An experimental study on the yield strength of cement grout for grouting in the limestone area of a coal seam floor
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摘要:目的和方法
近年来,地面定向钻区域注浆是煤矿区底板灰岩水害的首选技术。在其注浆工程实施中,浆液扩散半径一直备受关注,而浆液扩散半径受浆液剪切屈服强度(简称“屈服强度”)、浆液相对密度、注浆压力等多种因素制约,影响现场注浆工程实施效果,其中屈服强度无法现场测试。以淮北煤田恒源煤矿实际注浆工况为例,通过配制不同水灰比浆液,开展浆液剪切实验,分析初始黏度、凝结时间等因素影响,获得屈服强度参数,探讨屈服强度对浆液扩散半径、注浆压力等因素的影响。
结果和结论结果显示:(1)恒源煤矿P.O 42.5级水泥制成的相对密度1.2~1.6的水泥浆,随着初凝时间的增加,浆液的初始黏度总体上随浆液相对密度的增大而增大,浆液相对密度越大,黏度增长越快。(2)区域注浆水泥在初凝之前的剪切应力在0~17 Pa,屈服强度在0~13 Pa;浆液相对密度1.2、1.3的浆液易于流淌,适用于底板太原组第三层灰岩窄而深的细微裂缝的灌注。(3)相同注浆条件下,随浆液屈服强度增加浆液扩散范围减小,当屈服强度为0.5 Pa时,浆液扩散范围大于35 m;当屈服强度大于1.5 Pa时,浆液扩散范围开始小于10 m。(4)示踪试验验证,实际浆液扩散较远处水泥主要来自于屈服强度较低的相对密度为1.2的浆液,与室内实验结果相一致。该研究对注浆治理工程实施具有一定的参考作用。
Abstract:Objective and MethodsIn recent years, regional grouting through ground directional drilling has become the preferred technique for water disaster prevention and control in floor limestones in a coal mining area. In grouting engineering, the diffusion radius of cement grout, which has always received wide attention, is constrained by multiple factors including the shear yield strength (yield strength for short) and specific gravity of cement grout, along with grouting pressure. The diffusion radius in turn influences the implementation effects of on-site grouting engineering. Among its controlling factors, the yield strength of cement grout cannot be tested on site. Given this, this study investigated actual grouting conditions in the Hengyuan coal mine of the Huaibei coalfield. Using shear experiments on the prepared cement grout with varying specific gravities, this study analyzed the impacts of factors such as initial viscosity and setting time and determined the yield strength of the cement grout. Furthermore, it explored the impacts of the yield strength on factors like the diffusion radius of cement grout and grouting pressure.
Results and conclusionsThe results indicate that as the initial setting time increased, the initial viscosity of cement grout with specific gravities ranging from 1.2 to 1.6, prepared using cement P.O42.5 in the Hengyuan coal mine, increased with the specific gravity generally. Furthermore, a higher specific gravity corresponded to more rapid growth in the viscosity. The cement for regional grouting exhibited shear stresses ranging between 0 Pa to 17 Pa and yield strength from 0 Pa to 13 Pa before the initial setting. The cement grout with specific gravities of 1.2 and 1.3 was more prone to flow, thus suitable for grouting in narrow, deep microfractures in the third dolomite layer of the Taiyuan Formation. Under identical grouting conditions, the diffusion range of the cement grout decreased with an increase in its yield strength. Specifically, the diffusion range exceeded 35 m under a yield strength of 0.5 Pa while beginning to fall below 10 m in the case of yield strength greater than 1.5 Pa. Tracer tests verified that during grouting, the cement at a long diffusion distance originated primarily from the low-yield-strength cement grout with a low specific gravity of 1.2. This finding is consistent with the laboratory experiments. This study can serve as a reference for the implementation of grouting treatment engineering.
