陳萬勝,李 超,陳小繩,吳奉亮
(1.陜煤集團(tuán)神木紅柳林礦業(yè)有限公司,陜西 榆林 719300;2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院,陜西 西安 710054;3.教育部 西部礦井開采與災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710054)
淺埋深礦井采空區(qū)外部大漏風(fēng)均壓防治技術(shù)
陳萬勝1,2,李 超1,陳小繩1,2,吳奉亮2,3
(1.陜煤集團(tuán)神木紅柳林礦業(yè)有限公司,陜西 榆林 719300;2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院,陜西 西安 710054;3.教育部 西部礦井開采與災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710054)
為準(zhǔn)確計(jì)算采用均壓防治外部漏風(fēng)時(shí)調(diào)壓風(fēng)機(jī)的壓力,研究了基于礦井風(fēng)網(wǎng)解算的均壓通風(fēng)計(jì)算模型。通過對均壓通風(fēng)原理及其在礦井內(nèi)、外部漏風(fēng)防治中技術(shù)特點(diǎn)的分析,結(jié)合通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算原理,建立了均壓防治外部漏風(fēng)的計(jì)算模型,其計(jì)算結(jié)果顯示調(diào)壓風(fēng)機(jī)升壓力取決于礦井通風(fēng)阻力的分布。依據(jù)紅柳林礦井淺埋開采形成的采空區(qū)外部漏風(fēng)現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù),評估了漏風(fēng)對礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,并設(shè)計(jì)了調(diào)壓風(fēng)機(jī)與風(fēng)窗聯(lián)合的均壓通風(fēng)方案。該方案采用網(wǎng)絡(luò)解算軟件計(jì)算了15207采煤工作面采空區(qū)外部漏風(fēng)分支風(fēng)阻與進(jìn)風(fēng)段通風(fēng)阻力,確定了調(diào)壓風(fēng)機(jī)升壓值與風(fēng)窗的控風(fēng)參數(shù),實(shí)施后取得了預(yù)期效果。現(xiàn)場的成功應(yīng)用表明了此技術(shù)的正確性,對同類礦井具有借鑒意義。
均壓通風(fēng);外部漏風(fēng);淺埋;網(wǎng)絡(luò)解算
中國國有重點(diǎn)煤礦中存在煤自然發(fā)火的礦井占總數(shù)的50%以上,由于煤自燃引發(fā)的火災(zāi)超過礦井總火災(zāi)的90%,每年造成近百億的經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。礦井漏風(fēng)是引發(fā)煤自燃的重要因素之一[3-6],均壓通風(fēng)作為防治礦井漏風(fēng)的有效手段,具有操作簡單、投資少和工作量小等優(yōu)點(diǎn),是我國煤礦防治煤自燃的主要方法之一[7]。
紅柳林煤礦位于陜北榆神礦區(qū),礦區(qū)煤層均屬近水平煤層,埋深普遍較淺。目前開采的5-2煤層平均深度145 m,最淺處僅有50 m,特別是15207采煤工作面,自開切眼起有1/3長度位于開采深度僅有50 m左右的范圍之內(nèi),采空區(qū)最大外部漏風(fēng)量達(dá)到50 m3/s,平均外部漏風(fēng)量在23.3 m3/s.采用地面封堵裂隙的漏風(fēng)治理方法不僅費(fèi)用高,而且受地形、冬季低溫等因素限制,技術(shù)上也十分困難。大規(guī)模的外部漏風(fēng)不僅會(huì)加峻采空區(qū)防火形勢,還會(huì)造成工作面進(jìn)風(fēng)巷出現(xiàn)微風(fēng)現(xiàn)象,使通風(fēng)系統(tǒng)極不穩(wěn)定,嚴(yán)重影響礦井的安全生產(chǎn)。均壓通風(fēng)在防治礦井內(nèi)部漏風(fēng)[8-10]、老空區(qū)有害氣體危害上有著許多成功的經(jīng)驗(yàn)[11-12],但在采空區(qū)大規(guī)模外部漏風(fēng)防治方面可借鑒的經(jīng)驗(yàn)很少,研究將為礦井外部漏風(fēng)治理提供技術(shù)支撐。
