瓦斯爆炸规律 隔爆技术.docx
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瓦斯爆炸规律隔爆技术
瓦斯爆炸规律及迎爆隔爆新技术
摘要:
随着我国瓦斯防治技术的发展和煤矿瓦斯治理工作体系的完善,较大以上瓦斯事故起数、死亡人数和百万吨死亡率逐年下降,安全生产形势总体逐年稳定好转。
但煤矿安全基础仍然薄弱,煤矿重特大瓦斯事故还未得到根本遏制,煤矿安全生产形势依然严峻。
本文针对较大以上瓦斯爆炸事故的主要因素——瓦斯积聚原因和引火源进行分析,在此基础上从通风质量标准化、矿用安全设备管理、岗位准入、矿井瓦斯等级管理和重点省市安全监管四个方面提出了针对性的防范对策,并介绍了瓦斯爆炸迎爆、隔爆的新技术。
为防治瓦斯爆炸提供了一些措施和建议。
关键词:
煤矿瓦斯爆炸;原因分析;防范对策;迎爆、隔爆;技术准入
1瓦斯事故的现状及特点
1.1瓦斯事故现
近年来随着我国煤矿安全投入的不断增加,以“通风可靠、抽采达标、监控有效、管理到位”为核心的瓦斯治理工作体系逐渐建立完善,安全管理水平也得到了大幅度的提升,瓦斯事故持续大幅度下降,煤矿安全生产形势明显好转。
表1给出了2006年~2010年我国煤矿瓦斯事故起数和死亡人数的对比分析。
这期间全国共发生较大以上瓦斯事故1083起,死亡4559人,分别占事故总量的10.5%和27.1%。
其中一次死亡1~2人的一般瓦斯事故607起,死亡833人,分别占56.0%和18.3%;一次死亡3~9人的较大瓦斯事故389起,死亡1848人,分别占35.9%和40.5%;一次死亡10人以上的重、特大瓦斯事故87起,死亡1878人,分别占8.0%和41.2%,详见表1。
由此可见,瓦斯事故之所以是煤矿安全生产的第一杀手,除了发生起数较多外,更重要的是单起事故的伤亡人数较多,仅重大以上事故的死亡人数就占到瓦斯事故总死亡人数的41.2%。
因此,控制重特大瓦斯事故是遏制煤矿群死群伤事故的关键。
表1“十一五”期间瓦斯事故按事故类别汇总
时间
所有瓦斯事故
较大瓦斯事故
重大瓦斯事故
特别重大瓦斯事故
起数(起)
死亡人数(人)
起数(起)
死亡人数(人)
起数(起)
死亡人数(人)
起数(起)
死亡人数(人)
十一五
2006年
327
1319
127
582
22
347
4
143
2007年
272
1084
85
417
19
289
3
171
2008年
182
778
63
290
16
297
1
37
2009年
157
755
57
260
7
82
4
292
2010年
145
623
57
299
9
135
2
85
合计
1083
4559
389
1848
73
1150
14
728
2010年比06年
±
-182
-696
-70
-283
-13
-212
-2
-58
±%
-55.7
-52.8
-55.1
-48.6
-59.1
-61.1
-50.0
-40.6
从表1可以看出,各类别瓦斯事故无论是事故起数还是死亡人数都呈逐年下降的趋势,2010年与2006年相比,瓦斯事故减少182起、少死亡696人,分别下降55.7%和52.8%,其中较大瓦斯事故减少70起、少死亡283人,分别下降55.1%和48.6%,重大以上瓦斯事故减少15起、少死亡270人,分别下降57.7%和55.1%,其中特别重大瓦斯事故减少2起、少死亡58人,分别下降50.0%和40.6%。
但特别重大瓦斯事故偶有出现,仍未完全消灭了一次死亡50人以上的特别重大恶性瓦斯事故。
“十一五”期间较大以上瓦斯事故死亡人数占各类别事故总量的比重如图1所示,2006年~2010年较大瓦斯事故死亡人数占较大事故的比重均大于50%,重大以上瓦斯事故死亡人数占重大以上事故死亡人数比例也在40%以上,2007年和2008年甚至超过了70%。
