CN115824701B - 一种冲击式煤层随钻定点无损取样装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于深层煤样获取技术领域,具体是一种冲击式煤层随钻定点无损取样装置及方法。包括依次连接的头部、煤样罐护杆、气动马达护杆、花键连接杆、第三节钻杆以及尾部接头,所述头部用于煤层钻进,头部上设置有进样孔II;所述煤样罐护杆内部设置有煤样罐,煤样罐前部为煤样罐盖,煤样罐盖上设置有进样孔I,煤样罐用于采集煤体深层样品;所述气动马达护杆内设置有气动马达,气动马达驱动煤样罐旋转从而调整进样孔I与进样孔II的相对位置;所述第三节钻杆内设置有冲击器,冲击器前端与花键连接杆连接;所述煤样罐护杆、第三节钻杆和花键连接杆外侧设置有向内凹陷的双螺旋退屑槽,气动马达护杆外侧设有向外凸出中部螺旋叶片。
Description
技术领域
本发明属于深层煤样获取技术领域,具体是一种冲击式煤层随钻定点无损取样装置及方法。
背景技术
瓦斯事故严重威胁着煤矿企业的高效生产,在井下采煤生产过程中,需要同时开展煤层的取样作业,进行煤层样品含量检测,以此来评估瓦斯突出安全隐患发生的可能性,以及瓦斯抽采是否达标。
为了能够准确检测煤层瓦斯含量,对煤层样品的获取、封装尤为重要。当前,煤层瓦斯含量测定方法分为间接法与直接法两种。间接法是将煤样置于实验室测定的仪器中,通过研究煤样的吸附、解析参数,推算出井下煤层瓦斯含量,该方法测定时间较长、测定流程复杂、成本较高。直接测定方法是将井下煤样封存后直接检验,按照取样方式不同,分为钻孔口接样法与钻进取芯法两类。孔口接样法是利用风煤钻安装麻花钻杆,向煤层打孔,在到达指定深度后,在钻孔口接取麻花钻返出的煤粉,并立刻装入煤样罐中封存;钻进取芯法是在钻头到达指定深度后,迅速换上取芯钻头,利用取芯钻头将指定位置的煤样带出后封存于煤样罐内。相对于间接测定法,直接测定法具有简单、高效、方便、快捷等优点。但是,直接测定法在煤样的取得过程中,存在一定缺陷与不足。
煤层取样过程中存在的问题:①危险性较大。深层煤体中瓦斯含量大,瓦斯气体赋存于煤体中,打孔取样过程中的扰动导致瓦斯气体脱出,形成高压瓦斯气体,在取芯钻头更换过程中,大量瓦斯气体涌出,给取样工作带来危险。②瓦斯释放导致无法准确测量原始煤样真实的瓦斯含量。主要是瓦斯脱离了煤样导致原有瓦斯含量减少,使测得的瓦斯气体数据不准确;③当前我国煤矿煤层瓦斯原始含量的测定方法主要为《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》,该方法很难观测,须通过前4个数据拟合的直线求出损失量,而初始数据增长迅速,不容易测量。
发明内容
本发明为了可以实现煤层深层煤样的无损获取,解决取样过程中瓦斯涌出带来的安全风险,同时解决煤样中瓦斯流失,使测得的瓦斯含量数据更加真实可靠的问题,提供一种冲击式煤层随钻定点无损取样装置及方法。
本发明采取以下技术方案:一种冲击式煤层随钻定点无损取样装置,包括依次连接的头部、煤样罐护杆、气动马达护杆、花键连接杆、第三节钻杆以及尾部接头,所述头部用于煤层钻进,头部上设置有进样孔II;所述煤样罐护杆内部设置有煤样罐,煤样罐前部为煤样罐盖,煤样罐盖上设置有进样孔I,煤样罐用于采集煤体深层样品;所述气动马达护杆内设置有气动马达,气动马达驱动煤样罐旋转从而调整进样孔I与进样孔II的相对位置;所述第三节钻杆内设置有冲击器,冲击器前端与花键连接杆连接;所述煤样罐护杆、第三节钻杆和花键连接杆外侧设置有向内凹陷的双螺旋退屑槽,气动马达护杆外侧设有向外凸出中部螺旋叶片。
