井巷工程断面设计圆弧拱断面设计.docx
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井巷工程断面设计圆弧拱断面设计
《井巷工程》课程设计
运输大巷直线段断面设计与施工
学校：
河南理工大学
专业：
土木工程学院
班级：
土木单招10-1班
姓名：
苏瑞福
学号：
311007070118
指导老师：
朱昌星
日期：
2013年10月
前言
煤炭工业是国民经济中的基础工业，它为许多重要工业部门提供原料和能源。
我国能源结构以煤为主的格局在今后较长的一段时间内不可能改变，国民经济的发展将对煤炭产业的增长提出更高的要求。
而煤炭工业生产的发展，又取决于煤炭工业基本建设及开拓延伸工作能否及时的、持续不断的提供煤炭的场地。
所以为了更好的将所学到的知识运用到实践当中，学习井巷课程设计是《井巷工程》课程的重要环节之一。
为了使我们对《井巷工程》这门课程中所学的基本知识、基本理论及基本方法有个全面系统的掌握，并进行井巷设计和施工设计。
通过本设计，我们将对《井巷工程》课程有个深入的全面的了解，并学会利用各种工具书及参考文献资料，我们以团队协作的方式来解决设计中相关的问题。
其任务是设计巷道断面施工图和巷道施工技术措施。
通过设计来巩固学生所学的专业理论知识，使学生掌握巷道断面施工图和巷道施工措施的设计内容和编制方法，是学生得到一次分析和解决工程技术问题能力的基本训练，并且进一步提高学生的运算和绘图能力，培养学生独立阅读资料、掌握技术信息和编写技术文件的能力。
由于编者水平有限，不足之处在所难免。
希望读者能给与批评或指正，在此先道一声谢谢！
请直接与本书的责任编辑联系。
第一章.巷道断面设计
1.1选择巷道断面形状
1.2确定巷道净断面尺寸
1.3确定巷道设计掘进断面尺寸和计算掘进断面尺寸
1.4布置水沟和管线
1.5计算巷道进工程量及材料消耗
1.6绘制巷道断面施工图、编制巷道特征表和每米巷道工程量及材料消耗表
第二章.钻眼爆破工作
2.1选择钻眼机具
2.2选择爆破器材
2.3编制巷道掘进爆破图表
2.4钻眼爆破的安全事项
第三章.巷道掘进的通风工作
3.1确定通风方式
3.2选择局扇和风筒
3.3通风设备的布置
3.4通风管理工作
第四章.岩石装运工作
4.1岩石装运工作的重要性
4.2装岩机型号和数量的确定
4.3确定巷道掘进调车和运输方式
4.4装岩机与调车设备在巷道中的布置
第五章.支护工作
5.1临时支护
5.2巷道永久支护
5.3永久支护技术措施及质量要求
第六章.巷道掘进的辅助工作
6.1工作面压风和水的供应
6.2工作面排水
6.3工作面供电
6.4工作面测量工作
6.5其它辅助工作
第七章.编制巷道施工循环图表
7.1确定循环作业方式
7.2确定一循环各工序的工作量
设计条件
某煤矿年设计生产能力90万t吨，采用立井开拓方式，巷道断面采用圆弧拱形状设计，属高瓦斯矿井，采用中央分列式通风，井下最大涌水量为450m3/h；第二水平东运输大巷长度1600m，服务年限为25年；通过的流水量为160m3/h，风量为40m3/h；采用直流架线ZK7-9/550电机车牵引3.0t矿车运输。
巷道内铺设一趟直径Φ为200mm的压气管和一趟直径Φ为100mm的供水管。
设计的大巷穿过中等稳定岩层，岩石坚固性系数
=4~6。
试设计该运输大巷直线段的断面，并计算单位工程掘进工程量和材料消耗量，绘制巷道断面施工图。
第一章.巷道断面设计
巷道断面设计是矿井开采设计中的一个重要组成部分，贯穿矿井服务年限，属于施工图设计的范畴。
设计的巷道断面直接作为井下巷道施工的依据，也是进行井下工程概预算的依据。
巷道断面设计的原则是：
在满足安全、生产和施工要求的条件下，力求提高断面利用率，取得最佳的经济效果。
巷道断面设计的内容与步骤是：
首先，根据巷道的服务年限、用途和围岩性质，选择巷道断面形状和支护方式；其次，根据巷道中多通过的设备尺寸、支护参数与道床参数、通风量和行人要求等确定巷道净断面尺寸（并进行风速验算），计算巷道的设计掘进断面的尺寸，并按允许的超挖值，求算出巷道的计算掘进断面尺寸；然后，布置水沟和管缆；最后绘制出巷道断面施工图，编制巷道特征表和每米巷道工程量及材料消耗表。