瓦斯事故仍然是煤矿职工伤亡的罪魁祸首,且煤矿瓦斯事故多发、总量较大,特别是重大以上瓦斯事故有所反弹,煤矿安全生产形势依然严峻。
1.1.1按所有制分析
目前,我国煤矿按所有制形式主要分为国有重点、国有地方和乡镇煤矿三种形式。
表2给出了我国“十一五”期间较大以上瓦斯事故按所有制形式统计汇总,从表中可以看出,“十一五”期间,乡镇煤矿的瓦斯事故最多,达372起、死亡2620人,分别占较大以上瓦斯事故的78.15%和70.32%;国有重点煤矿次之,发生58起、死亡763人,分别占12.18%和20.48%。
从较大以上瓦斯事故的总体趋势看,各种所有制煤矿的事故起数和死亡人数呈下降趋势。
2010年国有重点煤矿的较大以上瓦斯事故起数和死亡人数仅为2006年的61.1%和54.1%,国有地方煤矿的事故起数和死亡人数仅为2006年的15.0%和16.5%,乡镇煤矿的事故起数和死亡人数仅为2006年的47.0%和52.6%。
图1各类别较大以上瓦斯事故死亡人数占同期事故总量的比重统计图
表2“十一五”期间较大以上瓦斯事故按所有制汇总
时间
分类
国有地方
国有重点
乡镇
合计
十一五
事故起数/起
46
58
372
476
死亡人数/人
343
763
2620
3726
2006年
事故起数/起
20
18
115
153
死亡人数/人
133
222
717
1072
2007年
事故起数/起
7
13
87
107
死亡人数/人
33
111
733
877
2008年
事故起数/起
7
8
65
80
死亡人数/人
100
67
457
624
2009年
事故起数/起
9
8
51
68
死亡人数/人
55
243
336
634
2010年
事故起数/起
3
11
54
68
死亡人数/人
22
120
377
519
图2给出了2006~2010年我国煤矿产量按所有制形式的统计汇总,我国煤矿产量的总体分布为国有重点煤矿占50%、国有地方煤矿占12%、乡镇煤矿占38%。
图3给出了2006~2010年各所有制煤矿较大以上瓦斯事故死亡人数占同年瓦斯事故总量的比重,从图中可以看出除2009年外,乡镇煤矿较大以上瓦斯事故的死亡人数所占比例均大于70%,明显高于国有重点和国有地方煤矿,是瓦斯事故的主体。
对比分析可以看出,乡镇煤矿38%的产量,发生较大以上瓦斯事故的死亡人数占66.9~83.6%,由此可见乡镇煤矿瓦斯灾害的严重性。
而由于国有重点煤矿规模大、井下作业人员多,一旦发生瓦斯事故可能造成重特大人员伤亡。
近几年发生的一次30人以上的特别重大瓦斯事故中有6起发生在国有重点煤矿,造成国有重点煤矿每年因较大以上瓦斯事故死亡人数的比重2%以上,五年积累更是达到了20.5%。
图22006年~2010年各所有制煤矿煤炭产量比重统计图
图3各所有制煤矿较大以上瓦斯事故死亡人数比重统计图
1.1.2按事故类型
我国煤矿瓦斯事故类型按照煤矿事故调查规定分为瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出、瓦斯燃烧和瓦斯中毒窒息四类事故。
表3给出了“十一五”期间较大以上瓦斯事故按事故类型统计汇总。
从表3可以看出,“十一五”期间发生的476起较大以上瓦斯事故中瓦斯爆炸事故213起、死亡2088人,分别占较大以上瓦斯事故的44.75%和56.04%;煤与瓦斯突出事故58起、死亡1199人,分别占32.98%和32.18%;中毒窒息事故89起,死亡354人,分别占18.7%和9.5%,瓦斯燃烧事故17起,死亡85人。