在一些实施例中,头部上设置有多组齿座,齿座侧面设置有齿座侧面合金片,齿座通过齿座固定螺丝与头部固定,齿座前端设有齿座头部合金片,头部外环侧设置多组出煤槽。
在一些实施例中,煤样罐尾端中部设置有与气动马达连接的罐底轴,罐底轴与定位联轴器连接,定位联轴器前端通过定位法兰I与煤样罐护杆连接;煤样罐尾端周侧与煤样罐护杆之间设置有轴承;所述定位联轴器尾端通过定位法兰与气动马达护杆连接,定位联轴器上设置有旋转挡板,定位法兰II上安装有两个定位柱作为旋转边界,旋转挡板在定位柱之间转动。
在一些实施例中,煤样罐上设置有测试针孔。
在一些实施例中,冲击器前端设固定有与花键连接杆连接的冲击头,冲击器前后端通过前后端固定板固定,前后端固定板上设置有过线孔II和气管孔,所述花键连接杆与冲击器连接的一端设置有过线孔I。
一种冲击式煤层随钻定点无损取样装置的取样方法,包括以下步骤,
S100:使用钻机带动所述取样装置,向煤层旋转打孔,使取样器大部分进入钻孔后,停止钻进;
S200:所述取样装置尾部接头上安装高压软管1#和高压软管2#;
S300:安装延长钻杆1#,并将高压软管1#和高压软管2#从该延长钻杆1#中间穿过;
S400:使用钻机带动延长钻杆1#向煤层旋转打孔,使延长钻杆1#大部分进入钻孔后,停止钻进,再次安装高压软管、快速接头、延长钻杆……以此类推,直至到达指定取样位置;
S500:停止钻机旋转,保持取样装置外部钻杆相对静止;通过风压,使气动马达旋转,气动马达带动驱动煤样罐及煤样罐盖旋转,使进样孔I与进样孔II位置重合,而后关闭气动马达;
S600:冲击器沿钻孔方向前后冲击,冲击器带动头部前后冲击,头部冲击煤层,迫使掉落下的实体煤进入煤样罐,实现煤样与外界空气不接触取样;
S700:煤样封存完成后,旋转钻杆,退出取样装置,从煤样罐护杆与气动马达护杆处旋开,取下煤样罐护杆和头部,煤样罐内存储的煤样与瓦斯供检测仪器进行检验。
步骤S500中,在气动马达旋转前,先通过观察记录钻机上的液压表读数判断煤屑是否堆积成功:液压钻机的溢流压力为20MPa,在钻进过程中,前期压力表的读数稳定在8-10MPa,随着钻进的深入,煤屑堆积形成,增大了增进扭力,液压表读数缓慢增加,最终稳定在18-20MPa,说明煤屑堆积成功。
当液压表读数在18-20MPa时,则认为中部螺旋叶片处形成煤屑堆积,可以进行后续工作;
当液压表读数小于18MPa时,则认为中部螺旋叶片处没有形成煤屑堆积,此时增加钻机推力,再次加装钻杆后打钻直至液压表读数达到要求。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
(1)旋转打孔过程中,在钻头部位形成保压区间。取样器旋转打孔,在中部螺旋叶片向后的排出煤屑的作用下,在其后部形成煤屑堆积,堆积的煤屑可隔绝钻孔内外气体流通,形成保压区间,有效阻挡钻孔内的高压强瓦斯气体向钻孔外涌出,保证钻孔前端煤层原始瓦斯气体压力。
(2)冲击取样,保证煤样的原始状态。到达取样位置后,打开进样孔,在内置冲击器的作用下,对煤层冲击取样。冲击取样方式可以保证取样器后部及延长钻杆部分固定不动,仅取样器取样部位前后震动,进一步有效保证在取样过程中,取样点煤层瓦斯气体不外泄。
(3)煤样封存完成后,旋转钻杆,退出取样装置,从煤样罐护杆与气动马达护杆处旋开,取下煤样罐护杆和头部,煤样罐内存储的煤样与瓦斯等气体可供检测仪器进行检验。在煤样罐底部,留有测试口。使用特质不锈钢针头,可从紧固螺丝中央圆孔***,针头穿过密封垫进入煤样罐内,实现煤样罐与实验仪器的连通。该方法可以保证煤样罐内气体不外泄的前提下,对罐内气体进行测试。
(4)煤样罐盖与头部的进样孔处安装有密封垫,并且与头部压紧贴合,实现完全密封,其内部可承压1MPa,可满足煤样保压封存条件。