均壓通風(fēng)的實(shí)質(zhì)是,利用風(fēng)窗、風(fēng)機(jī)、調(diào)壓氣室和連通管等調(diào)壓設(shè)施,改變漏風(fēng)區(qū)域的壓力分布,降低壓差,減少漏風(fēng)。均壓通風(fēng)原理可用圖1所示模型進(jìn)行驗(yàn)證[13]。圖中2個(gè)風(fēng)機(jī)分別以壓、抽2種方式作用于風(fēng)管兩端,形成由A到B的風(fēng)流,AC段相對壓力為正,CB段為負(fù),C點(diǎn)為0.在C點(diǎn)即使有開口風(fēng)流也不會(huì)有內(nèi)外流動(dòng),由于C點(diǎn)附近的相對壓力較小,形成了工程中有應(yīng)用價(jià)值的均壓區(qū)。
圖1 均壓通風(fēng)模型Fig.1 Model pressure balancing ventilation
常規(guī)條件下的采煤工作面采空區(qū)漏風(fēng)都是內(nèi)部漏風(fēng),其表現(xiàn)有并聯(lián)與角聯(lián)2種形式。較好的均壓通風(fēng)效果是在不影響工作面風(fēng)量的情況下控制漏風(fēng)。對于U形通風(fēng)系統(tǒng)的采煤工作面并聯(lián)內(nèi)部漏風(fēng),其漏風(fēng)動(dòng)力是工作面兩端的壓差,對應(yīng)的均壓方案是以減少工作面配風(fēng)量為代價(jià)的,因此不可能做到絕對均壓,其效果有限;對于采空區(qū)之間形成的角聯(lián)漏風(fēng),漏風(fēng)動(dòng)力來自兩條通風(fēng)路線上特定兩點(diǎn)之間的壓差,這種壓差與某個(gè)用風(fēng)點(diǎn)的供風(fēng)量沒有特定關(guān)系,其均壓方案可以在僅用調(diào)節(jié)風(fēng)窗或有風(fēng)機(jī)參與的情況下取得良好效果,理論上是可以實(shí)現(xiàn)絕對均壓的。
采用均壓防治采空區(qū)外部漏風(fēng)是要將工作面的風(fēng)流能量調(diào)節(jié)到與地面相同,對于主要通風(fēng)機(jī)作單一抽式出(或壓入式)通風(fēng)的礦井可采用“風(fēng)窗-風(fēng)機(jī)”聯(lián)合調(diào)節(jié)的局部均壓方式。因此調(diào)壓風(fēng)機(jī)的升壓值以及調(diào)節(jié)風(fēng)窗的開口面積計(jì)算方法是均壓防治采空區(qū)外部漏風(fēng)的關(guān)鍵理論。
以主要通風(fēng)機(jī)作抽出式工作的礦井來分析,“風(fēng)窗-風(fēng)機(jī)”聯(lián)合調(diào)壓是希望通過風(fēng)機(jī)的增壓(動(dòng)力)與風(fēng)窗的加阻(阻力)實(shí)現(xiàn)在不影響風(fēng)量的情況下對均壓區(qū)采空區(qū)的壓力調(diào)節(jié)。而調(diào)壓風(fēng)機(jī)在風(fēng)網(wǎng)中的作用與輔助通風(fēng)機(jī)相似,理論上其影響范圍是整個(gè)風(fēng)網(wǎng)。因此風(fēng)機(jī)升壓值與風(fēng)窗開口面積的計(jì)算必須基于整個(gè)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析。
2.1 含外部漏風(fēng)的風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型
設(shè)h為漏風(fēng)通道阻力,Pa;Q為流量,m3/s;R為風(fēng)阻R,Ns2/m8.通常認(rèn)為外部漏風(fēng)風(fēng)流流態(tài)屬于紊流[14],因此三者之間符合h=RQ2的關(guān)系,故可以將外部漏風(fēng)通道當(dāng)作一條漏風(fēng)分支(分支10),得到如圖2所示的含漏風(fēng)分支的簡化風(fēng)網(wǎng)。
圖2 含漏風(fēng)分支的簡化礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖Fig.2 Simplified coalmine ventilation network including an air leakage branch
礦井風(fēng)網(wǎng)解算是求解以上網(wǎng)絡(luò)的方法,其數(shù)學(xué)模型包括回路風(fēng)壓平衡方程、節(jié)點(diǎn)風(fēng)量平衡方程。對于有n條邊,m個(gè)節(jié)點(diǎn)的風(fēng)網(wǎng),這2個(gè)方程分別為
(1)
(2)
式中cij為1表示分支j與回路同向,為-1表示與回路反向,等于0表示分支j不在回路i中。bij等于0表示節(jié)點(diǎn)i與分支j不相連,等于1表示分支j風(fēng)流流入i節(jié)點(diǎn),等于-1表示j分支風(fēng)流流出i節(jié)點(diǎn);Rj,Qj分別為分支j的風(fēng)阻與流量;hfj是j分支風(fēng)機(jī)風(fēng)壓,是風(fēng)量的函數(shù),Pa.