1.1选择巷道断面形状
年产量90万t吨矿井的第二水平运输大巷，一般服务年限在25年以上，采用900mm轨距双轨道运输的大巷，其净断面宽在3m以上，有穿过砂岩、泥岩为主的中硬岩层，故选用螺纹钢树脂锚杆与锚喷混凝土支护，圆弧拱形端面。
1.2确定巷道净断面尺寸
（一）确定巷道净宽度B
查表3-2知ZK7-9/550电机车宽A1=1360慢慢，高h=1550;3.0t矿车宽1200mm，高1400mm。
根据《煤矿安全规程》，取巷道人行道宽c=840mm，非人行道一侧宽a=440mm。
又查表3-3知本巷双轨中线距b=1600mm，两侧电机车之间距离为
1600-（1360/2+1360/2）=240mm>200mm
故巷道净宽度:
B=a1+b+c1=（400+1360/2）+1600+（1360/2+840）=4200mm
（二）确定巷道拱高h0
圆弧形巷道拱高h0=B/3=1400mm
圆弧形巷道半径：
由勾股定理（R-B/3）2+（B/2）2=R2得
R=13B/24=2275mm
（三）确定巷道高h3
1、按架线电机车导电弓子要求确定h3
由《井巷工程》表3-8中圆弧拱形巷道壁高公式得
式中h4——轨道起电机车架线高度，按《煤矿安全规程》取h4=2000mm
hc——道床总高度。
查表《井巷工程》表3-10选择30kg/m钢轨，在查表3-5的hc=410mm，道砟高度hb=220mm
n——导电弓子距壁安全距离，取n=300mm
K——导电弓子宽度之半，K=718/2=359,取K=360mm
b1——轨道中线与巷道中线间距，b1=B/2-a2=2100-（400+1360/2）=1020mm
所以h3=2410+875-1413=1872mm
2、按管道装设要求确定h3
式中h5——道砟面至管子底高度，按《煤矿安全规程》取h5=1800
h7——管子悬吊件总高度，取h7=900mm
m——导电弓子距管子间距，取m=300mm
D——压气管法兰盘直径，D=335mm
B2——轨道中线与巷道中线间距，b2=B/2-c1=2100-（1360/2+840）=580mm
所以h3=2920+875-1788=2007mm
3、按人行道高度要求确定h3
式中，j为距巷道壁的距离。
距墙壁j处的巷道有效高度不小于1800mm。
j>=100mm，一般取200mm
所以h3=2020+875-1252=1643mm
综上计算，并考虑一定的余量、确定本巷道壁高为h3=2100mm，则巷道高度为H=h3-hb+h0=2100-220+1400=3280mm
（四）确定巷道净断面积S和净周长P
由《井巷工程》查表3-8得净断面积
S=B*（0.24B+h2）
式中h2——道砟面以上巷道壁高，h2=h3-hb=2100-220=1880mm
所以S=4200*（0.24*4200+1880）=12129600mm2=12.1m2
净周长P=2.27*4200+2*1880=2.27*4200+2*1880=13294mm=13.3m
（五）由风速校核巷道净断面积
由《井巷工程》查表3-9，知Vmax=8m/s，已知通过大巷风量Q=40m3/s,代入公式v=
=
=3.30m/s<8m/s
设计的大巷净断面面积，风速没有超过规定，可以使用。
1.3确定巷道设计掘进断面尺寸和计算掘进断面尺寸
（一）选择支护参数
采用锚喷支护，根据巷道净宽4.2m、穿过中等稳定岩层、服务年限为25年等条件，确定选用锚固可靠、锚固力大的树脂锚杆，杆体为Φ18mm螺纹钢，每孔安装两个树脂药卷，锚固长度≥700mm，设计锚杆预紧力≥40kN，锚固力≥80kN。
锚杆长度2.0m，成方形布置，其间排距0.80m×0.80m，托板为8mm厚150mm×150mm的方形钢板。
喷射混凝土层厚
=100mm，分两次喷射，每次各喷50mm厚。
故支护厚度T=
=100mm。
锚杆支护的作用原理：
1、悬吊理论2、组合梁理论3、组合拱理论4、最大水平应理论
喷射混凝土的机理：