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近年来,地面定向钻区域注浆技术在煤炭行业内应用越来越多,常应用于煤矿顶板、底板含水层改造[1-2]、围岩改性及巷道支护[3-4],超前探查、治理煤层陷落柱问题[5-6],或将定向钻探技术应用于超强探查、疏放煤层水[7-8],隐蔽致灾因素探查[9]、工作面回采期间瓦斯抽采治理[10]、长距离输煤管道定向钻穿越等[11]。
目前,华北煤田底板灰岩水害防治的首选技术即为地面定向钻区域注浆技术[12]。安徽淮北煤田地处华北煤田南缘,石炭系太原组灰岩(简称“太灰”)赋存于二叠系煤系下部,是下组煤开采的主要威胁水源之一,并且有可能与下伏的奥陶系灰岩相联系,因而成为煤层开采底板水害防治的主要对象,且多采用地面定向钻区域注浆技术进行治理[13-15]。
在近水平地层中施工定向钻孔或水平分支孔,相关的技术相对比较成熟[16]。但作为煤矿底板水害治理的主要手段,水平分支孔的间距会影响注浆效果。水平分支孔的间距若设计过小,治理成本会大大提高;若设计过大,加固和堵水效果难以保障,有可能存在注浆盲区,存在安全隐患[17-18]。在考虑注浆效果和经济性的前提下,需要通过浆液扩散半径来反推水平分支孔的孔间距。而浆液扩散半径又受多种因素制约,其中一个重要因素是浆液的剪切屈服强度(以下简称“屈服强度”)[19]。不同相对密度浆液,因其屈服强度不同,注入裂隙含水层后的浆液扩散半径差异悬殊[20]。以宾汉姆流体浆液为例,其扩散半径与注浆压力、裂隙宽度、注浆孔半径、屈服强度有关[21],其中,注浆压力、裂隙宽度、注浆孔半径均可现场测定,而屈服强度(τo)则是一个随水灰比、凝结时间等因素变化的参数,现场难以测定。
为此,针对屈服强度(τo),进行不同相对密度、不同水灰比浆液剪切实验,分析初始黏度、凝结时间等因素影响,获得浆液屈服强度参数,揭示浆液屈服强度对浆液扩散范围、注浆压力历时变化等因素的影响机制。以安徽淮北煤田恒源煤矿下组煤(6号煤)Ⅱ637、Ⅱ638工作面里段Z8场地为研究对象,为底板区域注浆扩散半径计算提供可靠依据,保障底板区域治理效果,并且最大限度地减少治理成本。
1 实验设计
1.1 浆液流型概述
实践证明,注入裂隙含水层中的浆液依然处于运动状态,而且浆液在胶凝前其黏度逐渐增大,但浆液流型却保持不变。刘人太[22]认为,水泥浆液在其水灰比较大时可视为牛顿流体,黏土水泥浆液与较大黏度的化学浆液可视为宾汉姆流体。其他相关学者[23-26]对各种常用的注浆浆液进行研究,并对浆液流型进行了分类,根据水灰比(W/C)的不同,单一水泥浆液可分成3类流型:幂律流体(0.5≤W/C≤0.7)、宾汉姆流体(0.8≤W/C≤1.0)和牛顿流体(W/C≥2)(图1),其中水泥浆由幂律流体转化为宾汉姆流体的水灰比临界值为 0.7,由宾汉姆流体转化为牛顿流体的临界值为1.0[27]。孙小康[28]认为普硅425水泥浆在其水灰比W/C≥ 0.7 时为宾汉姆流体,当水灰比W/C≤0.6 时为幂律流体。
恒源煤矿6煤底板区域注浆治理工程施工中所用水泥多为普通硅酸盐425水泥,均采用单一水泥浆,常用浆液有5种不同相对密度,分别是1.2、1.3、1.4、1.5、1.6,对应水灰比(W/C)分别是3.0、1.89、1.33、1.0、0.78,且实际注浆用到相对密度1.3、1.4、1.5浆液较多,浆液水灰比均在0.7以上,主要包括牛顿型流体和宾汉姆流体两种流型,也即本文主要讨论的水泥浆液。
1.2 水泥浆体流动方程
牛顿浆体为黏性流体,是一种没有刚度极易流动的液体。当液体受到外力的作用,即使这个力很小,液体也开始流动。宾汉姆型浆液为黏−塑性流体,具有一定的剪切强度。当浆体受到外力作用时,若这个力小于浆体的屈服强度,则只能使浆体变形作功,而不能使浆体流动。只有在外力超过浆液屈服强度时,浆体才开始流动,向岩石空隙中扩散。由于宾汉姆型浆液相对密度较大,注浆压力较小的情况下较难进入微细缝隙,只有在较高的压力下,才能使它扩散到较远的距离。宾汉姆浆体流动方程如下式[29]。