从图4各类型较大以上瓦斯事故死亡人数的比重可以看出,瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出事故是瓦斯事故的主体,两者之和超过了85%,2007年更是超过了90%。
从分年度对比可以看出,瓦斯爆炸事故死亡人数下降明显,煤与瓦斯突出事故呈上升趋势。
随着我国矿井开采深度的增加,煤与瓦斯突出危险日趋严重,2008年较大以上煤与瓦斯突出事故死亡人数首次超过瓦斯爆炸,成为矿井第一杀手。
2010年较大以上煤与瓦斯突出事故死亡人数更是接近较大以上瓦斯事故的一半。
因此,未来我国煤矿安全事故防范的重心将是煤与瓦斯突出和瓦斯爆炸并重。
表3“十一五”期间较大以上瓦斯事故按事故类型汇总
时间
分类
瓦斯爆炸
煤与瓦斯突出
瓦斯燃烧
中毒窒息
合计
十一五
事故起数/起
213
157
17
89
476
死亡人数/人
2088
1199
85
354
3726
2006年
事故起数/起
75
40
7
31
153
死亡人数/人
655
262
38
117
1072
2007年
事故起数/起
50
37
5
15
107
死亡人数/人
541
258
20
58
877
2008年
事故起数/起
27
35
2
16
80
死亡人数/人
271
292
8
53
624
2009年
事故起数/起
30
21
3
14
68
死亡人数/人
307
240
19
68
634
2010年
事故起数/起
30
25
0
13
68
死亡人数/人
206
255
0
58
519
图4各类型较大以上瓦斯事故死亡人数比重统计图
1.1.3按矿井瓦斯等级
表4给出了2006年~2010年我国较大以上瓦斯事故按矿井瓦斯等级统计汇总,表中的矿井瓦斯等级除按照我国《煤矿安全规程》[](下称《规程》)要求确定的低瓦斯、高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井外,增加了未鉴定矿井,未鉴定矿井主要是基本建设矿井或未依法进行瓦斯等级鉴定的生产矿井。
“十一五”期间,我国发生较大以上瓦斯事故的476处矿井中,低瓦斯矿井178个、占39.4%,煤与瓦斯突出矿井121个、占25.4%,高瓦斯矿井108个、占22.7%,瓦斯等级未鉴定69个、占14.5%。
发生在各瓦斯等级矿井的死亡人数也有类似比重。
表4“十一五”期间较大以上瓦斯事故按矿井瓦斯等级汇总
时间
分类
低瓦斯
高瓦斯
煤与瓦斯突出
未鉴定
十一五
事故起数/起
178
108
121
69
死亡人数/人
1356
929
958
483
2006年
事故起数/起
54
40
27
32
死亡人数/人
357
338
192
185
2007年
事故起数/起
38
28
24
17
死亡人数/人
332
206
169
170
2008年
事故起数/起
31
15
24
10
死亡人数/人
266
67
234
57
2009年
事故起数/起
31
10
21
6
死亡人数/人
237
231
131
35
2010年
事故起数/起
24
15
25
4
死亡人数/人
164
87
232
36
从2006年~2010年各瓦斯等级矿井的较大以上瓦斯事故死亡人数占同期较大以上瓦斯事故的比重可以看出,如图5所示,2006年~2008年各瓦斯等级矿井较大以上瓦斯事故死亡人数所占比例的基本相同,低瓦斯矿井瓦斯事故多发,占33.3%~42.6%;煤与瓦斯突出矿井次之,占17.9~37.5%;高瓦斯矿井占10.7%~31.5%。
而随着采深的增加,部分高瓦斯矿井升级为煤与瓦斯突出矿井,2009年高瓦斯矿井较大以上瓦斯事故比重大幅度上升,由2008年的10.7%增至36.4%。
伴随煤与瓦斯突出矿井数量的增加,发生在煤与瓦斯突出矿井的较大以上瓦斯事故也随之增加,2010年煤与瓦斯突出矿井死亡人数比重超过低瓦斯矿井,成为较大以上瓦斯事故的重灾区。