1、加固与防治风化作用2、改善围岩应力状态作用3、柔性支护结构作用4、与围岩共同作用
锚喷支护是锚杆与喷射混凝土联合支护的简称，二和又可单独使用，成为锚杆支护与混凝土支护。
锚杆支护还可与金属网联合进行支护。
它具有施工速度快、施工机械化高、成本低及节约材料等优点。
本巷道穿过坚固性系数为4~6的中等稳定的岩层，因此我们选择的是锚喷支护。
（二）选择道床参数
根据巷道通过的运输设备，已选用30kg/m钢轨其道床参数hc与hb分别为410mm和220mm，道砟面至轨道面高度为ha=hc-hb=410-220=190mm，采用钢筋混凝土轨枕。
（查表3-5与3-10与3-11）
道床参数的选择是指钢轨型号,轨枕规格和道咋高度三者的确定。
下面可根据图表说明道床参数。
常用道床参数
表1-2
巷道类型
钢轨型号/kg·ｍ－１
道床总高度ｈｃ
道咋高度ｈｂ
道咋面至枕轨面垂高ｈａ
井底车场及主要运输巷道
３０
４１０
２２０
１９０
２２
３８０
２２０
１６０
采区运输巷道
上，下山
２２
３８０
可不铺道砟，轨枕沿底板浮放，也可在浮放轨枕两侧充填掘进矸石
１５
３５０
运输巷，回风巷
１５
２５０
钢轨型号是以每米长度的重量来表示的。
煤矿常用的型号是15，22,30和38ｋｇ／ｍ。
钢轨型号是根据巷道类型，运输方式及设备，矿车容积与轨枕来选用。
对轨道敷设的要求是：
钢轨的型号应与行驶车辆的类型相适应，轨道敷设应平直，且具有一定的强度和弹性；在弯道处，轨道连接应光滑，接运输巷道内同一线路必须采用同一型号的钢轨；道岔的型号不得低于线路的钢轨型号；在倾角大于15°的巷道中，轨道的辅设应采取防滑措施。
轨枕的类型和规格应与选用的钢轨型号相适应。
矿井多使用钢筋混凝土轨枕或木轨枕，个别地点也有用轨枕的。
混凝土轨枕主要用于井底车场，运输大巷，上（下）山和中巷；木轨枕主要用于道岔等处，钢轨枕主要用于固定道床。
由于预应力钢筋混凝土轨枕具有较好的抗裂性和耐久性，构建刚度大，节约木料，造价低等优点，所以应大力推广使用。
常用的轨枕规格见表1-3。
常用轨枕规格
表1-3单位：
mm
轨枕类型
轨距
轨型/kg·ｍ－１
全长
全高
上宽
下宽
木轨枕
600
15
22
1200
1200
120
140
120
130
150
160
900
15
22
1160
1600
120
140
120
130
150
160
钢筋混凝土轨枕
600
15或22
1100～1200
120～150
110～130
140～170
900
≥30
1500～1600
150～200
140～160
180～250
预应力钢筋混凝土轨枕
600
15或22
1200
115
100
140
道咋道床有钢轨及连接件，轨枕，道咋等组成。
道咋道床的优点是施工简单，容易更换，工程造价较低，有一定的弹性和良好的排水性，并有利于轨道调平。
但在生产过程中，煤，岩粉洒落在道床上之后，使其弹性降低，排水受到阻碍，可能影响机车正常运行。
只要加强维修，这种道床完全能够满足机车运行要求。
道砟应选用坚硬和不易风化的碎石或卵石，粒度以20~30MM为宜，并不得参有碎末等杂物，使其具有适当空隙度，以利排水和有良好的弹性。
道砟的高度以应与选用的钢轨型号相适应。
在主要运输巷道，其厚度不小于100mm，并至少不轨枕1/2~2/3的高度埋入道砟内，二者关系如图3-8所示。
道床宽度可按轨枕长队再加200mm考虑。
相邻两轨枕中心线距一般为0.7~0.8m,在钢轨接头，道岔和弯道处应适当减小。
道床参数见表3-5．
为了减少维护工作量和提高列车运行速度，大型矿井，特别是采用底卸式矿车运输时，井底车场和主要运输大巷应积极推广整体道床。
固定道床一般是用混泥土整体浇注，将枕轨和道床固定在一起，这种道床具有维修工程量小，运营费用低，车辆运行平稳，运输速度高，服务年限长等优点。
因此，这种道床主要用于大型矿井的斜井井筒，井底车场和个别运输大巷的轨道铺设中。
但这种道床初期投资高，施工复杂，道床的弹性也较差。
无轨运输巷道底板的岩石强度要求ｆ＞４。
否则需铺混泥土，其强度等级不低于C20.
