CN111699166A - 用于反应性土壤中的炸药组合物和相关方法 - Google Patents
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Abstract
公开了用于高温、反应性土壤或两者中的炸药组合物。该炸药组合物可包含具有连续有机燃料相和不连续氧化剂相的乳液。该氧化剂相可包含一种或多种第I族或第II族硝酸盐。
Description
技术领域
本公开整体涉及炸药领域。更具体地讲,本公开的一些实施方案涉及用于高温条件下和/或在反应性土壤中的炸药组合物。
附图说明
本文的书面公开内容描述了非限制性和非详尽的示例性实施方案。对附图中示出的此类示例性实施方案中的某些进行了参照,其中:
图1是示出与制剂C相比在用于硝酸铵(AN)的等温反应性土壤测试期间反应性土壤的第一样品的温度的图。
图2是示出与制剂C相比在用于AN的等温反应性土壤测试期间反应性土壤的第二样品的温度的图。
图3是示出与制剂C相比在用于AN的等温反应性土壤测试期间反应性土壤的第三样品的温度的图。
图4是示出与制剂B相比在用于AN的等温反应性土壤测试期间反应性土壤的第一样品的温度的图。
图5是示出与制剂B相比在用于AN的等温反应性土壤测试期间反应性土壤的第二样品的温度的图。
图6是示出与制剂B相比在用于AN的等温反应性土壤测试期间反应性土壤的第三样品的温度的图。
图7是示出在用于AN、硝酸钙(CN)和硝酸钠(SN)的单独等温反应性土壤测试期间反应性土壤的第四样品的温度的图。
图8是示出在用于AN以及制剂D和E的单独等温反应性土壤测试期间反应性土壤的第五样品的温度的图。
具体实施方式
本文公开了用于反应性土壤中和/或高温条件下的炸药组合物以及相关方法。炸药通常用于采矿、采石和挖掘工业中,用于破碎岩石和矿石。通常,将称为″爆破孔″的孔钻入诸如土壤的表面中。然后可将炸药组合物放置在爆破孔中。随后,可将炸药组合物引爆。
在一些实施方案中,炸药组合物为乳液或包含乳液的共混物。在一些实施方案中,乳液包含作为连续相的燃料油和作为不连续相的氧化剂。例如,在一些实施方案中,乳液包括分散在燃料油的连续相中的水性氧化剂溶液的微滴(即,油包水乳液)。
与炸药组合物(诸如乳化炸药(emulsion explosive))相关联的潜在危险是过早引爆。通常,使炸药材料留在爆破孔中一段时间(即,″静置(sleep)时间″),直至将其点燃。换句话说,炸药材料的静置时间是将材料装填至爆破孔中与有意点燃炸药材料之间的时间。过早引爆(即,在预定静置时间期间引爆)产生重大风险。
过早引爆的一个潜在原因是升高的土壤温度。升高的土壤温度可降低(或供应)触发炸药引爆所需的活化能。如本文所用,术语″高温土壤″是指在55℃或更高的温度处的土壤。
过早引爆的第二个潜在原因是将炸药组合物放置在反应性土壤中。″反应性土壤″是指当与硝酸盐(诸如硝酸铵)接触时经历自发放热反应的土壤。经常,该反应涉及硝酸盐对硫化物(例如,硫化铁或硫化铜)的化学氧化和热的释放。换句话讲,当将炸药组合物放置在反应性土壤中时,反应性土壤内的硫化物可与炸药组合物中的硝酸盐反应。硝酸盐与含硫化物的土壤物的反应可导致自动催化的过程,该过程可在一定诱导时间之后导致失控的放热分解。在一些情况下,所产生的温度升高(即,所产生的放热)可导致过早引爆。反应性土壤的一个示例是包含黄铁矿的土壤。
另外,待爆破的土壤可以是高温土壤和反应性土壤两者。
可采用若干策略来防止放热和过早引爆。例如,在一些实施方案中,在炸药组合物和土壤之间放置物理屏障。在其他或另外的实施方案中,可以化学方式抑制炸药组合物与反应性土壤的反应。例如,炸药组合物可包含用作抑制剂的添加剂,诸如尿素、氨、苏打灰、氧化锌、有机胺或它们的组合(例如,尿素/氨抑制剂)。