漏風(fēng)通道的風(fēng)阻R可采用固定風(fēng)量法求解。固定風(fēng)量法是將某分支風(fēng)量當(dāng)作已知,而風(fēng)阻設(shè)為未知,仍通過求解(1)(2)式組成的方程組得到該分支風(fēng)阻。漏風(fēng)通道的風(fēng)阻不易直接測定,在應(yīng)用中可以通過風(fēng)網(wǎng)解算模擬有外部漏風(fēng)時(shí)的通風(fēng)系統(tǒng),這時(shí)外部漏風(fēng)量可測得,采用固定風(fēng)量法可以求得漏風(fēng)分支風(fēng)阻。求得的漏風(fēng)分支風(fēng)阻可以應(yīng)用于開采條件相似工作面的外部漏風(fēng)通道。
2.2 均壓通風(fēng)計(jì)算模型
并且該控制系統(tǒng)主要目的是通過控制導(dǎo)軌俯仰角α從而控制小球在導(dǎo)軌上的位置x,故可針對系統(tǒng)狀態(tài)量x和α設(shè)置偏差函數(shù):
為準(zhǔn)確了解調(diào)壓風(fēng)機(jī)升壓值計(jì)算模型,將圖2所示風(fēng)網(wǎng)作為一個(gè)算例,漏風(fēng)分支10風(fēng)阻取為0.2 Ns2/m8,其它分支風(fēng)阻均取0.05 Ns2/m8,分支9關(guān)聯(lián)性能函數(shù)為hf= 3 204.2-4.909 3Q+0.025 1Q2-0.000 2Q3的風(fēng)機(jī)。有均壓措施的風(fēng)網(wǎng)如圖3所示,在分支5末端加入調(diào)壓風(fēng)機(jī)分支11(固定風(fēng)量巷);分支6設(shè)調(diào)節(jié)風(fēng)窗,采用固定風(fēng)量法求其風(fēng)阻;分支5,6初始風(fēng)量均取無漏風(fēng)時(shí)分支5的風(fēng)量。通過解算得到算例在無漏風(fēng)、有漏風(fēng)無均壓措施與有均壓措施3種情況下的風(fēng)網(wǎng)計(jì)算結(jié)果見表1.
