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有軌運(yùn)輸改無(wú)軌運(yùn)輸方案比選
——以新涼風(fēng)埡隧道瓦斯突出為例

2018-03-30 00:45:16王明慧曹美俊凌飛翔倪少權(quán)羅加明張橋
關(guān)鍵詞:瓦斯煤層運(yùn)輸

王明慧,曹美俊,凌飛翔,倪少權(quán),羅加明,張橋

(1. 渝黔鐵路有限責(zé)任公司,重慶 400014;2. 西南交通大學(xué),交通運(yùn)輸與物流學(xué)院,成都610031;3. 中鐵十八局集團(tuán)有限公司,隧道工程公司,重慶400700;4. 國(guó)家鐵路局成都監(jiān)管局,成都610051;5. 西南政法大學(xué),經(jīng)濟(jì)學(xué)院,重慶401120)

1 工程及地質(zhì)概況

渝黔鐵路的建成通車(chē)將大大改善渝黔間的交通條件,對(duì)推動(dòng)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義[1,2]。渝黔鐵路新涼風(fēng)埡隧道出口正洞DK155+413~DK155+588,穿越含煤地層龍?zhí)督M(P2l),含可采煤層5層,分別為K2、K4、K5、K8、K9。主采煤層K2、K4、K5,厚度為1.5~2.0m,層位穩(wěn)定,壓力為(0.45~1.5)MPa,隧址區(qū)及周邊煤礦瓦斯絕對(duì)涌出量為0.13~3.02m3/min。該段含煤地層段為高瓦斯并具有突出風(fēng)險(xiǎn),為I級(jí)高風(fēng)險(xiǎn)隧道[3]。

DK155+300處DZ-新涼風(fēng)埡-11號(hào)鉆孔,鉆孔深度467.1m,鉆孔揭示的地質(zhì)情況為:自上往下厚59.3m,揭示巖性為(10~27)W2:泥巖、頁(yè)巖夾灰?guī)r;厚143.4m揭示巖性為(10~28)W2:灰?guī)r夾泥灰?guī)r;厚88.1m揭示巖性為(11~1)W2:灰?guī)r;厚176.3m揭示巖性為(11~2)W2:頁(yè)巖夾煤層、砂巖。根據(jù)該鉆孔煤層自燃與煤塵瓦斯鑒定報(bào)告、隧道周邊煤礦瓦斯等級(jí)鑒定報(bào)告和桐梓煤礦在2004年7月14日、2006年6月30日發(fā)生煤層瓦斯突出爆炸分析,說(shuō)明該段含煤地層為高瓦斯并具有突出風(fēng)險(xiǎn)。

2 煤層瓦斯災(zāi)害及防治基本原則

2.1 煤層瓦斯的概念和特性

煤層瓦斯是從煤(巖)層中逸出的各種有害氣體的總稱,其主要成分是甲烷(CH4),具有爆炸性、不穩(wěn)定性、滲透性、窒息性等特性。

煤層瓦斯爆炸的條件是:一定濃度的瓦斯、高溫火源的存在和充足的氧氣。當(dāng)瓦斯?jié)舛鹊陀?%時(shí),遇火不爆炸,但能在火焰外圍形成燃燒層;當(dāng)瓦斯?jié)舛葹?.5%時(shí),其爆炸威力最大(氧和瓦斯完全反應(yīng));瓦斯?jié)舛仍?6%以上時(shí),失去爆炸性,但在空氣中遇火仍會(huì)燃燒。

煤層瓦斯在煤(巖)層中以兩種狀態(tài)存在,一是游離狀態(tài),二是吸附狀態(tài)。兩種狀態(tài)的瓦斯處在不斷變化的動(dòng)態(tài)平衡中,當(dāng)外界條件(如溫度、壓力)變化時(shí),平衡就被打破,兩種狀態(tài)相互轉(zhuǎn)換。

煤層瓦斯的滲透性極高,擴(kuò)散速度快,較空氣高1.6倍,隧道掘進(jìn)過(guò)程中容易透過(guò)裂隙發(fā)育、結(jié)構(gòu)松散的巖石或煤層滲透到隧道開(kāi)挖空間。