如下文进一步详细描述的,在本文所公开的实施方案中,炸药组合物包含一种或多种第I族或第II族硝酸盐。例如,乳化炸药的氧化剂相可包含一种或多种第I族或第II族硝酸盐与一种或多种非第I族或非第II族硝酸盐(诸如例如硝酸铵)的组合。相对于在氧化剂相中缺乏第I族或第II族硝酸盐(或具有相对较低量的第I族或第II族硝酸盐)的其他炸药组合物或乳液,在氧化剂相中使用第I族或第II族硝酸盐可降低乳化炸药与反应性土壤和/或高温土壤的反应性。在另一个示例中,一种或多种第I族或第II族硝酸盐的全部或一部分可作为与乳化炸药共混的干燥颗粒(例如,球粒)掺入炸药组合物中。本文所述的炸药组合物可降低不期望的放热和/或过早引爆的风险,并因此允许受控的引爆。
第I族或第II族硝酸盐的示例包括硝酸钠、硝酸钾和硝酸钙。在一些实施方案中,第I族或第II族硝酸盐由一种或多种第I族硝酸盐组成。
本文描述了用于反应性土壤中和/或升高的土壤温度下的组合物。在一些实施方案中,炸药组合物为乳液。例如,乳液可包含连续有机燃料相和不连续氧化剂相。在一些实施方案中,连续有机燃料相包含燃料油(例如,柴油燃料)或由燃料油(例如,柴油燃料)组成。在其他或另外的实施方案中,连续有机燃料相包含矿物油或由矿物油组成。在一些实施方案中,连续有机燃料相包含一些其他有机燃料。
乳化炸药的不连续氧化剂相可以是水溶液。当不连续氧化剂相为或包括水溶液时,不连续氧化剂相中的水按重量计可介于不连续水相的约3%和约30%之间。(除非另外指明,否则本文所公开的所有范围均包括两个端点。)在特定实施方案中,不连续氧化剂相中的水可以是约10%至约30%或12%至约25%。
如上文所讨论的,炸药组合物可包含一种或多种第I族或第II族硝酸盐与一种或多种非第I族或非第II族硝酸盐的组合。例如,在一些实施方案中,第I族或第II族硝酸盐以约3重量%至约35重量%的量存在于乳液中。更具体地讲,在一些实施方案中,一种或多种第I族或第II族硝酸盐按重量计为不连续氧化剂相的约3%至约35%、约5%至约25%、约5%至约18%、约10%至约35%或约10%至约25%。
一些实施方案包括不是第I族或第II族硝酸盐的硝酸盐。例如,除了一种或多种第I族或第II族硝酸盐之外,一些乳化炸药的不连续氧化剂相还可包含硝酸铵。例如,在一些实施方案中,不是第I族或第II族硝酸盐的硝酸盐是硝酸铵,并且硝酸铵与一种或多种第I族或第II族硝酸盐的比率(按重量计)为约2∶1至约14∶1,诸如约6∶1至9∶1(例如,硝酸铵与硝酸钠的比率)。
相对于包括相同量硝酸盐的实施方案,包括第I族或第II族硝酸盐的实施方案可能较不易于与反应性土壤发生不期望的放热反应。换句话说,第I族或第II族硝酸盐的存在可延迟与含硫化物的土壤的放热反应的发生和/或降低与含硫化物的土壤的放热反应的程度。
在一些实施方案中,不连续氧化剂相还包含一种或多种抑制剂,诸如尿素、氨、苏打灰、氧化锌、有机胺或它们的组合(例如,尿素/氨抑制剂)。当乳化炸药与反应性土壤接触时,抑制剂可降低乳化炸药的热降解。换句话说,当乳化炸药与含硫化物的土壤接触时,抑制剂可降低不连续氧化剂相的硝酸盐和反应性土壤中的硫化物之间的反应速率。在一些实施方案中,将抑制剂溶解于不连续氧化剂相的水溶液中。
在一些实施方案中,抑制剂是尿素或包括尿素。尿素可任何合适的浓度存在。例如,在一些实施方案中,尿素按重量计介于不连续氧化剂相的约0.5%和约35%之间。更具体地讲,在一些实施方案中,不连续氧化剂相按重量计为介于约0.5%和约10%之间、介于约1%和约10%之间、介于约1%和约5%之间或介于约2%和约5%之间的尿素。例如,在一些实施方案中,可将尿素以介于约1重量%至约5重量%之间(诸如约3重量%)的浓度溶解于水性氧化剂相中。