(5)当煤样罐处于打开状态时,设定好取样时间和取样深度,再次开启钻机和气动阀门,使取样装置旋转、冲击,此时头部进样孔外侧的合金齿座与合金齿切削煤粉进入煤样罐中,当完成取样时间和取样深度后,停止钻机和气动阀门,气动马达反向旋转90度至碰触到定位柱后停止,使得煤样罐处于关闭状态,煤样封存于煤样罐内。
附图说明
图1为本发明一种冲击式煤层随钻定点无损取样装置外形图;
图2为本发明头部的结构示意图(俯视图);
图3为本发明头部的结构示意图(仰视图);
图4煤样罐护杆上部示意图
图5为本发明煤样罐的结构示意图;
图6为本发明气动马达护杆内部结构示意图;
图7为本发明煤样罐护杆内部结构示意图;
图8为本发明第三节钻杆内部结构示意图;
图9为本发明第三节钻杆上部刨面示意图;
图10为整体工作流程图;
图11为准备工作流程图;
图12为打孔工作流程图;
图13为取样工作流程图;
图14为检验准备工作流程图;
图中1、头部;202、煤样罐护杆;303、气动马达护杆;4、花键连接杆;503、冲击器护杆;6、尾部接头;7、双螺旋退屑槽;
101、煤样罐盖;102、进样孔I;103、密封圈槽;104、螺丝固定孔;105、1号齿座;106、2号齿座;107、3号齿座;108、4号齿座;109、5号齿座;110、6号齿座;111、齿座固定螺丝;112、钻头固定孔;113、进样孔II;114、齿座侧面合金片;115、齿座头部合金片;116、出煤槽;
201、煤样罐;202、煤样罐护杆;204、测试针孔;205、轴承;206、罐底轴;207、定位联轴器;210、固定块;211、螺纹孔;
301、定位柱;302、定位法兰;303、气动马达护杆;304、气动马达;305、中部螺旋叶片;
401、花键连接杆;402、过线孔I;403、冲击头;
501、过线孔II;502、冲击器;503、冲击器护杆;504、气管孔;505、后档螺栓;506、冲击器尾部固定孔,507、冲击头固定孔。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例;基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
如图1所示,1.一种冲击式煤层随钻定点无损取样装置,包括依次连接的头部1、煤样罐护杆202、气动马达护杆303、花键连接杆401、冲击器护杆503以及尾部接头6。
其中,如图2、3、4所示,头部1用于煤层钻进,头部1上设置有进样孔II113;头部1上设置有多组齿座(包括1号齿座105、2号齿座106、3号齿座107、4号齿座108、5号齿座109、6号齿座110),齿座侧面设置有齿座侧面合金片114,齿座通过齿座固定螺丝111与头部1固定,齿座前端设有齿座头部合金片115,头部1外环侧设置多组出煤槽106。头部有6个钻头固定孔,可安装内六角螺丝,将头部固定在煤样罐护杆上端的螺纹孔211。头部下表面留有六个固定槽104,固定槽与固定块210配合,增加旋转钻进过程中头部的扭转强度。
如图5所示,煤样罐护杆202内部设置有煤样罐201,煤样罐201前部为煤样罐盖101,煤样罐盖101上设置有进样孔I102,煤样罐用于采集煤体深层样品。如图6所示,气动马达护杆303内设置有气动马达304,气动马达304驱动煤样罐201旋转从而调整进样孔I102与进样孔II113的相对位置;煤样罐201上设置有测试针孔204。
煤样罐用于煤体深层样品的采集。头部中央的进样孔I与煤样罐盖上的进样孔II构成煤样进入通道,煤样罐盖外侧安装有密封圈,煤样采集完毕后,旋转关闭进样孔,煤样罐盖与头部的进样孔处安装有密封垫,并且与头部压紧贴合,实现完全密封,可保压保存煤样,保压效果大于1MPa,可满足煤样保压封存条件。