煤層瓦斯雖然無(wú)毒,但其常伴有硫化氫、二氧化碳等有毒氣體,瓦斯?jié)舛壬?,?huì)使空氣中氧氣濃度急劇下降,引起人員窒息。

2.2 煤層瓦斯防爆基本原則[4]

只有正確掌握瓦斯的性質(zhì),并采取有效的措施,才能防止瓦斯爆炸事故的發(fā)生。一是控制瓦斯的濃度,通過(guò)實(shí)時(shí)瓦斯監(jiān)測(cè),及時(shí)加強(qiáng)通風(fēng)確保瓦斯?jié)舛鹊陀诒ń缦?;二是防止火源的出現(xiàn)。

2.3 防止煤層瓦斯爆炸的要求[5]

(1)對(duì)進(jìn)洞挖掘、裝載、運(yùn)輸?shù)纫圆裼蜑閯?dòng)力的設(shè)備進(jìn)行防爆改裝,并通過(guò)驗(yàn)收合格,滿足MT989—2006、MT990—2006相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求[6,7]。

(2)電力供應(yīng)和電氣設(shè)備上嚴(yán)格執(zhí)行“三專兩閉鎖”和“MA”準(zhǔn)入制度,對(duì)于不防爆,沒(méi)有防爆安全標(biāo)識(shí)、國(guó)家明令禁止使用和淘汰的電氣防爆設(shè)備嚴(yán)禁進(jìn)洞使用。

(3)制定通風(fēng)方案,建立完善有效的通風(fēng)系統(tǒng),采用巷道式通風(fēng),滿足隧道瓦斯治理的通風(fēng)要求。

(4)實(shí)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)與人工監(jiān)測(cè)相結(jié)合的監(jiān)測(cè)體系。

(5)制訂嚴(yán)格的瓦斯管理制度,學(xué)習(xí)煤礦上的管理辦法,嚴(yán)格進(jìn)洞檢身制度,嚴(yán)禁攜帶煙、火及通信設(shè)備等進(jìn)洞,嚴(yán)禁穿化纖衣服進(jìn)洞,對(duì)于瓦斯容易聚集等敏感地點(diǎn)嚴(yán)禁動(dòng)火,對(duì)于隧道內(nèi)其他可以進(jìn)行不防爆操作的地點(diǎn)采取了每次都制定安全措施并簽字貫徹的辦法。

3 無(wú)軌運(yùn)輸方案的可行性

3.1 隧道施工條件

渝黔鐵路新涼風(fēng)埡隧道有效凈空斷面大,正洞開(kāi)挖工法多采用臺(tái)階法[8],臺(tái)階凈空能夠滿足裝載機(jī)和自卸汽車(chē)進(jìn)行裝碴施工,襯砌的斷面凈空能夠滿足雙向行駛實(shí)現(xiàn)錯(cuò)車(chē)。

3.2 巷道式通風(fēng)方案

隧道有專門(mén)用于輔助通風(fēng)用的平行導(dǎo)洞,進(jìn)入煤系地層段施工,采取的巷道式通風(fēng)方法,安裝兩組四臺(tái)風(fēng)機(jī),并設(shè)兩條風(fēng)帶直接給正洞掘進(jìn)工作面供風(fēng),能有效地解決通風(fēng)問(wèn)題。除此之外,在風(fēng)速較大的隧道入口處也建議安裝風(fēng)速風(fēng)向傳感器,用來(lái)檢測(cè)隧道外山谷的風(fēng)速和風(fēng)向[9]。

3.3 設(shè)備防爆改裝

在爆炸性氣體環(huán)境中作業(yè)的以普通內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的電氣火花、排氣火花和機(jī)械火花以及危險(xiǎn)高溫均可引燃混合氣體發(fā)生爆炸事故,根據(jù)這些原因,參照煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT989—2006《礦用防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車(chē)通用技術(shù)條件》和MT990—2006《礦用防爆柴油機(jī)通用技術(shù)條件》,對(duì)在有爆炸性氣體環(huán)境中作業(yè)的普通工程車(chē)輛進(jìn)行防爆改裝。

(1)發(fā)電機(jī)改裝為符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的隔爆型發(fā)電機(jī)。

