 改进采矿工艺 为预防松石冒落，应加强采矿阶段的工艺改进措施。 工程技术E n g i n e e r i n gT e c h n o l o g y 万方数据 1 采取有效的方法控制地压．及时调整回采顺序，严格 控制采场暴露面积和采空区高度等技术指标，保证合理 的暴露时间和空间。2 对原采矿方法不断改进，找出最 适合现有开采条件的，高效安全的采矿方法，及时处理 采空区。 3 ．4 优化爆破设计 控制巷道围岩冒落除了要加强支护外，还要减少掘 进施工对围岩的破坏。为减小工程爆破对围岩松动圈的 振动影响，可采取光面爆破的办法，将光面爆破参数进 行优化设计，根据不同类型的岩石，分别确定巷道周边 眼的间距、光爆层的厚度及装药量。根据实例计算，稳 定性好的中等以上坚硬岩石，眼距为5 5 0m m 左右，光 爆层为6 0 0n l m ．装药量为2 5 0g 细。稳定性一般的中等 坚硬岩石，眼距为5 0 0m m 左右，光爆层为6 0 0m m ， 装药量为2 0 0g ／m 。稳定性差的软破岩石，眼距为4 0 0 m m 左右，光爆层为5 5 0m m ，装药量为1 0 0g ／m 。对上 述参数严格进行控制，使爆破后巷道周边留下半边炮眼 痕迹，避免围岩的节理面因爆破而破坏。 3 ．5 提高松石检撬技术 撬浮石方法可分成人工撬松石和机械撬松石两大 类。由于人工处理松石时人员处于松石下方，危险程度 很高，推荐使用机械撬松石。机械主要包括手持式撬松 石机、自走式松石机，撬松石台车和撬松石机器人等[ i l l 。 从目前使用效果来看，手持式撬松石机和自走式松石机 在国．内应用较为普遍，使用效果较好，推荐矿山企业根 据自身巷道情况选择使用。 3 ．6 利用松石冒落监测预警技术 松石冒落监测预警技术主要包括岩石无损探测技术 和围岩顶板在线监测系统。岩石无损探测技术是利用声、 光、磁和电等特性，在不损害或不影响被检对象使用性 能的前提下，检测被检对象中是否存在缺陷或不均匀性， 给出缺陷的大小、位置，性质和数量等信息，进而判定 被检对象所处技术状态。如超声探测、红外探测和地质 雷达等。在线监测系统目前通用的技术包括声发射监测、 微震监测和光纤岩移监测等。 3 ．7 强化安全管理 通过对松石冒落影响阑素的分析可知，人的不安全 行为也是造成松石冒落事故的一方面原因。因此，要减 少矿山松石冒落事故的发生，应加强以人为本的安全理 念，提高员工的安全意识，减少或杜绝人的不安全行为 的产生对预防松石冒落事故的发生具有现实意义。 1 安全技术培训。安全技术培训主要包括安全技能 培训，安全知识教育等。可采用理论与实践相结合的培 训办法，通过剖析实际案例，让作业人员熟知矿山相关 安全法律法规和操作规程，掌握松石冒落事故的分析和 处理办法，并能对作业环境中存在的危险因素进行分析， 查找存在危险源和隐患井采取相应的控制措施。 2 安全文化建设。培育良好的企业安全文化是预防 生产安全事故发生，提高企业安全管理水平的藿要措施。 通过不断宣传，可以营造良好的安全氛围，使广大员工 牢固树立安全第一、预防为主的观念，同时加强自我保 护的意识、保险防范的意识，防患于未然的意识等。 3 规章制度建立。建立顶板检撬作业规程和安全管 理制度。在各工作面备有长短撬棍，设立专人或兼管人 员具体负责各工作面的排险工作，设立警告标志，做好 交接班制度，及时对作业人员进行培训并监督严格执行。 4 结语 1 对五矿集团所属金属矿山发生松石冒落事故统计 的基础上，结合事故案例，总结分析影响松石冒落的主 要因素，提出地质条件是造成松石冒落发生的首要因素。 同时探讨松石冒落发生的机理。 2 根据数值模拟分析结果，巷道段开挖结束和掌子 面远离后的围岩塑性破坏存在较大差异，围岩塑性破坏 区中可以得到巷道的总体围岩松动圈1 8 0c m ，属于Ⅳ级 大松动圈，为一般不稳定围岩 软岩 。应及时进行支护。 3 以提高矿山安全为目的，从技术和管理两方面提 出减少松石产生，预防松石冒落伤人的具体可行的操作 措施。 参考文献 【1 ] 大吉山钨业有限公司，赣州有色冶金研究所．大吉山矿区钽 铌钨矿体采矿方法与深部开采地压控制方案研究f R ] ．2 0 1 1 ． 【2 】赣州有色冶金研究所，漂塘钨矿．漂塘矿区东部地压治理技 术方案【R 】．2 0 0 8 ． 【3 】刘宁武，朱息武，梅国栋，等．炮烟中毒窒息事故机理和预 防措施研究明．有色金属 矿山部分 ，2 0 1 2 ，6 4 3 I - 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