如图7所示,煤样罐201尾端中部设置有与气动马达304连接的罐底轴206,罐底轴206与定位联轴器207连接,定位联轴器207前端与煤样罐护杆202连接;煤样罐201尾端周侧与煤样罐护杆202之间设置有轴承205。
定位联轴器207尾端通过定位法兰302与气动马达护杆303连接,定位联轴器207上设置有旋转挡板306,定位法兰302上安装有两个定位柱301作为旋转边界,旋转挡板在定位柱之间转动。
如图8、9所示,冲击器护杆503内设置有冲击器502,冲击器502前端与花键连接杆401连接;冲击器502前端设固定有与花键连接杆401连接的冲击头403,冲击器502前后端通过前后端固定板固定,前后端固定板上设置有过线孔II501和气管孔504,所述花键连接杆401与冲击器502连接的一端设置有过线孔I401。冲击器502可以驱动花键连接杆401前后撞击,过线孔I401、过线孔II501和气管孔504中用于穿设气管连接气动马达304。
煤样罐护杆202、第三节钻杆503和花键连接杆401外侧设置有向内凹陷的双螺旋退屑槽7,气动马达护杆303外侧设有向外凸出中部螺旋叶片305。在气动马达护杆303外侧设计有中部螺旋叶片。中部螺旋叶片可以将钻头切削下的煤屑排向后部,由于花键连接杆与冲击器护杆上的双螺旋退屑槽较低,所以会在中部螺旋后部形成煤屑堆积,防瓦斯涌出煤屑。防瓦斯涌出煤屑可隔绝钻孔内外气体流通,形成保压区间,有效阻挡钻孔内的高压强瓦斯气体向钻孔外涌出,保证钻孔前端煤层原始瓦斯气体压力。
在煤样罐尾部安装的气动马达,气动马达带动煤样罐及煤样罐盖的旋转,使得进样孔打开、关闭。头部、煤样罐护杆及其内部的煤样罐、煤样罐尾部接入的气动马达构成取样机构,该取样机构可以实现钻孔内指定位置直接取样,与钻进取芯法相比,减少退钻更换取芯钻头的环节。
取样装置在钻机的驱动下,整体旋转打孔,当到达指定取样位置时,采用以下三步实现无损取样。第一,停止钻机旋转,保持取样器外部钻杆相对静止;第二,通过风压,使气动马达旋转,带动煤样罐及煤样罐盖旋转,打开进样孔并保持开启状态,而后关闭气动马达。第三,通过风压,使得冲击器沿钻孔方向前后冲击,冲击器带动头部、煤样罐护杆、气动马达护杆挤三个部分前后冲击,头部冲击煤层,迫使掉落下的实体煤进入煤样罐,实现煤样与外界空气不接触,从而保证煤样中的原始瓦斯不损失。煤样罐护杆可以保护内部的煤样罐结构不被破坏,同时煤样罐护杆外侧双螺旋退屑槽可将钻屑向后方排出。气动马达护杆可以保护内侧的气动马达不被破坏,同时气动马达护杆外侧的中部螺旋叶片可使煤钻屑堆积,隔绝钻杆内头部与尾部的空间。
煤样封存完成后,旋转钻杆,退出取样装置,从煤样罐护杆与气动马达护杆处旋开,取下煤样罐护杆和头部,煤样罐内存储的煤样与瓦斯等气体可供检测仪器进行检验。在煤样罐底部,留有测试口。使用特质不锈钢针头,可从紧固螺丝中央圆孔***,针头穿过密封垫进入煤样罐内,实现煤样罐与实验仪器的连通。该方法可以保证煤样罐内气体不外泄的前提下,对罐内气体进行测试。
当取样完成后,通过风压,使气动马达反向旋转,关闭进样孔。气动马达钻转过程中,定位联轴器上设计有旋转挡板,定位法兰上安装有两个定位柱作为旋转边界,旋转挡板在定位柱之间转动,以此保证正转、反转角度为90度。
气动马达最大输出扭矩为116N·m,如遇煤块卡在进样口处,可以通过煤样罐盖的进样孔与头部的进样孔之间的相对滑动,完成对煤块的剪切,保证进样孔的关闭密封。
本发明中,冲击器与马达均采用风压动力驱动,在取样装置内,留有风压的进、出通道,即风压从取样装置尾端进入取样装置内部,驱动冲击器与气动马达,而后经排出通道从取样器尾部排出取样装置。此设计方式,避免外界气体与孔底煤层接触,有效保证取得的煤样为孔底煤层原始煤样。