圖3 有均壓時(shí)的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖Fig.2 Simplified coalmine ventilation network under pressure balancing ventilation
從表1計(jì)算結(jié)果可見,均壓措施將風(fēng)網(wǎng)風(fēng)量完全恢復(fù)到漏風(fēng)前的狀態(tài),漏風(fēng)分支雖然存在,但無漏風(fēng)。依據(jù)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)理論與算例計(jì)算結(jié)果可以得到以下結(jié)論。
1)漏風(fēng)分支對風(fēng)網(wǎng)風(fēng)量分配有明顯影響。漏風(fēng)分支從結(jié)構(gòu)上與進(jìn)風(fēng)井相似,當(dāng)其風(fēng)阻小到一定程度時(shí),將明顯改變原有風(fēng)量分配結(jié)果;
2)調(diào)壓風(fēng)機(jī)的應(yīng)輸出的風(fēng)壓取決于無漏時(shí)礦井通風(fēng)阻力分布。分支11的阻力(1 165.3Pa)即為調(diào)壓風(fēng)機(jī)的輸出風(fēng)壓,它等于無漏風(fēng)時(shí)分支1與分支5阻力之和,即系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)段的阻力。當(dāng)主要通風(fēng)機(jī)作壓入式工作時(shí),調(diào)壓風(fēng)機(jī)位于風(fēng)窗的下風(fēng)側(cè),風(fēng)機(jī)輸出風(fēng)壓應(yīng)等于系統(tǒng)回風(fēng)段的阻力?,F(xiàn)場觀測可知同一時(shí)刻、同一標(biāo)高下不同地點(diǎn)的地面大氣壓相差很小,因此礦井通風(fēng)阻力、礦井內(nèi)外固定兩點(diǎn)間的壓差不會(huì)隨著地面大氣壓的變化而變化。因此從通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)理論、算例分析和地面氣壓變化規(guī)律可以得到,采用“風(fēng)窗-風(fēng)機(jī)”聯(lián)合調(diào)壓防治外部漏風(fēng)時(shí)調(diào)壓風(fēng)機(jī)動(dòng)力取決于礦井通風(fēng)阻力分布;
3)有漏風(fēng)無均壓時(shí),漏風(fēng)分支阻力(漏風(fēng)動(dòng)力)與風(fēng)量取決于整個(gè)風(fēng)網(wǎng)參數(shù)。在漏風(fēng)狀況下漏風(fēng)分支阻力小于無漏風(fēng)時(shí)井內(nèi)外的壓差,漏風(fēng)量越大差別越大;但分支阻力與風(fēng)量取決于整個(gè)風(fēng)網(wǎng)的風(fēng)量分配。因此在有漏風(fēng)狀下觀測到的工作面與地表的風(fēng)流能量差不能作為調(diào)壓風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓參考值。
表1 算例風(fēng)網(wǎng)在3種情況下的解算結(jié)果
3.1 采煤工作面及均壓方案概況
紅柳林煤礦采用中央分列式通風(fēng)方式,抽出式通風(fēng)方法,主斜井、副斜井、措施立井進(jìn)風(fēng),回風(fēng)斜井回風(fēng)。礦井總排風(fēng)量250 m3/s,通風(fēng)總阻力1 680 Pa.15207采煤工作面走向長度2 600 m,傾斜長度350 m,工作面由兩進(jìn)一回3條順槽構(gòu)成,順槽斷面均在22 m2左右,具體布置如圖4所示。當(dāng)采空區(qū)發(fā)生大規(guī)模漏風(fēng)時(shí),工作面的進(jìn)風(fēng)順槽將會(huì)出現(xiàn)微風(fēng),甚至風(fēng)流反向現(xiàn)象,嚴(yán)重影響礦井通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定。均壓方案的調(diào)壓風(fēng)機(jī)安設(shè)在兩條進(jìn)風(fēng)順槽口,風(fēng)機(jī)通過硬質(zhì)鐵風(fēng)筒穿過兩道行人風(fēng)門。15207工作面設(shè)計(jì)配風(fēng)量26.7 m3/s;由于工作面產(chǎn)量大,主運(yùn)輸膠帶及支架穿過風(fēng)門的洞口面積較大,設(shè)計(jì)其漏風(fēng)量控制在13.3 m3/s.故整個(gè)均壓區(qū)域需風(fēng)量設(shè)計(jì)為60 m3/s.