(2)啟動(dòng)機(jī)(馬達(dá))改裝為符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的隔爆型啟動(dòng)機(jī)。

(3)蓄電池為閥控式免維護(hù)鉛酸蓄電池,安裝在電源控制箱內(nèi),電路中接線處各種操縱開(kāi)關(guān)均安裝于隔爆箱內(nèi)。

(4)照明、信號(hào)等燈具均采用了防爆產(chǎn)品(LED隔爆燈)。

(5)對(duì)于容易產(chǎn)生靜電積聚的非金屬件采取抗靜電措施。

(6)柴油機(jī)的排氣采用了補(bǔ)水箱式廢氣處理裝置和夾層排氣管道或絕熱材料包封措施,排氣支管和渦輪增壓器外殼選用納米陶瓷空心顆粒、硅鋁纖維、各種反射材料為主要成分的太空節(jié)能高溫隔熱材料,可抑制增壓器表面及排氣支管表面熱輻射和熱量傳導(dǎo),控制其表面溫度在150℃以下。

從增壓器到廢氣處理箱之間用層套式水夾層管(不銹鋼管)連接,其內(nèi)用不銹鋼蛇型管,外用不銹鋼管,中間為水,以保證表面溫度在150℃以下。

在廢氣處理箱排氣出口處設(shè)置阻火柵欄,消除排氣引發(fā)的危險(xiǎn)高溫和排氣火花,從而杜絕了引發(fā)爆炸的可能性。同時(shí)也可將柴油機(jī)機(jī)體表面溫度控制在≤150℃,排氣出口處的排氣溫度控制在≤70℃的安全范圍內(nèi),符合MT990—2006《礦用防爆柴油機(jī)通用技術(shù)條件》中4.16的技術(shù)要求。

(7)增設(shè)了自動(dòng)保護(hù)設(shè)置。自動(dòng)保護(hù)裝置為本安兼澆封型,可對(duì)工程車(chē)輛安全項(xiàng)目進(jìn)行保護(hù),符合MT990—2006《礦用防爆柴油機(jī)通用技術(shù)條件》中4.18.2.2的要求(見(jiàn)表1)。

(8)對(duì)沒(méi)有關(guān)斷閥的設(shè)備增設(shè)空氣關(guān)斷閥,一旦發(fā)生進(jìn)氣回火火花在氣缸外直接燃燒的意外情況,立即拉動(dòng)關(guān)斷閥手柄,阻止空氣進(jìn)入氣缸,迫使設(shè)備停止工作。

隧道無(wú)軌運(yùn)輸設(shè)備全部從消除電氣、動(dòng)力火花和控制高溫等方面進(jìn)行了防爆改裝,且增設(shè)了本安兼澆封型自動(dòng)保護(hù)裝置,一旦監(jiān)控參數(shù)出現(xiàn)異常及時(shí)發(fā)出警報(bào)信號(hào)并使無(wú)軌運(yùn)輸設(shè)備動(dòng)力系統(tǒng)停止工作,能夠滿足在高瓦斯工區(qū)環(huán)境中正常使用。

表1 保護(hù)項(xiàng)目及設(shè)定安全值Tab.1 Safety related operations and the threshold values

3.4 煤層瓦斯隧道管理制度

認(rèn)真貫徹“安全第一,預(yù)防為主”的方針,建立健全安全生產(chǎn)管理體系。成立安全領(lǐng)導(dǎo)小組,以項(xiàng)目經(jīng)理任組長(zhǎng),安全總監(jiān)任副組長(zhǎng),項(xiàng)目副經(jīng)理、專職安全員等其他成員為組員,全面執(zhí)行落實(shí)安全生產(chǎn)責(zé)任制[10]。

制訂嚴(yán)格的瓦斯管理制度,學(xué)習(xí)煤礦上的管理辦法,嚴(yán)格進(jìn)洞檢身制度,嚴(yán)禁攜帶煙、火等進(jìn)洞,嚴(yán)禁穿化纖衣服進(jìn)洞,對(duì)于進(jìn)風(fēng)隧道等敏感地點(diǎn)嚴(yán)禁動(dòng)火,對(duì)于隧道內(nèi)其他可以進(jìn)行不防爆操作的地點(diǎn)采取了每次都制定安全措施并簽字貫徹的辦法。