本发明中,取样器打钻、取样的动力有两种方式,即钻机的回转动力和冲击器的冲击动力。在打钻取样的过程中,如果遇到复杂地质构造或坚硬岩石结构,可以采用回转动力与冲击动力同时使用的工作模式,保证打钻取样的顺利完成。冲击器护杆可以保护内部的冲击器不被破坏,同时提供外界风压气体进出取样器的通道。
一种冲击式煤层随钻定点无损取样装置的取样方法,包括以下步骤,
S100:使用钻机带动所述取样装置,向煤层旋转打孔,使取样器大部分进入钻孔后,停止钻进;
S200:所述取样装置尾部接头6上安装高压软管1#和高压软管2#;
S300:安装延长钻杆1#,并将高压软管1#和高压软管2#从该延长钻杆1#中间穿过;
S400:使用钻机带动延长钻杆1#向煤层旋转打孔,使延长钻杆1#大部分进入钻孔后,停止钻进,再次安装高压软管、快速接头、延长钻杆……以此类推,直至到达指定取样位置;
S500:停止钻机旋转,保持取样装置外部钻杆相对静止;通过风压,使气动马达304旋转,气动马达304带动驱动煤样罐201及煤样罐盖101旋转,使进样孔I102与进样孔II113位置重合,而后关闭气动马达;
S600:冲击器502沿钻孔方向前后冲击,冲击器502带动头部1前后冲击,头部1冲击煤层,迫使掉落下的实体煤进入煤样罐201,实现煤样与外界空气不接触取样;
S700:煤样封存完成后,旋转钻杆,退出取样装置,从煤样罐护杆202与气动马达护杆303处旋开,取下煤样罐护杆202和头部1,煤样罐内存储的煤样与瓦斯供检测仪器进行检验。
步骤S500中,在气动马达304旋转前,先通过观察记录钻机上的液压表读数判断煤屑是否堆积成功,
当液压表读数在18-20MPa时,则认为中部螺旋叶片处形成煤屑堆积,可以进行后续工作;
当液压表读数小于18MPa时,则认为中部螺旋叶片处没有形成煤屑堆积,此时增加钻机推力,再次加装钻杆后打钻直至液压表读数达到要求。
本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等,均仅用以配合说明书所揭示的内容,以供熟悉此技术的人士了解与阅读,并非用以限定本发明可实施的限定条件,故不具技术上的实质意义,任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整,在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下,均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时,本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语,亦仅为便于叙述的明了,而非用以限定本发明可实施的范围,其相对关系的改变或调整,在无实质变更技术内容下,当亦视为本发明可实施的范畴。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种冲击式煤层随钻定点无损取样装置,其特征在于:包括依次连接的头部(1)、煤样罐护杆(202)、气动马达护杆(3)、花键连接杆(401)、冲击器护杆(5)以及尾部接头(6),
所述头部(1)用于煤层钻进,头部(1)上设置有进样孔II(113);
所述煤样罐护杆(202)内部设置有煤样罐(201),煤样罐(201)前部为煤样罐盖(101),煤样罐盖(101)上设置有进样孔I(102),煤样罐用于采集煤体深层样品;
所述气动马达护杆(303)内设置有气动马达(304),气动马达(304)驱动煤样罐(201)旋转从而调整进样孔I(102)与进样孔II(113)的相对位置;