图5不同瓦斯等级矿井较大以上瓦斯事故死亡人数比重统计图
2006年和2007年发生在未鉴定矿井的较大以上瓦斯事故死亡人数比重高达17.3%和19.4%,随着国家有关矿井瓦斯等级管理法律法规的落实,未鉴定矿井逐渐减少,相应的瓦斯事故也随之减少,死亡人数比重由2008年的9.1%降为2009年的5.5%。
但2010年发生在未鉴定矿井的较大以上瓦斯事故死亡人数比重仍高达6.9%,这暴露出我国在基本建设矿井中的瓦斯等级管理还存在不足和漏洞。
1.1.4按省份分析
表5给出了我国部分省市“十一五”和2010年百万吨死亡率和较大以上瓦斯事故情况。
图6和图7给出了部分省市较大以上瓦斯事故起数、死亡人数占全国同期比重的统计图。
从表5、图6和图7中可以看出,“十一五”期间发生较大以上瓦斯事故超过10起的省市有14个,死亡人数超过200人的省市有9个,其中,贵州省较大以上瓦斯事故起数最多,山西省较大以上瓦斯事故死亡人数最多,五年来两省共发生较大以上瓦斯事故123起,死亡1065人,分别占25.8%和28.2%。
贵州省“十一五”平均百万吨死亡率为3.94,而由于山西省煤炭产量较大,“十一五”平均百万吨死亡率仅为0.58。
煤层赋存条件复杂我国其他南方产煤省市如湖南、云南、四川和重庆等较大以上瓦斯事故起数和死亡人数的比重较大,分别为7.8%~11.5%和5.2%~9.6%,高于我国赋存条件相对较好的北方产煤省市,如河南、辽宁和黑龙江。
表5我国部分省市“十一五”和2010年百万吨死亡率和较大以上瓦斯事故情况
省份
“十一五”
2010年
事故起数/起
死亡人数/人
平均百万吨死亡率
事故起数/起
死亡人数/人
百万吨死亡率
产量/Mt
产量占全国比例/%
贵州
89
510
3.94
15
103
0.15
159.5
4.9
湖南
55
363
5.73
8
35
0.23
62.0
1.9
云南
43
265
2.10
7
41
0.17
97.6
3.0
四川
39
220
4.83
7
39
0.18
76.6
2.4
重庆
37
197
6.56
5
22
0.23
43.8
1.3
山西
34
555
0.58
2
16
0.13
741.0
22.8
河南
25
443
1.03
7
156
0.04
179.1
5.5
辽宁
24
188
1.95
3
13
0.23
57.2
1.8
黑龙江
19
280
1.80
1
12
0.08
97.1
3.0
江西
19
97
3.38
2
9
0.22
27.5
0.8
河北
12
91
0.96
2
15
0.13
102.0
3.1
湖北
12
53
8.13
4
23
0.17
14.4
0.4
陕西
11
109
0.46
1
9
0.11
360.8
11.1
甘肃
11
102
1.34
1
9
0.11
45.3
1.4
新疆
9
45
1.53
2
10
0.20
101.3
3.1
广西
8
32
7.02
0
0
2.90
5.9
0.2
2010年较大以上瓦斯事故的形势与“十一五”基本一致。
但由于接连几次特别重大煤与瓦斯突出事故的发生,河南省较大以上瓦斯事故起数比重上升至10.3%,死亡人数比重增至30.1%,超过贵州的19.8%,成为较大以上瓦斯事故死亡人数最多的省份。
图6部分省市“十一五”和2010年较大以上瓦斯事故起数比重统计图
图7部分省市“十一五”和2010年较大以上瓦斯事故死亡人数比重统计图
从表5可以看出,“十一五”期间平均百万吨死亡率排在前8位的省份全部为南方省份,依次为湖北、广西、重庆、湖南、四川、贵州、江西和云南。
这些省市的“十一五”平均百万吨死亡率和2010年百万吨死亡率,如图8所示。