根据航道通过的运输设备，已选用30kg/m钢轨，其道床参数hc,hb分别为410mm和220mm，道砟面至轨道面至轨面高度ha=hc-hb=410-220=190mm,采用钢筋混凝土轨枕。
（三）确定巷道掘进断面尺寸
由《井巷工程》表3-8计算公式得：
巷道设计掘进宽度B1=B+2T=4200+200=4400mm=4.4m
巷道计算掘进宽度B2=B1+2δ=4400+2*75=4550mm=4.55m
巷道设计掘进高度H1=H+hb+T=3280+220+100=3600mm=3.6m
巷道计算掘进高度H2=H1+δ=3600+75=3675mm=36.75m
巷道设计掘进断面积S1=0.24B2+1.27BT+1.57T2+B1h3=0.24*42002+1.27*4200*100+1.57*1002+4400*2100=14022700mm2
取S1=14.0m2
巷道计算掘进断面积
S2=0.24B2+1.27BT+1.57T2+0.24T+0.1B+0.01+B2h3
=0.24*42002+1.27*4200*10+1.57*1002+0.24*100+0.1*4200+0.01+4550*2100=14338144mm2
取S2=14.4m2
1.4布置水沟和管线
（一）水沟布置
已知通过巷道的水量为160m3/h，现采用水沟坡度为5‰，由《井巷工程》查表3-12得：
水沟深度400mm，水沟净断面积为0.16m2,水沟掘进断面积为0.203m2,每米水沟盖板用钢筋1.633kg，混凝土0.0276m3,水沟用混凝土0.133m3。
一般要求下：
1、水平巷道及倾角小于16度的倾斜巷道的水沟，一般布置在人行侧。
当非人行侧有适当空间时，亦可布置水沟，但应尽量避免水沟穿越轨道和输送机。
2、在倾角大于16度的巷道中，当涌水量小或巷道较窄时，水沟与人行台阶可在巷道同侧平行或重叠布置；当涌水量较大或巷道较宽时，水沟和人行台阶可分设在巷道两侧。
3、专用排水巷道、中间设人行道的巷道、有底鼓的巷道和铺设整体道床的巷道，水沟也可布置在巷道中间。
4、巷道横向水沟，一般应布置在含水层的下方、上（下）山下部车场的上方、胶带机接头硐室的下方或出水点初。
（二）管线布置
管道的布置要考虑安全、架设与检修的方便，一般应符合如下要求：
1、管道应布置在人行道一侧，管道的架设一般采用托架、管墩及锚杆吊挂等方式，并要考虑检修的方便；若架设在人行道上方管道上方，管道下方距道砟或水沟盖板的垂直高度不应小于1800mm，若架设在水沟上，应以不妨碍水沟清理为原则。
锚喷支护的主要运输巷道，可将管路锚吊在行人侧的顶部。
2、当管道与管道呈交叉或平行布置时，应保证管道之间有足够的更换距离。
管道架设在平巷顶部是时，应不妨碍其他设备的维修与更换。
3、管道与运输设备之间必须留有不小于200mm的安全距离。
电缆布置一般有如下要求：
1、电力电缆和通讯电缆一般不要敷设在巷道的同一侧。
如受条件限制设在同一侧时，通讯电缆设在动力电缆上方0.1m以上的距离处，以防电磁场作用干扰通讯信号。
2、电缆与压风管、供水管在巷道同一侧敷设时，必须敷设在管子上方，并保持0.3m以上的距离。
3、电缆悬挂高度应保证当矿车掉道时不会撞击电缆，或者电缆发生坠落时，不会落在轨道上或运输设备上，所以电缆悬挂高度一般为1.5~1.9m，电缆到巷道顶板的距离不小于300mm；电缆两个悬挂点的间距不大于3.0m；电缆与运输设备之间距离不小于0.25m，电缆与风筒相互之间应保持0.3m以上距离。