如本文所用的″乳液″涵盖未敏化的乳液基质和已敏化成乳化炸药的乳液两者。例如,未敏化乳液基质可作为UN 5.1类氧化剂运输。乳化炸药包含足够量的敏化剂以使乳液可利用标准的引爆剂引爆。乳液可在爆破地点处或甚至在爆破孔中敏化。应当理解,本文关于″乳液″或″乳化炸药″的公开内容通常将可互换地应用于另一者。在一些实施方案中,敏化剂为化学放气剂(chemical gassing agent)。在一些实施方案中,敏化剂包括中空微球或其他固体加气剂。在一些实施方案中,敏化剂为已通过机械方式引入乳液中的气泡。向乳液中引入气泡可降低递送至爆破孔的乳液的密度。
通常,炸药乳液由过饱和的不连续相组成。如果将不连续相中的相同溶液在标准条件下储存在烧杯中,则其将易于结晶。然而,乳液的结构降低了过饱和不连续相的结晶速率。这是由于乳化剂产生弯曲表面,该弯曲表面导致微滴内的压力增加,由此使过饱和溶液稳定。该压力增加被称为拉普拉斯压力(Laplace pressure)。所得未敏化乳液是在高于临界密度下制造的,这意味着它将在该密度处无法全面引爆。因此,未敏化乳液将通过系列8UN测试,并且被分类为UN 5.1类氧化剂。将乳液的密度降低至低于临界密度使得产品能够可靠地可引爆。
还公开了使用本文所述的炸药组合物的方法。例如,本文所述的乳化炸药可用于在处于高温的反应性土壤和/或土壤中进行爆破。
例如,在反应性土壤中爆破的一种方法包括将乳化炸药放置在反应性土壤中的步骤。例如,可将乳化炸药装填至在反应性土壤内钻出的爆破孔中。
反应性土壤可包含通常与一种或多种硝酸盐反应以产生放热反应的任何矿物。例如,在一些实施方案中,反应性土壤包含一种或多种硫化物。更具体地讲,一些反应性土壤包含硫化铁,诸如黄铁矿。通过进行澳大利亚炸药工业和安全集团公司(AustralianExplosives Industry and Safety Group Inc.)的等温反应性土壤测试(参见澳大利亚炸药工业和安全集团有限公司,实践规范:高温和反应土壤(Code of Practice:ElevatedTemperature and Reaction Ground),2017年3月),可将土壤鉴别为反应性土壤。
当放置在反应性土壤中时,乳化炸药的温度可能不会由于与反应性土壤的放热反应而从反应性土壤的温度显著变化(例如,小于5℃、小于3℃、小于2℃或小于1.5℃)。换句话讲,可将乳化炸药放置在反应性土壤中,然后在引爆之前让其静置一段时间。″反应性放热″被定义为特定样品的温度/时间迹线中高于背景温度至少2℃的温度升高,其中温度升高示出当反应完成时返回至背景温度。此类反应可伴有可见的迹象,诸如鼓泡和/或褐色氮氧化物的生成。
在一些实施方案中,在乳化炸药的静置时间期间不发生失控放热反应。换句话讲,乳化炸药不会经历由于与反应性土壤的放热反应所致的显著温度变化。在一些实施方案中,即使当乳化炸药留在处于高温处的反应性土壤(诸如处于由于地热活性所致的高温处的反应性土壤)内时,也不(或基本上不)产生放热。在一些实施方案中,其中放置有乳化炸药的反应性土壤具有大于55℃、大于65℃、大于75℃、大于100℃、大于125℃、大于150℃、大于160℃和/或大于180℃的温度。
更具体地讲,一些在反应性土壤中爆破的方法涉及在55℃或更高的平均土壤温度处使乳化炸药静置至少一天、至少两天、至少两周、至少一个月、至少两个月或至少三个月的步骤。附加地或另选地,一些在反应性土壤中爆破的方法可包括使乳化炸药在大于或等于150℃或大于或等于180℃的平均土壤温度处静置至少12小时的步骤。例如,乳化炸药可在介于150℃和200℃之间的温度处在反应性土壤中静置一段时间,而不会引起显著改变乳化炸药的温度的失控放热反应。避免此类失控放热反应可防止或降低过早引爆的风险。
不希望受限于理论,不连续氧化剂相中第I族或第II族硝酸盐和尿素的组合可协同地延迟或以其他方式减缓氧化剂相的硝酸盐与反应性土壤的失控放热反应。换句话说,对于包括第I族或第II族硝酸盐和尿素两者的实施方案,直至产生显著放热的延迟时间的增加可大于来自单独的第I族或第II族硝酸盐和单独的尿素的相加延迟。