建立瓦斯視頻監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄各個(gè)工作面瓦斯變化情況,超過(guò)預(yù)警值立即報(bào)警并短信通知主要管理人員,并安排三班專職瓦檢員、安全員巡視檢測(cè)瓦斯,實(shí)現(xiàn)瓦斯24小時(shí)監(jiān)測(cè),確保隧道安全可控[11]。

3.5 瓦斯突出隧道和煤礦無(wú)軌運(yùn)輸經(jīng)驗(yàn)

過(guò)去我國(guó)煤礦井下輔助運(yùn)輸狀況與發(fā)達(dá)國(guó)家相比差距仍然較大,大多以有軌運(yùn)輸為主,20世紀(jì)90年代中期,國(guó)內(nèi)部分新建隧道和煤礦礦井開(kāi)始采用無(wú)軌輔助運(yùn)輸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有軌輔助運(yùn)輸,如中國(guó)神華集團(tuán)的大柳塔礦、山東兗礦集團(tuán)的濟(jì)三煤礦等。從使用情況看,采用無(wú)軌輔助運(yùn)輸方案后效率提高明顯,目前采用無(wú)軌運(yùn)輸或者混合運(yùn)輸?shù)拿旱V占煤礦總數(shù)的比重越來(lái)越大[12]。

4 有軌運(yùn)輸與無(wú)軌運(yùn)輸方式的比較分析

4.1 渝黔鐵路新涼風(fēng)埡隧道工程特點(diǎn)

(1)新涼風(fēng)埡隧道工期緊、進(jìn)度壓力大;

(2)正洞斷面大,每循環(huán)出碴量大;

(3)圍巖級(jí)別較高,多采用臺(tái)階法開(kāi)挖,臺(tái)階長(zhǎng)度、步距控制嚴(yán)格。

4.2 有軌運(yùn)輸方式

4.2.1 有軌運(yùn)輸?shù)闹饕獌?yōu)點(diǎn)

(1)防爆程序簡(jiǎn)單,不需要專門(mén)改制運(yùn)輸設(shè)備。

(2)空氣污染小,對(duì)正洞的風(fēng)量和風(fēng)壓需求較小,有利于人工洞內(nèi)作業(yè)。

4.2.2 有軌運(yùn)輸?shù)闹饕秉c(diǎn)

(1)出碴能力不足,增加循環(huán)時(shí)間,采用臺(tái)階法施工,因?yàn)槭懿介L(zhǎng)關(guān)系的影響,仰拱至掌子面40~50m長(zhǎng)度內(nèi)有臺(tái)階、作業(yè)臺(tái)架及移動(dòng)棧橋,二襯前方難于形成雙車(chē)道運(yùn)輸,難于滿足進(jìn)度要求。

(2)工序較多,影響循環(huán)時(shí)間。軌道難于鋪設(shè)至掌子面,上臺(tái)階棄碴需用挖掘機(jī)、裝載機(jī)械倒運(yùn)至下臺(tái)階。

(3)需要二次轉(zhuǎn)載,對(duì)洞口場(chǎng)地要求較高,新涼風(fēng)埡隧道出口段場(chǎng)地狹窄,難于形成轉(zhuǎn)載系統(tǒng)。

(4)因仰拱裝碴、轉(zhuǎn)載等環(huán)節(jié)必須使用挖掘機(jī)和裝載機(jī),單純?cè)谶\(yùn)輸上采取有軌運(yùn)輸意義不大。

(5)有軌運(yùn)輸系統(tǒng)費(fèi)用高,初步估算需增加約2660萬(wàn)元。

(6)輔助系統(tǒng)較復(fù)雜,占用人員較多,給安全管理帶來(lái)很大壓力。

4.3 無(wú)軌運(yùn)輸方式

4.3.1 無(wú)軌運(yùn)輸?shù)闹饕獌?yōu)點(diǎn)

(1)工效高、速度快、工序簡(jiǎn)單、相互干擾少、施工組織相對(duì)簡(jiǎn)單;