$$ \tau ={\tau }_{{\mathrm{o}}}+\eta \frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}x} $$ (1) 1.3 浆液剪切实验
本次浆液剪切实验中,利用流变仪,按照0、10、20、30、40、50 min间隔,分别测试相对密度1.2、1.3、1.4、1.5、1.6共计5种不同相对密度(表1)的水泥净浆在初凝之前的黏度和剪切应力。但水灰比为3.0时,在测试过程中所耗费的时间较长,均接近于10 min,故该水灰比下的测试时间间隔为15 min。剪切速率在0.1~100 1/s范围内采用线性增长模式进行试验,每一相对密度浆液测试总次数均为21次,测试原始指标包括剪切速率、剪切应力、初始黏度、温度和扭矩,然后通过式(1)计算不同相对密度浆液的屈服强度。
表 1 不同相对密度浆液的配制Table 1. Preparation of cement grout with varying specific gravities浆液相对密度 水灰比 水泥/g 水/g 1.2 3.00 30 90.0 1.3 1.89 30 56.7 1.4 1.33 30 39.9 1.5 1.00 30 30.0 1.6 0.78 30 23.4 利用电子天平分别称量P.O 42.5级水泥和水的质量,再将水泥倒入烧杯中,边加水边用玻璃棒进行搅拌,最终把搅拌均匀的水泥浆液倒入流变仪的试验筒中。在流变仪中低转速下继续搅拌并计时,在0、10、20、30、40、50 min 时刻分别停止搅拌,并读数。
2 结果与讨论
2.1 初始黏度随时间的变化特征
不同相对密度下初始黏度如图2所示。可以看出,随着初凝时间的增加,整体上随相对密度增大,浆液的初始黏度增加。其中,1.2相对密度浆液,由于水灰比较大,浆液流动性大,随时间增加浆液黏度变化不大,基本稳定在1.1 mPa·s;而1.3相对密度浆液黏度前期随时间增加,黏度增加明显,30~50 min之间黏度值变化不大,多稳定在58~63 mPa·s;1.4、1.5、1.6相对密度浆液随时间增加,黏度增加明显,每分钟增加约2.2 mPa·s。同一时段内,整体上随浆液相对密度增加,黏度增大。
2.2 浆液屈服强度与水灰比及凝结时间的关系
根据宾汉姆浆体流动方程计算得出不同水灰比和凝结时间下的水泥浆的剪切应力,见表2、压服强度如图3所示。
表 2 不同凝结时间下水泥浆的剪切应力Table 2. Shear stress and yield strength of cement grout under varying setting times相对密度 水灰比 不同凝结时间下水泥浆的剪切应力/Pa 0 min 10 min 20 min 30 min 40 min 50 min 1.2 3.00 0~0.12 0~0.12 (15 min) 0~0.12 (30 min) 0~0.13 (45 min) 0~0.12 (60 min) 1.3 1.89 0~0.78 0.70~2.26 0.88~3.94 0.84~5.74 0.90~6.76 0.60~6.61 1.4 1.33 0.11~0.82 0.56~2.53 1.08~5.30 1.19~7.97 1.00~10.03 1.11~11.84 1.5 1.00 0.21~1.18 0.62~1.78 0.98~4.07 1.38~6.83 1.47~9.35 1.38~11.51 1.6 0.78 0.48~3.08 2.16~4.68 1.64~7.16 1.63~10.67 1.82~13.88 1.89~16.67 随着凝结时间的增长,水泥浆的剪切应力和屈服强度也相应增大。随着水灰比增大,水泥浆的剪切应力和屈服强度相应减小。水灰比过大时(W/C>2,牛顿流体),虽流动性大,但产生严重的分层离析和泌水现象,新生成的胶体水泥浆浓度低,塑性黏度下降,水泥浆在硬化时会产生较多细小裂纹,从而降低了浆体硬化强度。水灰比过小时(W/C<0.5),胶体和晶体的材料不能充分形成,水泥浆的和易性差,施工振捣、密实很困难,如果在水泥浆充分硬化后未水化水泥再遇水发生水化作用,水化产物造成的膨胀应力作用便有可能造成水泥凝胶体的开裂。