所述冲击器护杆(503)内设置有冲击器(502),冲击器(502)前端与花键连接杆(401)连接;
所述煤样罐护杆(202)、冲击器护杆(5)和花键连接杆(401)外侧设置有向内凹陷的双螺旋退屑槽(7),气动马达护杆(303)外侧设有向外凸出中部螺旋叶片(305);
所述煤样罐(201)尾端中部设置有与气动马达(304)连接的罐底轴(206),罐底轴(206)与定位联轴器(207)连接,定位联轴器(207)前端与煤样罐护杆(202)连接;煤样罐(201)尾端周侧与煤样罐护杆(202)之间设置有轴承(205);
所述定位联轴器(207)尾端通过定位法兰(302)与气动马达护杆(303)连接,定位联轴器(207)上设置有旋转挡板(306),定位法兰II(302)上安装有两个定位柱(301)作为旋转边界,旋转挡板在定位柱之间转动。
2.根据权利要求1所述的冲击式煤层随钻定点无损取样装置,其特征在于:所述头部(1)上设置有多组齿座,齿座侧面设置有齿座侧面合金片(114),齿座通过齿座固定螺丝(111)与头部(1)固定,齿座前端设有齿座头部合金片(115),头部(1)外环侧设置多组出煤槽(106)。
3.根据权利要求1所述的冲击式煤层随钻定点无损取样装置,其特征在于:所述煤样罐(201)上设置有测试针孔(204)。
4.根据权利要求1所述的冲击式煤层随钻定点无损取样装置,其特征在于:所述冲击器(502)前端固定设有与花键连接杆(401)连接的冲击头(403),冲击器(502)前后端通过前后端固定板固定,前后端固定板上设置有过线孔II(501)和气管孔(504),所述花键连接杆(401)与冲击器(502)连接的一端设置有过线孔I(401)。
5.一种如权利要求4所述的冲击式煤层随钻定点无损取样装置的取样方法,其特征在于:包括以下步骤,
S100:使用钻机带动所述取样装置,向煤层旋转打孔,使取样装置大部分进入钻孔后,停止钻进;
S200:所述取样装置尾部接头(6)上安装高压软管1#和高压软管2#;
S300:安装延长钻杆1#,并将高压软管1#和高压软管2#从该延长钻杆1#中间穿过;
S400:使用钻机带动延长钻杆1#向煤层旋转打孔,使延长钻杆1#大部分进入钻孔后,停止钻进,再次安装高压软管、快速接头、延长钻杆……以此类推,直至到达指定取样位置;
S500:停止钻机旋转,保持取样装置外部钻杆相对静止;通过风压,使气动马达(304)旋转,气动马达(304)带动驱动煤样罐(201)及煤样罐盖(101)旋转,使进样孔I(102)与进样孔II(113)位置重合,而后关闭气动马达(304);
S600:冲击器(502)沿钻孔方向前后冲击,冲击器(502)带动头部(1)前后冲击,头部(1)冲击煤层,迫使掉落下的实体煤进入煤样罐(201),实现煤样与外界空气不接触取样;
S700:煤样封存完成后,旋转钻杆,退出取样装置,从煤样罐护杆(202)与气动马达护杆(303)处旋开,取下煤样罐护杆(202)和头部(1),煤样罐内存储的煤样与瓦斯供检测仪器进行检验。
6.根据权利要求5所述的冲击式煤层随钻定点无损取样装置的取样方法,其特征在于:所述步骤S500中,在气动马达(304)旋转前,先通过观察记录钻机上的液压表读数判断煤屑是否堆积成功,
当液压表读数在18-20MPa时,则认为中部螺旋叶片处形成煤屑堆积,可以进行后续工作;
当液压表读数小于18MPa时,则认为中部螺旋叶片处没有形成煤屑堆积,此时增加钻机推力,再次加装钻杆后打钻直至液压表读数达到要求。
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