圖4 采煤工作面通風(fēng)系統(tǒng)Fig.4 Ventilation system through a coal face
3.2 均壓方案計(jì)算結(jié)果
通過現(xiàn)場測定與網(wǎng)絡(luò)解算軟件[15-16]模擬得到:采空區(qū)外部漏風(fēng)分支風(fēng)阻為0.290 1 Ns2/m8;15207工作面按設(shè)計(jì)配風(fēng)量計(jì)算得出在采空區(qū)無外部漏風(fēng)情況下從進(jìn)風(fēng)井口到15207工作面進(jìn)風(fēng)順槽口通風(fēng)阻力為330 Pa,因此調(diào)壓風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)升壓值取為300 Pa;回風(fēng)巷調(diào)節(jié)風(fēng)門開口面積為1.2 m2.
由于采掘接續(xù)的變化,礦井配風(fēng)方案也會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化,這將導(dǎo)致礦井通風(fēng)阻力分布的變化。根據(jù)觀測15206工作面回采期間,其進(jìn)風(fēng)路線上的通風(fēng)阻力最大達(dá)到580 Pa,其最大外部漏風(fēng)量達(dá)到50 m3/s.根據(jù)對礦井采掘接續(xù)的分析,礦井進(jìn)風(fēng)段最大通風(fēng)阻力不會(huì)超過600 Pa.
3.2.2 風(fēng)機(jī)選型
對礦井主要使用的2×37 kW與2×55 kW局部通風(fēng)機(jī)進(jìn)行了性能分析,其最大排風(fēng)量分別為10 m3/s與13.3 m3/min,故確定采用2×55 kW局部通風(fēng)機(jī)作為調(diào)壓風(fēng)機(jī),根據(jù)需風(fēng)量確定共需3臺。圖5中原始曲線是單臺選定風(fēng)機(jī)的性能曲線,并聯(lián)曲線是按照風(fēng)壓相等、風(fēng)量相加的原則得到的3臺風(fēng)機(jī)并聯(lián)后的性能曲線。從圖可以看出,局部通風(fēng)機(jī)具備風(fēng)量穩(wěn)定、風(fēng)壓調(diào)節(jié)范圍大的特點(diǎn),正適應(yīng)調(diào)壓風(fēng)機(jī)的要求,且本均壓方案中提出的調(diào)壓值對于當(dāng)前風(fēng)機(jī)而言是處于其低阻區(qū),完全可以滿足本方案的需要。
圖5 調(diào)壓風(fēng)機(jī)性能曲線Fig.5 Performance curves of pressure adjusting fans
為保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,在兩個(gè)進(jìn)風(fēng)順槽中各安裝一套調(diào)壓風(fēng)機(jī),每套包括3臺局部通風(fēng)機(jī),一套運(yùn)行,另一套備用。
3.2.3 皮帶洞口漏風(fēng)分析
由于工作面運(yùn)輸?shù)男枰?,皮帶穿過風(fēng)門的洞口將產(chǎn)生大量的漏風(fēng),會(huì)嚴(yán)重影響風(fēng)機(jī)升壓效果。根據(jù)調(diào)節(jié)風(fēng)窗開口計(jì)算公式[1],對洞口的漏風(fēng)量進(jìn)行驗(yàn)算,得到在不同壓差與不同開口條件下皮帶洞口的漏風(fēng)量見表2.計(jì)算結(jié)果表明應(yīng)將皮帶洞口漏風(fēng)面積控制在0.5 m2左右。
表2 皮帶洞口漏風(fēng)量
3.3 方案實(shí)施與效果檢驗(yàn)
1)無均壓措施時(shí),采空區(qū)外部漏風(fēng)情況。15207工作面在回采15 d后,采空區(qū)初次跨落,外部漏風(fēng)達(dá)到20 m3/s,1個(gè)月后至實(shí)施均壓措施前工作面外部漏風(fēng)維持在23.3 m3/s左右;
2)實(shí)施效果。均壓系統(tǒng)啟用后,測得:均壓風(fēng)機(jī)總排風(fēng)量為38.3 m3/s,進(jìn)風(fēng)順槽風(fēng)機(jī)增壓200 Pa,運(yùn)輸皮帶洞口漏風(fēng)11.1 m3/s;15207工作面輔運(yùn)、膠運(yùn)順槽總進(jìn)風(fēng)27.2 m3/s,回風(fēng)順槽回風(fēng)量30.7 m3/s.實(shí)測數(shù)據(jù)表明采空區(qū)外部漏風(fēng)減至3.5 m3/s,可見均壓通風(fēng)有效防止了采空區(qū)的大規(guī)模外部漏風(fēng)。
基于對均壓防治采空區(qū)外部漏風(fēng)計(jì)算模型的分析與應(yīng)用,成功解決了紅柳林煤礦采煤工作面采空區(qū)大規(guī)模外部漏風(fēng)的難題,得到以下結(jié)論。
1)分析總結(jié)了均壓防治采空區(qū)外部漏風(fēng)技術(shù)的計(jì)算方法。用均壓通風(fēng)的原理分析了外部漏風(fēng)的均壓防治方案,基于礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算原理,得到:無外部漏風(fēng)狀態(tài)下,從進(jìn)風(fēng)井口到漏風(fēng)工作面的通風(fēng)阻力是確定調(diào)壓風(fēng)機(jī)升壓值的關(guān)鍵參數(shù);地面氣壓變化對外部漏風(fēng)量沒有明顯影響;
2)常用的局部通風(fēng)機(jī)可以滿足均壓通風(fēng)調(diào)壓風(fēng)機(jī)的要求。局部通風(fēng)機(jī)風(fēng)量變化小,風(fēng)壓可調(diào)范圍大的特點(diǎn)適應(yīng)了調(diào)風(fēng)壓機(jī)要求風(fēng)量穩(wěn)定、風(fēng)壓可調(diào)的需求,2至3臺局部通風(fēng)機(jī)可滿足常規(guī)采煤工作面區(qū)域的均壓通風(fēng)要求;