4、高压电缆和低压电缆在巷道同侧敷设时，相互之间距离大于0.1m以上。
高压电缆之间、低压电缆之间的距离不得小于50mm，以便摘挂方便。
5、有煤尘瓦斯突出煤层中的回风巷，禁止设置动力电缆。
1.5计算巷道进工程量及材料消耗
由《井巷工程》查表3-8计算公式得：
每米巷道拱与墙计算掘进体积V1=S2*1=14.4m2
每米巷道墙脚计算掘进体积V3=0.2*（T+δ）=0.2*（0.10+0.75）*1=0.04m3
每米巷道拱与墙喷射材料消耗V2=（1.27B+1.57T+0.24）*T1+2h3=（1.27*4200+1.57*100+0.24）*100+2*2100*100=0.592m3
每米巷道墙角喷射材料消耗V4=0.2T1*1=0.2*0.10*1=0.02m3
每米巷道喷射材料消耗（不包括损失）
V=V2+V4=0.592+0.02=0.612m3
每米巷道锚杆消耗N=（P1-0.5a）/MM′
式中P1——计算锚杆消耗周长，P1=1.27B+3.14T+0.24+2h3
M、M′——锚杆间距、排距，M=M′=0.8m
所以N=（9.85-0.5*0.8）/（0.8*6）=14.77根
折合重量为：
N*[lπ（d/2）2ρ]=14.77*[2.0*π*（0.018/2）2*7850]=59.0kg
式中l——锚杆长度，l=2.0m
d——锚杆直径，d=18mm
ρ——锚杆材料密度，ρ=7850kg/m3
由于每根锚杆安装2个树脂药卷，则每米巷道树脂药卷消耗
M=2*N=2*14.77=29.54根
每排锚杆数为N*0.8=14.77*2=12根
每排树脂药卷数M*0.8=29.54*0.8=24根
每米巷道粉刷面积Sn=1.27B3+2h+0.24
式中B3——计算净宽，B3=B2-2T=4500-200=4350=4.35m
所以Sn=1.27*4.530+2*1.880+0.24=9.6m2
1.6绘制巷道断面施工图、编制巷道特征表和每米巷道工程量及材料消耗表
根据以上计算结果，按1:
50比例绘制出巷道断面图，并附加上工程量及材料消耗量表
运输大巷特征
表1-4
围岩类别
断面面积/㎡
设计掘进尺寸/mm
喷射厚度/mm
锚杆/mm
净周长/m
净断面
设计掘进
宽
高
型式
排列方式
间、排距
锚杆长
直径
Ⅲ
12.1
14.0
4.4
3.6
100
螺纹钢树脂锚杆
方形
800
2000
18
13.3
运输大巷每米工程量及材料消耗
表1-5
围岩类型
计算掘进工程量/m3
锚杆数量
材料消耗/mm
粉刷面积/㎡
巷道
墙脚
喷射材料/m3
锚杆
钢筋/kg
树脂药卷/支
Ⅲ
14.4
0.04
14.77
0.612
59.0
29.54
9.6
断面施工图
第二章.钻眼爆破工作
我国煤矿岩巷的钻眼，从手工凿岩、硝铵炸药、普通雷管，前眼爆破起步，到手持式凿岩机、液压凿岩台车、高威力水胶炸药，高精度毫秒电雷管、非电起爆器材以及各类起爆器、中深孔光面爆破，使我国凿岩爆破技术得到了长足的发展。
与此同时，凿岩机理、破岩机理、爆破技术以及施工设备的可靠性，自动化程度也有了较大的发展。
目前，钻眼爆破技术的发展趋势是中深孔、光面爆破和断裂成型（刻槽）爆破技术。
2.1选择钻眼机具
在平巷掘进中用凿岩台车代替人扶气腿式凿岩机凿岩是提高掘进工效,减轻工人劳动强度和改善作业条件的根本途径。