当水泥浆液相对密度为1.2时,水泥浆液的屈服强度很小,水泥浆液显得非常“稀”,易于流淌,硬化之后的强度低且易开裂,只适用于窄而深的细微裂缝的灌注。随着水泥浆液相对密度的增加,水泥用量也相应的增大,水泥浆液的凝胶体数量也不断提高,浆液的塑性黏度变大,故屈服强度处于上升趋势。
综合分析可知,恒源煤矿底板区域治理相对密度1.2~1.6水泥浆在初凝之前的剪切应力在0~17 Pa,屈服强度在0~13 Pa,屈服强度占剪切应力的50%~75%。从试验数据结果和拌制的水泥浆液表观形象来看,浆液相对密度1.5、1.6(水灰比1.0、0.78)的水泥浆液的和易性好,剪切强度也适中,应该适用于一般裂缝孔洞的灌注。浆液相对密度1.2、1.3(水灰比3.0、1.89)的浆液易于流淌,适用于煤层底板太原组灰岩(L3灰)窄而深的细微裂缝的灌注。
2.3 屈服强度对水泥浆液扩散的影响
此处利用浆、水二相流理论,使用 Comsol Multiphysics软件,基于淮北煤田恒源煤矿注浆区域实际地质与水文地质条件构建的287注浆孔概念模型,如图4所示,基于注浆现场实际工况,输入模型相关参数(表3)。设模型顶、底板 (L3顶、底) 为无流量无通量边界,静水压力设为实测压力平均为 3.5 MPa。地下水密度为 1 000 kg/m3,动力黏度为 0.001 Pa·s。浆液和地下水的相对渗透率参数是饱和度的函数,为其饱和度的平方[19]。通过多次设参运行,开展地面定向钻煤层底板区域高压注浆浆液屈服强度性能对浆液扩散数值模拟研究,揭示浆液屈服强度对浆液扩散范围的影响机制。
表 3 数值模型相关参数设置Table 3. Parameter settings used in the numerical model相对
密度注入
时间/h注入孔的
质量流率/
(kg·s−1)密度/
(kg·m−3)动力黏度/
(Pa·s)1.2 11.2 10.00 1 200 0.001 4 1.3 41.8 10.83 1 300 0.007 7 1.4 7.0 11.67 1 400 0.011 0 1.3(结束前) 7.6 10.00 1 300 0.001 4 恒源煤矿实际注浆压力11 MPa、静水压力4 MPa、注浆孔半径76.2 mm、裂隙隙宽3 mm、注浆时间3 d,多次设参运行后获得屈服强度与浆液驱水扩散范围的关系如图5所示。
从图5可以看出,随浆液屈服强度的增加,相同注浆条件下浆液扩散范围减小。屈服强度较小时,随屈服强度变化浆液扩散范围响应明显;屈服强度较大时,随屈服强度变化浆液扩散范围响应减弱,即随浆液屈服强度的增加浆液扩散范围减小的幅度越来越小。当屈服强度为0.5 Pa时,浆液扩散范围大于35 m;当屈服强度大于1.5 Pa时,浆液扩散范围开始小于10 m。
2.4 不同屈服强度下注浆压力的历时变化
浆液进入裂隙一定时间后,扩散区域不同位置处对应的浆液质点黏度增长速率不同,即不同浆液扩散位置对应浆液黏度值不同,因此不同位置浆液黏度的差异性对浆液驱水扩散效果具有一定影响。
考虑、不考虑不同位置浆液黏度差异性所计算出注浆压力的差值,除受黏度时变指数 A 影响外,还与浆液屈服强度τo 有关。这里以恒源煤矿注浆工况条件为例,对不同屈服强度τo影响下,考虑、不考虑不同位置黏度差异性所得注浆压力的相对差值进行分析,计算参数见表4。
表 4 不同屈服强度下注浆压力计算参数Table 4. Parameters for calculating grouting pressure under varying yield strength屈服强度
τo/Pa静水压力
pw/MPa裂隙隙宽
b/mm裂隙迹长
L/m时变指数
A注浆流量q/
( m3·s−1)浆液黏度
μw/(Pa·s)2、4、6、8 0.1 5 20 0.01 1×10−4 0.001 注:浆液扩散过程中注浆压力变化规律,考虑、不考虑不同位置黏度差异性时,注浆压力p1 随注浆时间t 的变化规律。 参照文献[27],考虑与不考虑不同位置黏度差异性时对应注浆时间t 与注浆压力p1 的关系,根据式(2)计算不同屈服强度τo影响下注浆压力差值函数Δp,如图6所示。