3)均壓通風(fēng)是防治淺埋深采空區(qū)外部漏風(fēng)的有效手段。采空區(qū)外部漏風(fēng)是陜北煤礦普遍面對的技術(shù)難題,紅柳林煤礦是陜北地區(qū)典型的特大型礦井,文中的成功應(yīng)用對同類礦井有借鑒意義。
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A pressure balancing ventilation method to prevent the significant external air leakage through a gob area of a shallow-buried coal mine
CHEN Wan-sheng1,2,LI Chao1,CHEN Xiao-sheng1,2,WU Feng-liang2,3
(1.ShenmuHongliulinMiningCo.,Ltd.ofShanmeiGroup,Yulin719300,China; 2.CollegeofEnergyScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China; 3.KeyLaboratoryofWesternMineExplorationandHazardPrevention,MinistryofEducation,Xi’an710054,China)
To predict exactly the pressures of regulating fans that are used to prevent external air leakages by balancing the pressure between the working face and the ground surface,a pressure balancing ventilation method is studied based on the theory of coalmine ventilation network calculation.The characteristics of pressure balancing theory’s application to preventing internal and external air leakage of coal mines are analyzed to facilitate the establishment of a pressure balancing calculation model to prevent external air leakages of coalmine.The results show that the pressure increase depends on the distribution of coalmine’s ventilation resistance.The data observed on site shows the current status of external air leakage due to the extraction of shallow buried coal seam in Hongliulin coal mine area,which is used to evaluate the impact of external air leakage on the stability of coal mine’s ventilation system.By using the software of coalmine’s ventilation network calculation,a plan that combines pressure regulating fans and air windows is designed to determine the pressure drops of branches involving both external air leakage branch through the gob area and that in the intake airflow section of the ventilation system of Hongliulin coalmine.In this way the pressure needed to be increased as well as the air windows’parameters of airflow regulation are calculated.The application of this plan has achieved the expected effects,which validates the pressure balancing technology,which has a referencing significance to coalmines with similar conditions.
pressure balancing ventilation;external air leakage;shallow-burried;ventilation network calculation
2015-06-10 責(zé)任編輯:劉 潔
國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51204135)
陳萬勝(1983-) ,男,陜西寶雞人,助理工程師,E-mail:15038537@qq.com
10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0511
1672-9315(2015)05-0591-06
TD 722
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