在已将乳化炸药放置在反应性土壤中之后,可在期望的时间将乳化炸药引爆。例如,在一些实施方案中,在已允许乳化炸药静置大于3小时、5小时、12小时、24小时、2天、一周、两周、至少一个月、至少两个月或至少三个月的时段之后,可引爆乳化炸药。
实施例
实施例1一反应性土壤与含有不同量硝酸钠的制剂的反应性
按照澳大利亚炸药工业和安全集团公司的等温反应性土壤测试(但经修改以用于长期测试)(参见澳大利亚炸药工业和安全集团股份有限公司,实践规范:高温和反应土壤,2017年3月)来测试来自从地下铜矿/金矿获得的高反应性土壤的样品的反应性。在长期测试期间,样品在长时间经受高温时变干。因此,每3至4天向每个样品中添加1mL水。关于这些样品,首先将来自矿山的富硫化物样品压碎成细粉。然后将每个样品与制剂A、制剂B、制剂C或硝酸铵(AN)(参见下表1)混合。表1中列出的值示出了每种组分基于重量/重量的相对量。
表1.制剂A、B和C以及AN的组成。
| 制剂 | A | B | C | AN |
| 硝酸铵 | 62 | 67 | 76 | 100 |
| 硝酸钠 | 14 | 9 | 0 | 0 |
| 尿素 | 3 | 3 | 3 | 0 |
| 硫氰酸钠 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0 |
| 水 | 15 | 15 | 15 | 0 |
| 2号燃料油 | 6 | 6 | 6 | 0 |
然后将每种混合物加热至55℃并保持在55℃,同时使用连续记录温度的热电偶监测放热反应。监测所有反应至少15天。例如,将用制剂B测试的反应性土壤样品监测19天,并且将用制剂A测试的反应性土壤样品监测超过110天。来自实验的数据示于图1至图6和表2中。更具体地讲,图1示出了已用AN和制剂C处理的第一反应性土壤样品(样品1)的温度变化。图2和图3提供了已经以类似方式测试的第二样品(样品2;图2)和第三样品(样品3;图3)的类比图。图4至图6示出了样品1(图4)、样品2(图5)和样品3(图6)的温度变化,其中已用AN和制剂B测试每个样品。用制剂A(未示出)进行的测试即使在超过110天监测后也没有产生显著放热。
表2.等温反应性土壤测试的结果
不受任何特定理论的约束,相信第I族或第II族硝酸盐可延迟或减缓硝酸盐与反应性土壤中的反应性物质(例如,硫化物)的放热反应。还相信,抑制剂(诸如尿素)与一种或多种第I族或第II族硝酸盐的组合使用协同延迟和/或减少此类放热反应。
实施例2一反应性土壤与各种硝酸盐的反应性
按照澳大利亚炸药工业和安全集团公司的等温反应性土壤测试来测试已知的反应性土壤样品(样品4)的反应性。更具体地讲,将样品与AN球粒、硝酸钙球粒或硝酸钠球粒单独混合。
然后将每种混合物加热至55℃并保持在55℃处,并且使用连续记录温度的热电偶监测放热反应。所得数据示于图7和表3中。
表3.基于各种硝酸盐的等温反应性土壤测试的结果
如在图7和表3中可见,尽管硝酸钙混合物的最高温度小于硝酸铵混合物的最高温度,但硝酸铵和硝酸钙混合物具有相似的放热峰实耗时间。令人惊讶地,并且与硝酸铵和硝酸钙的混合物相比,硝酸钠混合物达到放热峰的时间显著比硝酸铵和硝酸钙的混合物长。硝酸钠混合物的温度变化也低于硝酸铵混合物或硝酸钙混合物的温度变化。
实施例3一用制剂D和E抑制反应性土壤
按照澳大利亚炸药工业和安全集团公司的等温反应性土壤测试来测试反应性土壤样品(样品5)的抑制。更具体地讲,将反应性土壤样品与AN、制剂D或制剂E(参见下表5)混合。表4中列出的值示出了每种组分基于重量/重量的相对量。
表4.硝酸盐制剂的组成
| 材料/制剂 | AN | D | E |
| 硝酸铵 | 100 | 68.6 | 59.2 |
| 硝酸钠 | 0 | 0 | 8.5 |
| 尿素 | 0 | 14.1 | 14.1 |