(2)對(duì)洞口場(chǎng)地要求不高,對(duì)洞內(nèi)仰拱棧橋、襯砌臺(tái)車(chē)、洞外上坡等困難地形的適應(yīng)性強(qiáng),能夠?qū)崿F(xiàn)從工作面至棄碴場(chǎng)的一次運(yùn)輸,不需要二次轉(zhuǎn)載。

(3)專用設(shè)備投入少,挖掘機(jī)、裝載機(jī)、自卸汽車(chē)及混凝土罐車(chē)均為常用設(shè)備,不會(huì)造成機(jī)械設(shè)備的大量閑置。

4.3.2 無(wú)軌運(yùn)輸?shù)闹饕秉c(diǎn)

(1)隧道有效凈空斷面較大,適用于臺(tái)階法、全斷面法。

(2)施工通風(fēng)難度大,柴油機(jī)械產(chǎn)生的廢氣較多。

(3)運(yùn)輸設(shè)備需要專業(yè)的防爆改裝,改裝費(fèi)用投入高。

4.4 兩種運(yùn)輸方式的比較分析

4.4.1 主要機(jī)械設(shè)備的投入比較

表2為有軌運(yùn)輸和無(wú)軌運(yùn)輸主要機(jī)械設(shè)備投入對(duì)比,從表2可以看出,不考慮其他都要使用的設(shè)備和設(shè)施無(wú)軌運(yùn)輸和有軌運(yùn)輸分別合計(jì)774萬(wàn)、3434.5萬(wàn)。有軌運(yùn)輸?shù)臋C(jī)械設(shè)備投入要比無(wú)軌運(yùn)輸多,而且有軌運(yùn)輸還需要配備必要的輔助系統(tǒng)、管理系統(tǒng),運(yùn)輸成本大大增加。

表2 有軌運(yùn)輸和無(wú)軌運(yùn)輸主要機(jī)械設(shè)備投入對(duì)比表Tab.2 Cost of major equipments (rail transport and non-rail transport)

4.4.2 工作效率比較

(1)無(wú)軌運(yùn)輸組織簡(jiǎn)單,不用鋪軌道,出碴靈活,工作效率高。而有軌運(yùn)輸,調(diào)度時(shí)間長(zhǎng),組織難度高,每次開(kāi)挖都有鋪軌時(shí)間,否則裝載機(jī)運(yùn)距較遠(yuǎn),造成出碴效率低。

(2)無(wú)軌運(yùn)輸條件下,仰拱作業(yè)面采用雙棧橋施工,移動(dòng)靈活,可以同時(shí)滿足仰拱和出碴施工,施工干擾小。而有軌運(yùn)輸條件下,軌道的撥接頻繁,工作量大,仰拱施工速度慢,而且還會(huì)影響正常出碴,施工干擾大。

(3)無(wú)軌運(yùn)輸條件下,襯砌混凝土罐車(chē)運(yùn)輸量大,速度快,效率高,對(duì)混凝土的質(zhì)量性能保障較好;而有軌運(yùn)輸條件下,軌行式混凝土罐車(chē)運(yùn)量小,速度慢,效率低,要想保證混凝土質(zhì)量就要加大投入。

4.4.3 施工進(jìn)度影響比較

(1)有軌運(yùn)輸運(yùn)輸效率計(jì)算

梭式礦車(chē)?yán)碚撨\(yùn)行時(shí)間計(jì)算:洞內(nèi)運(yùn)輸距離約為l內(nèi)=2 000m,洞口段運(yùn)輸距離約為l外=100m;根據(jù)機(jī)車(chē)和梭礦一般行車(chē)速度并結(jié)合《鐵路隧道施工規(guī)范》要求,礦車(chē)平均運(yùn)行速度v=15km/h≈4m/s;礦車(chē)斗容量8m3;裝碴時(shí)間t1=7min;卸碴時(shí)間t2=10min;減速會(huì)車(chē)時(shí)間t3=3min。一輛礦車(chē)一次運(yùn)碴所需要的時(shí)間:

18t直流電瓶車(chē)一次牽引2臺(tái)梭式礦車(chē)同時(shí)作業(yè),每次運(yùn)碴量為16m3,隧道斷面尺寸按120m2計(jì)算,按循環(huán)進(jìn)尺1m,松散系數(shù)取1.5,有軌運(yùn)輸循環(huán)出碴時(shí)間:

(2)無(wú)軌運(yùn)輸運(yùn)輸效率計(jì)算

自卸汽車(chē)?yán)碚撨\(yùn)行時(shí)間計(jì)算:洞內(nèi)運(yùn)輸距離約為l內(nèi)=2000m,洞口段運(yùn)輸距離約為l外=100m;根據(jù)汽車(chē)一般行車(chē)速度并結(jié)合《鐵路隧道施工規(guī)范》要求,自卸汽車(chē)平均運(yùn)行速度v=15km/h≈4m/s;自卸汽車(chē)斗容量15m3;綜合考慮裝車(chē)、卸車(chē)時(shí)間t=15min。一輛自卸汽車(chē)一次運(yùn)碴所需要的時(shí)間:

按照4輛自卸汽車(chē)同時(shí)作業(yè),每輛汽車(chē)運(yùn)碴量為15m3,隧道斷面尺寸按120m2計(jì)算,按循環(huán)進(jìn)尺1m,松散系數(shù)取1.5,則無(wú)軌運(yùn)輸循環(huán)出碴時(shí)間:

綜合考慮自卸汽車(chē)裝碴等待時(shí)間及其他因素,無(wú)軌運(yùn)輸循環(huán)出碴時(shí)間為2h。

通過(guò)計(jì)算比較,有軌運(yùn)輸運(yùn)輸時(shí)間遠(yuǎn)比無(wú)軌運(yùn)輸時(shí)間長(zhǎng),難以滿足新涼風(fēng)埡隧道工期、進(jìn)度需要。

4.4.4 安全質(zhì)量影響比較

(1)無(wú)軌運(yùn)輸施工組織經(jīng)驗(yàn)豐富,安全可控性較高,而有軌運(yùn)輸對(duì)機(jī)械設(shè)備操作人員要求相對(duì)較高,缺乏組織經(jīng)驗(yàn),安全度較低。

(2)無(wú)軌運(yùn)輸條件下,仰拱和二襯作業(yè)能夠跟緊開(kāi)挖掌子面,及時(shí)形成封閉結(jié)構(gòu),有利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,確保施工安全,仰拱棧橋移動(dòng)方便,便于文明施工作業(yè)。而有軌運(yùn)輸條件下,難以確保仰拱和二襯與開(kāi)挖掌子面的距離,而且仰拱工作面交叉作業(yè)多,施工組織難度較大,不僅嚴(yán)重影響施工進(jìn)度,而且對(duì)施工質(zhì)量、安全都不利。

5 結(jié) 論

通過(guò)渝黔鐵路新涼風(fēng)埡煤層瓦斯突出隧道運(yùn)輸方案分析比較,可以看出瓦斯突出隧道無(wú)軌運(yùn)輸優(yōu)于有軌運(yùn)輸。渝黔鐵路新涼風(fēng)埡隧道通過(guò)有效瓦斯監(jiān)控方法、切實(shí)可行的防爆改裝措施、嚴(yán)格的通風(fēng)管理制度,采用無(wú)軌運(yùn)輸方案成功通過(guò)了煤層瓦斯突出段施工,既滿足了瓦斯突出隧道機(jī)械設(shè)備防爆安全的要求,還在較大程度上降低了運(yùn)輸成本,提高了運(yùn)輸效率,實(shí)現(xiàn)了瓦斯突出隧道施工的安全、高效。同時(shí)也說(shuō)明無(wú)軌運(yùn)輸是今后瓦斯突出隧道運(yùn)輸方式發(fā)展的趨勢(shì)。

[1] 王明慧. 渝黔鐵路對(duì)沿線地區(qū)可達(dá)性的影響[J]. 鐵道運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì),2012,34(9):94-96.

[2] 王明慧. 渝萬(wàn)客運(yùn)專線對(duì)沿線城市經(jīng)濟(jì)聯(lián)系強(qiáng)度的影響[J]. 鐵道運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì),2012,34(5):59-61.

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