从图中可以看出,随着煤矿安全生产形势的好转,百万吨死亡率大幅度下降,2010年除湖北和重庆外,百万吨死亡率都低于4.0。
这8个省市2010年煤炭产量仅占全国煤炭产量的15.0%,但“十一五”期间发生较大以上瓦斯事故的起数却占全国同期的63.3%、死亡人数占全国同期的45.9%;2010年发生较大以上瓦斯事故的起数更是占全国同期的70.6%、死亡人数占全国同期的52.4%,如图9所示。
湖北和重庆煤炭产量较低,但一般事故多发,致使百万吨死亡率较高。
因此,重庆、湖南、四川、贵州、江西和云南等6省市是较大以上瓦斯事故的多发区和重灾区,应成为未来瓦斯事故防范和安全监管的重点区域。
图8“十一五”期间平均百万吨死亡率前8位的省份情况统计图
图9“十一五”期间平均百万吨死亡率前8位的省份较大以上瓦斯事故情况统计图
1.2瓦斯事故的特点
结合“十一五”煤矿瓦斯事故的现状和煤炭开采情况,综合分析得出我国煤矿瓦斯事故呈现以下特点:
(1)煤矿瓦斯起数和死亡人数呈明显下降趋势,但特别重大瓦斯事故仍未有效控制,偶有多发。
(2)随着矿井开采深度的增加,从2008年起煤与瓦斯突出事故超过瓦斯爆炸事故,上升为第一位的瓦斯事故。
(3)乡镇煤矿仍然是煤矿瓦斯事故的重灾区,“十一五”期间共发生较大以上瓦斯事故372起、死亡2620人,分别占较大以上瓦斯事故的78.15%和70.32%。
一些低瓦斯矿井、高瓦斯矿井和未鉴定矿井发生了煤与瓦斯突出事故。
(4)贵州、湖南、四川、重庆、云南和江西等南方省(市)开采条件复杂,是瓦斯事故的重灾区;山西、河南等煤炭大省瓦斯事故较多。
(5)国有重点煤矿仍有发生重大以上瓦斯事故的风险。
2瓦斯爆炸的条件及原因
煤矿在开采煤炭资源过程中会伴随着多种灾害事故的发生,如瓦斯爆炸、煤尘爆炸、煤与瓦斯突出、中毒、窒息、火灾、透水、顶板冒落等。
在这些事故中瓦斯爆炸无疑是最严重的,它不光是造成的损失最大,发生的频率也是最大的,根据每年国家煤监局的事故统计来看,煤矿发生一次死亡10人以上的特大事故中,绝大多数是瓦斯爆炸,约占特大事故总数的70%左右,为此,瓦斯可称为煤矿安全的最大威胁者。
所以,分析瓦斯爆炸原因,制订瓦斯防治对策,就显得尤为重要。
2.1瓦斯爆炸特点
根据多年对煤矿瓦斯爆炸事故统计分析,可以发现有如下一些特点:
①瓦斯爆炸多为特大事故,造成的损失巨大;②事故地点多发生在采煤与掘进工作面;③瓦斯爆炸造成的破坏波及范围大,破坏力极强;④多为火花引爆;⑤高瓦斯矿井、低瓦斯矿井均有发生;⑥瓦斯爆炸多发生在乡镇煤矿;⑦基建、技改矿井和转制矿井瓦斯爆炸事故容易发生等。
瓦斯爆炸是煤矿生产中最严重的灾害之一,每年都因此造成大量的人员伤亡和财产损失。
1942年4月26日辽宁本溪煤矿发生的瓦斯煤尘爆炸事故,死亡1549人,伤146人,成为世界煤矿开采历史上最大的伤亡事故。
建国以来,我国发生一次死亡100人以上的瓦斯爆炸事故22起,其中铜川局发生过两起死亡百人以上的瓦斯爆炸事故,1975年5月11日焦坪煤矿前卫斜井瓦斯爆炸死亡101人,2004年陈家山煤矿瓦斯爆死亡166人。
近年来,瓦斯爆炸事故虽已逐渐减少,但还完全没有杜绝。
为此,掌握瓦斯规律和防止爆炸措施,极为重要。
(一)瓦斯爆炸的机理
瓦斯爆炸是瓦斯的空气组成的混合爆炸气体在火源作用下发生的一种是迅猛的氧化反应。
化学反应式:
CH4+2O2=CO2+2H2O
CH4+2(O2+79/21N2)=CO2+2H2O+7.52N2
(二)瓦斯爆炸的危害
井下瓦斯爆炸的有害因素主要有,高温火焰、锋面、高压冲击波和井巷中空气成份的变化。
1)高温火焰锋面
正常燃烧(1—2.5m/s)
到爆轰式爆炸2500m/s
焰面温度2150—2650℃
2)冲击波是传播着的压力突变
爆炸冲击波的通过,使巷道内的空气压力迅速上升,冲击波锋面压力由几个大气压到20大气压。