| 水 | 0 | 11.3 | 12.2 |
| 2号燃料油 | 0 | 6 | 6 |
然后将混合物加热至165℃并保持在165℃处,并且使用连续记录温度的热电偶监测放热反应。所得数据示于图8和表5中。
表5.不含硝酸钠的受抑制制剂(制剂D)与含硝酸钠的受抑制制剂(制剂E)的比较
如表5中可见,包含硝酸钠的组合物在相对高的温度(约165℃)条件处较不易放热。
本文所公开的任何方法包括用于执行所述方法的一个或多个步骤或动作。所述方法步骤和/或动作可彼此互换。换句话讲,除非对于实施方案的正确运行需要特定顺序的步骤或动作,否则可以修改特定步骤和/或动作的顺序和/或用途。此外,本文所述方法的子程序或仅一部分可以是本公开范围内的单独的方法。换句话讲,一些方法可以仅包括在更详细的方法中描述的步骤的一部分。
本说明书通篇对″实施方案″或″所述实施方案″的提及意指,结合该实施方案所述的特定特征、结构或特性包括在至少一个实施方案中。因此,如本说明书通篇所述,引用的短语或其变型不一定全部涉及相同实施方案。
如以下权利要求书所反映,本发明的方面在于比任何单个前述公开的实施方案的所有特征更少的特征的组合。因此,该具体实施方式后的权利要求书据此明确地并入到该具体实施方式中,其中每个权利要求独立地作为单独的实施方案。本公开包括独立权利要求与其从属权利要求的所有排列。
权利要求书中关于特征或元件的术语″第一″的叙述不一定暗示存在第二或另外的此类特征或元件。对于本领域的技术人员将显而易见的是,可在不脱离本公开的基本原理的情况下对上述实施方案的细节作出改变。
在本说明书中,除非上下文另有明确指示,否则术语″包含″具有该词在″至少包括″的意义上的非排他性含义,而不是在″仅由......组成″的意义上的排他性含义。这同样适用于该词有对应语法变化的其他形式,诸如″包括(comprise)″、″包括(comprises)″等。
本说明书中对现有技术信息的任何讨论不应看作以任何形式承认现有技术信息将在澳大利亚或任何外国被本领域技术人员视为公知常识。
Claims (29)
1.一种在高温土壤、反应性土壤或两者中爆破的方法,所述方法包括:
将包含乳化炸药的炸药组合物放置在待爆破的土壤中,所述乳化炸药包含连续有机燃料相和不连续氧化剂相,其中所述炸药组合物包含约3重量%至约35重量%的一种或多种第I族或第II族硝酸盐,并且其中所述土壤含有反应性土壤、高温土壤或两者;以及
以受控方式将所述乳化炸药引爆。
2.根据权利要求1所述的方法,所述方法还包括确定所述待爆破的土壤含有反应性土壤。
3.根据权利要求2所述的方法,其中所述反应性土壤包含硫化矿物。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的方法,其中所述反应性土壤包含黄铁矿、白铁矿、黄铜矿或它们的组合。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法,其中所述一种或多种第I族或第II族硝酸盐包括硝酸钠、硝酸钾、硝酸钙或它们的组合。
6.根据权利要求5所述的方法,其中所述一种或多种第I族或第II族硝酸盐由一种或多种第I族硝酸盐组成。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法,其中将所述炸药组合物放置在所述土壤中包括用所述炸药组合物装填爆破孔。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法,所述方法还包括确定所述待爆破的土壤为高温土壤。
9.根据权利要求8所述的方法,其中所述高温土壤大于100℃、120℃、150℃或180℃。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法,其中所述一种或多种第I族或第II族硝酸盐按重量计占所述氧化剂相的约3%至约35%、约5%至约25%、约5%至约18%、约10%至约35%或约10%至约25%。