$$ \Delta {p}_{(A,t)}=\frac{\max({p}_{1}-{p}_{2})}{{p}_{1}} $$ (2) 经计算,当屈服强度τo值分别为2、4、6、8 Pa时,在注浆时间为300 s,不考虑、考虑不同位置浆液黏度差异性计算所得注浆压力相对差值Δp分别为7.9%、10.4%、12.5%、14.4%,这种差值随注浆时间的增大而不断变大。因此,在其他条件相同的情况下,屈服强度越大的水泥浆液,越不能忽略不同位置黏度差异性的影响。
3 工程应用案例
3.1 区域注浆工程概况
2016年以来,恒源煤矿利用地面定向钻高压注浆技术,在Ⅱ63、Ⅱ65等多个采区对底板太原组三灰(L3灰)实施区域性加固改造,使得煤层底板隔水层有效厚度增加 20 m 左右,并且有效封堵了垂向导水构造,阻断了开采范围内太原组三灰及其以下的灰岩补给水源向矿坑的充水通道[30-32]。
在底板灰岩水害区域治理工程中,钻孔分“三开”施工。自地表至松散层底部为“一开”,造斜至目的层(L3灰)顶为“二开”,侧孔分支进入目的层为“三开”(裸孔注浆段)。由于该矿含煤地层近水平,因而“三开”裸孔亦称为“水平分支孔”[33-34]。
Z8场地设计1个主孔及12个顺层孔,各分支孔钻进过程中全程钻井液正常消耗,漏失量0~1 m3/h。其中Z8-7分支孔顺层段长618.99 m,灰岩顺层率100%,总水泥用量844.395×103 kg,吃浆量1.36×103 kg/m,注浆时间72 h,施工过程详见表5。
表 5 Z8-7孔注浆实际工况条件Table 5. Actual grouting conditions of borehole Z8-7相对
密度注浆
时间/h流量/
(L·min−1)平均孔口
压力/MPa平均孔底
压力/MPa静水
压力/MPa1.2 11.2 500 9.1 18.7 3.13~4.49 1.3 41.8 500 11.1 21.5 3.13~4.49 1.4 7 500 12 23.2 3.13~4.49 1.3(结束前) 7.6 400~100 12.1 22.5 3.13~4.49 此次实验室开展的屈服强度性能实验,以Z8场地为工程实例进行验证。
3.2 示踪试验验证
基于上述室内试验及相关理论分析,在恒源煤矿Z8场地开展了煤层底板含水层区域注浆改造浆液扩散范围现场示踪试验[35]。其过程为:注浆浆液中加入适当示踪剂,通过高压注浆注入受注层示踪孔(图7,Z8-7孔)。施工追踪孔(Z8-6、Z8-8、Z8JC),取岩屑观测其示踪剂情况,若含有示踪剂,表明浆液已扩散至追踪位置;若不含示踪剂,说明浆液没有扩散至追踪位置。
其中,区域注浆治理工程中浆液相对密度主要涉及1.2、1.3、1.4,不同相对密度浆液若改变,就要考虑到浆液屈服强度参数。
通过示踪试验获得恒源煤矿Z8场地底板注浆治理区域的浆液扩散范围为38.3~44 m,与实验中的当屈服强度为0.5 Pa时,浆液扩散范围大于35 m较为一致,而相对密度1.2浆液屈服强度多小于0.5 Pa,也说明浆液扩散较远处水泥主要来自于注入的相对密度1.2浆液,显示出浆液屈服强度性能研究对注浆治理工程实施具有一定的参考作用。
4 结 论
(1)利用恒源煤矿P.O 42.5级水泥制成的相对密度1.2~1.6的水泥浆,随着初凝时间的增加,浆液的初始黏度总体上随浆液相对密度的增大而增大,且1.4~1.6相对密度浆液表现明显,其黏度每分钟增加约2.2 mPa·s。
(2)恒源煤矿区域注浆水泥在初凝之前的剪切应力在0~17 Pa,屈服强度在0~13 Pa,屈服强度占剪切应力的50%~75%;浆液相对密度1.2、1.3(水灰比3.0、1.89)的浆液易于流淌,适用于煤层底板三灰窄而深的细微裂缝的灌注。
(3)模拟研究发现,随浆液屈服强度的增加,相同注浆条件下浆液扩散范围减小,且减小的幅度越来越小;当屈服强度为0.5 Pa时,浆液扩散范围大于35 m;当屈服强度大于1.5 Pa时,浆液扩散范围开始小于10 m。
(4)通过恒源煤矿煤层底板含水层区域注浆改造浆液扩散范围现场示踪验证,浆液扩散较远处水泥主要来自于相对密度1.2浆液,实验成果实际工程应用效果较好,对类似地质条件下注浆治理工程实施具有一定的参考作用。