CGJ-2平巷掘进凿岩台车是水平巷道掘进用的凿岩设备,在两个工作大臂上共配有两台风动凿岩机（目前用YT-24凿岩机）,可用于金属和非金属矿山有轨水平巷道的掘进,同时也可用于水利、铁路及国防工程的施工。
该凿岩台车的液压凿岩机是一种液压为动力的新型凿岩机。
由于油的压力比压气压力大得多，通常都在10MPa以上，而且油带有粘性，几乎不能被压缩也不能膨胀做功，并且可以循环使用等，使液压凿岩机的构造与压气凿岩机的基本部分既相似又有许多不同之处。
液压凿岩机也是由油缸的冲击机构、转钎机构、排粉系统所组成。
其最大的优点是：
钻速提高2～3倍以上
噪声降低10～15dB
工作环境改善，油雾水汽消除了
可钻较深和大直径的炮孔。
整体钎子的特点是传递冲击能量损失小，但钎头修磨时，钎子的搬运工作量较大。
组合钎子可以更换钎头，可以提高钎杆的利用率，钎头修磨时可以减少钎杆搬运量，并有利于专门工厂研制高质量的硬质合金钎头，以适应不同岩性和凿岩机对钎头的需要。
一字型钎头的冲击力集中，凿入深度大，凿速较高，制造和修磨工艺简单，应用比较广泛。
十字形钎头一般转速比较低，而且合金片用量较大，制造与修磨工艺比一字型复杂。
，这里选用防爆型组合钎子，且规格为L（mm）：
3500；φ（mm）：
38，钎头的规格为一字型钎头，直径与钎杆吻合为φ40-φ45。
2.2选择爆破器材
（一）炸药选用
我国目前使用的，矿用炸药有硝铵类炸药和水炸药（乳化、浆化、水胶炸药），当穿过有瓦斯地段时，应采用煤矿硝铵炸药和煤矿含水炸药。
对于坚硬石可考虑采用粉状搞威力炸药。
硝铵类炸药价格较低廉，为煤矿普通使用，一般装成直径32mm、35mm、38mm，重量100g、150g、200g的药卷，有效使用期为6个月。
水胶炸药：
爆炸性能如爆速和起爆感度高，可用8号雷管直接引爆，抗水性强；可塑性好；机械感度低；威力高、有毒气体少；易离析；安全性好；且炸药密度、爆炸性能可在较大范围内进行调节，故适应性强。
本次施工采用
的水胶炸药。
（二）雷管选用
起爆器材一般采用8号雷管，延秒、半秒、毫秒等都能满足使用，但是在穿过有瓦斯的底层时，不能选用有瓦斯的雷管，毫秒延期雷管时间也不能大130ms。
《煤矿安全规程》第320条：
在采掘工作面，必须使用煤矿许用瞬发电雷管或煤矿许用毫秒延期电雷管。
使用煤矿许用毫秒延期电雷管时，最后一段的延期时间不得超过130mm。
不同厂家生产的或不同品种的电雷管，不得掺混使用。
不得使用导爆管或普通导爆索，严禁使用火雷管。
（三）发爆器的选用
发爆器（放炮器）：
井下使用。
①直流电源（1.5V干电池）②交流器（直流电源—交流高压电）③整流线路（交流高压电—直流高压电）；④充电器（直流高压电）⑤充电电压指示（主电容电压达到额定电压后，发光，可以放炮）⑥毫秒限时开关及放电回路；（毫秒限时开关接通电爆网路的时间为3—6ms，随后释放主电容的电荷）⑦防爆外壳。
巷道掘进电爆网络的起爆电源，主要采用防爆型电容式发爆器。
电容式发爆器所能提供的电流不太大，一般只用于起爆串联网络的电雷管。
MFB系列煤矿用电容式发爆器（简称发爆器）适用于具有甲烷、煤尘爆炸性气体混和物的煤矿井下，在周围环境温度为-20℃～40℃，相对湿度为95%左右时作起爆电雷管之用。
也可适用于其他矿业、开山、采石及消除障碍等爆破工程中作起爆电雷管之用。
此次施工选用型号为MFB-80A的电容式发爆器，引发能力为80/发，峰值电压为9
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