传播速度大于音速,1000m/s。
从爆源向外传播的冲击波称为正向冲击波;由于向外冲击以及爆炸时产生的部分水蒸气凝结,使爆源附近形成气体稀薄的低气压区,于是爆源以外的气体以很高的速度反向冲回爆源,称为反向冲击波,冲击波是有很大的坡坏性,摧毁井巷,通风设施和大量人员死亡。
3)大气成份的变化。
瓦斯爆炸后,矿井中的氧气浓度下降同时生成大量的有害气体,如CO和CO2,成为井下人员伤亡的主要原因,某些煤矿分析瓦斯爆炸后的气体成份为:
氧气(O2)6%—10%、氮气(N2)82%—88%、二氧化碳(CO2)4%—8%、一氧化碳(CO)2%—4%。
2.2瓦斯爆炸条件—瓦斯爆炸三角形
众所周知,瓦斯爆炸的必要条件以下三个条件[]:
(1)在正常情况下,瓦斯爆炸浓度为5%~16%。
5%是最低爆炸浓度,叫爆炸下限;16%是最高爆炸浓度,叫爆炸上限。
瓦斯浓度低于下限时,只发生燃烧,不能爆炸;瓦斯浓度高于上限时,只能在混合气体与新鲜空气的接触面上发生燃烧,而不能爆炸。
瓦斯浓度理论值为9.5%时,爆炸威力最大。
(2)引爆火源。
引火源的能量大于最小点燃能量(0.28mJ)、温度高于最低点燃温度(595℃),且火源存在的时间大于瓦斯爆炸的感应期。
(3)氧气浓度。
氧的浓度超过失爆氧浓度(在CO2惰化下,O2浓度>12%;在N2惰化下,O2>9%),氧的浓度低于失爆氧浓度瓦斯即失去爆炸性。
当甲烷与空气混合时,如有惰性气体加入,则随着惰性气体组分的增加,甲烷的爆炸上限将明显下降,爆炸下限略有增大;当惰性气体增加到一定量时,爆炸上下限将汇合于一点。
在氧气与甲烷组分的坐标上,甲烷上、下限浓度变化的轨迹为三角形,称为爆炸三角形。
如图10所示,它的三个顶点B、C、E分别是甲烷与空气混合时的爆炸下限B(5%CH4、19.88%O2)、上限C(15%CH4、17.79%O2)和爆炸临界点E,其坐标根据混合气体中除CH4、空气以外掺入超出空气组分的惰气成分的不同而异。
图10常温常压下甲烷爆炸界限与氧浓度关系三角形[6]
由瓦斯爆炸的必要条件和爆炸三角形知,只有根据瓦斯爆炸的基本条件采取针对性措施,才能有效的预防瓦斯事故发生。
在一般矿井条件下,氧浓度是满足的,只要瓦斯积聚和引火源两大基本因素不同时满足就可以避免瓦斯爆炸的发生。
2.3瓦斯爆炸的影响因素:
(一)影响瓦斯爆炸的因素
瓦斯爆炸的界限并不是一个固定不变的常数,它受到许多因素的影响。
1)可燃性气体的影响
混入可燃性气体(氧化、硫化氮,一氧化碳)增加了爆炸性混合气体的总浓度,使瓦斯爆炸界限扩大。
(2)煤尘的影响,煤尘加之到瓦斯与空气的混合气体中,使瓦斯的爆炸下限降低,爆炸的危险性增加。
(3)随性气体的影响。
情性气体的加入,会相对降低混合气体中氧的含量,传瓦斯爆炸的危险降低。
(4)混合气体初始温度的影响。
混合气体的初始温度越高,爆炸界限越大。
(5)混合气体的初始压力的影响,压力越大,瓦斯爆炸的界限越大。
2.4瓦斯爆炸的原因分析
煤矿发生瓦斯爆炸事故是由很多原因造成的,但总的来说分为客观原因和主观原因两种。
主观原因就是瓦斯积聚和引爆火源的存在;客观原因与自然条件、安全技术手段、安全装备水平、安全意识和管理水平等有关,发生瓦斯爆炸事故往往就是以上原因相互作用所导致的。
2.4.1瓦斯积聚原因
瓦斯积聚的基本原因是瓦斯不断的大量涌出而对其冲淡的风量不足甚至停风。
据统计,瓦斯积聚的规律是,越是接近瓦斯涌出源区瓦斯积聚的概率越高,越是微风停顿或供风不足的时间越长,瓦斯积聚量越大。
因此在采掘工作面采掘机械落煤部、钻机钻孔见煤或含瓦斯灰岩处、放炮落煤过程
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