符号注释:
A为黏度时变指数;dv/dx为剪切速率,s−1;$ {p}_{1} $、$ {p}_{2} $分别为t时刻,考虑、不考虑不同位置黏度差异性时的注浆压力值,Pa;τ为剪切应力,Pa;τo为剪切屈服强度,Pa;η为浆液塑性黏度,Pa·s。
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表 1 不同相对密度浆液的配制
Table 1 Preparation of cement grout with varying specific gravities
浆液相对密度 水灰比 水泥/g 水/g 1.2 3.00 30 90.0 1.3 1.89 30 56.7 1.4 1.33 30 39.9 1.5 1.00 30 30.0 1.6 0.78 30 23.4 表 2 不同凝结时间下水泥浆的剪切应力
Table 2 Shear stress and yield strength of cement grout under varying setting times
相对密度 水灰比 不同凝结时间下水泥浆的剪切应力/Pa 0 min 10 min 20 min 30 min 40 min 50 min 1.2 3.00 0~0.12 0~0.12 (15 min) 0~0.12 (30 min) 0~0.13 (45 min) 0~0.12 (60 min) 1.3 1.89 0~0.78 0.70~2.26 0.88~3.94 0.84~5.74 0.90~6.76 0.60~6.61 1.4 1.33 0.11~0.82 0.56~2.53 1.08~5.30 1.19~7.97 1.00~10.03 1.11~11.84 1.5 1.00 0.21~1.18 0.62~1.78 0.98~4.07 1.38~6.83 1.47~9.35 1.38~11.51 1.6 0.78 0.48~3.08 2.16~4.68 1.64~7.16 1.63~10.67 1.82~13.88 1.89~16.67 表 3 数值模型相关参数设置
Table 3 Parameter settings used in the numerical model
相对
密度注入
时间/h注入孔的
质量流率/
(kg·s−1)密度/
(kg·m−3)动力黏度/
(Pa·s)1.2 11.2 10.00 1 200 0.001 4 1.3 41.8 10.83 1 300 0.007 7 1.4 7.0 11.67 1 400 0.011 0 1.3(结束前) 7.6 10.00 1 300 0.001 4 表 4 不同屈服强度下注浆压力计算参数
Table 4 Parameters for calculating grouting pressure under varying yield strength
屈服强度
τo/Pa静水压力
pw/MPa裂隙隙宽
b/mm裂隙迹长
L/m时变指数
A注浆流量q/
( m3·s−1)浆液黏度
μw/(Pa·s)2、4、6、8 0.1 5 20 0.01 1×10−4 0.001 注:浆液扩散过程中注浆压力变化规律,考虑、不考虑不同位置黏度差异性时,注浆压力p1 随注浆时间t 的变化规律。 表 5 Z8-7孔注浆实际工况条件
Table 5 Actual grouting conditions of borehole Z8-7
相对
密度注浆
时间/h流量/
(L·min−1)平均孔口
压力/MPa平均孔底
压力/MPa静水
压力/MPa1.2 11.2 500 9.1 18.7 3.13~4.49 1.3 41.8 500 11.1 21.5 3.13~4.49 1.4 7 500 12 23.2 3.13~4.49 1.3(结束前) 7.6 400~100 12.1 22.5 3.13~4.49 -
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