11.根据权利要求10所述的方法,其中所述氧化剂相还包含硝酸铵,并且硝酸铵与所述一种或多种第I族或第II族硝酸盐的比率按重量计为约2:1至约14:1或约6:1至约9:1。
12.根据权利要求10或权利要求11所述的方法,其中所述氧化剂相还包含按重量计约5%至约30%或约12%至约25%的水。
13.根据权利要求1至11中任一项所述的方法,所述方法还包括使所述炸药组合物在150℃或更高的平均土壤温度处静置至少3小时。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法,所述方法还包括使所述炸药组合物在180℃或更高微滴的平均土壤温度处静置至少3小时。
15.根据权利要求1至11中任一项所述的方法,所述方法还包括使所述炸药组合物在所述土壤中静置比乳化炸药将被允许在所述土壤中静置长至少一天,所述乳化炸药在所述不连续氧化剂相中基本上不含第I族或第II族硝酸盐。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的方法,其中所述氧化剂相还包含抑制剂。
17.根据权利要求16所述的方法,其中所述抑制剂包括尿素、氧化锌、氨、苏打灰或它们的组合。
18.根据权利要求16或权利要求17所述的方法,其中所述抑制剂包括尿素,并且所述尿素以按所述氧化剂相的重量计约0.5%至约35%、约0.5%至约10%或约0.5%至约5%存在。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的方法,其中所述炸药组合物还包含敏化剂。
20.一种包含乳液的炸药组合物,所述乳液包含:
连续有机相,所述连续有机相包含燃料油;
不连续氧化剂相,所述不连续氧化剂相包含:
尿素,其中所述尿素按重量计为所述不连续氧化剂相的约0.5%至约35%;
非第I族或非第II族硝酸盐;以及
一种或多种第I族或第II族硝酸盐,其中所述第I族或第II族硝酸盐按重量计为所述不连续氧化剂相的约3%至约35%。
21.根据权利要求20所述的炸药组合物,其中所述不连续水相中的水按重量计介于所述不连续水相的10%和30%之间。
22.根据权利要求20或权利要求21所述的炸药组合物,其中所述尿素按重量计为所述不连续氧化剂相的约1%至约25%或约2%至约5%。
23.根据权利要求20至22中任一项所述的炸药组合物,其中所述一种或多种第I族或第II族硝酸盐按重量计为所述不连续氧化剂相的约5%至约25%、约5%至约18%、约10%至约35%或约10%至约25%。
24.根据权利要求20至23中任一项所述的炸药组合物,其中所述乳液按重量计为所述炸药组合物的至少30%。
25.根据权利要求20至24中任一项所述的炸药组合物,其中所述一种或多种第I族或第II族硝酸盐包括硝酸钠、硝酸钾、硝酸钙或它们的组合。
26.根据权利要求20至25中任一项所述的炸药组合物,其中所述乳液还包含敏化剂。
27.根据权利要求20至27中任一项所述的炸药组合物,所述炸药组合物用于反应性土壤、高温土壤或两者中。
28.一种形成共混物的方法,所述方法包括:
将包含硝酸铵和燃料油的浆料与乳液混合,所述乳液包含:
连续有机相,所述连续有机相包含燃料油;以及
不连续氧化剂相,所述不连续氧化剂相包含:
尿素,其中所述尿素按重量计为所述不连续氧化剂相的约0.5%至约35%;
非第I族或非第II族硝酸盐;以及
一种或多种第I族或第II族硝酸盐,其中所述一种或多种第I族或第II族硝酸盐按重量计为所述不连续氧化剂相的约3%至约35%。
29.根据权利要求28所述的方法,其中所述乳液按重量计为所述共混物的至少30%。
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