金岭铁矿开采设计毕业设计论文.docx
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金岭铁矿开采设计毕业设计论文
金岭铁矿开采设计
毕业设计论文
第一章工程概况
金岭铁矿位于淄博市境内的张店区、临淄区与桓台县交界处，西距济南110公里，东至青岛280公里。
矿区呈西南—北东向条带状展布，西南至北东方向长约20公里,东南至西北方向宽约7公里，面积约140平方公里。
金岭铁矿矿部坐落在淄博市张店区中埠镇境内，矿属的铁山分矿、选矿厂、机械厂、水泥厂以及其它生产辅助单位、工人新村与主要社区服务单位均设于此地；召口分矿位于矿部的东北方，坐落在淄博市临淄区召口乡境内，距离金岭铁矿矿部约6公里；侯庄分矿位于矿部西北方，坐落在张店区与桓台县交界处的侯庄乡境内，距离金岭铁矿矿部约9.5公里。
金岭铁矿交通条件优越。
胶济铁路与309国道从矿区南侧通过，济青（济南—青岛）高速公路纵贯矿区东西，东、西两侧分别有辛桓（辛店—桓台）公路和205国道，矿区至淄博火车站15公里，至金岭镇火车站7公里，有铁路支线相通，可直达济南、青岛、烟台、潍坊、滨洲等省内主要城市，贸易往来、交通运输十分方便。
矿区至淄博市政府所在地张店以及矿区内部都有公路相通，交通便利。
区域气候属北温带大陆季风气候，四季分明，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥。
年内主导风向为南南西和南西。
多年平均气温为12.9℃，历年最高气温为42.1℃，最低气温为–23℃。
1986—2000年，最高气温为40℃，最低气温为–18℃，平均气温13.6℃。
降水多集中于6—9月份，据气象资料显示，1986年以来，年最大降水量为856.2毫米，年最小降水量为250.9毫米，月最大降水量为363.8毫米，月最小降水量为零，历年平均降水量为595.89毫米。
多年平均相对湿度为61%，平均蒸发量为2080.46毫米，平均气压为1012.7百帕。
全矿由铁山矿床、北金召矿床、北金召北矿床、侯家庄矿床、王旺庄矿床以及东召口矿床等大小十几个矿床组成，已探明生产矿区铁矿石地质储量5015万吨，其中：
工业储量3907万吨，远景储量1108万吨。
矿区主要含水层为中奥陶统灰岩及第四系砂卵石层，水平富水性不均匀，剖面上富水性呈上强下弱之式，水源补给不充分，以静储量为主。
第二章变形点的分类情况
按照《工程测量规范》的要求
第9.1.3条 变形测量点，宜分为基准点、工作基点和变形观测点。
其布设应符合下列要求：
1）每个工程至少应有2-3个稳固可靠的点作为基准点；
2）工作基点应选在比较稳定的位置。
对通视条件较好或观测项目较少的工程，可不设立工作基点，在基准点上直接测定变形观测点；
3）变形观测点应设立在变形体上能反映变形特征的位置。
工作基点应选在位置牢固、点位可靠、距测区不超过两千米的地方。
由于监测体的滑动、坍塌，部分点位可能在监测过程中被破坏，同一个监测体上的点位变形大小、方向可能有差异，因此，可以采用双工作基点法对一个点同时监测，不同监测点间不发生计算上的矢量关系。
因为本次变形监测中基准点和工作基点上要建立GPS网，所以基准点与工作基点的布设还需要满足GPS点的布设原则：
1）周围应便于安置接收设备和操作，视野开阔，视场内障碍物的高度角不宜超过
；
2）远离大功率的无线电发射源（如电视台、电台、微波站等），其距离不小于200m；远离高压输电线和微波无线电信号传送通道，其距离不得小于50m；
3）附近不应有强烈反射卫星信号的物件（如大型建筑物等）；
4）交通方便，且有利于其他测量手段的扩展和联测；
5）地面基础稳定，易于点的保存；
6）AA、A、B级GPS点，应选在能长期保存的地点；
7）充分利用符合要求的旧有控制点；
8）选站时应尽可能使测站附近的小环境（地形、地貌和植被等）与周围的大环境保持一致，以减少气象元素的代表性误差。
结合工程实际条件，本次变形监测布设2个基准点，4个工作基点和58个变形点。
点位布设如下图3-1所示：
监测网由2个基准点B1、B2和4个工作基点G1、G2、G3，G4组成，网中独立基线有：
B1-B2、B1-G1、B1-G2、B1-G3、B1-G4、G3-B2、G1-G3、G3-G2、G3-G4、G1-B2、G1-G2、G1-G4、G4-G2、G4-B2，B2-G2。
其中最长基线B1-G2的长度为1950m，最短基线G1-G4的长度为627m，均小于20km，所以每两个相邻网点必须进行同步观测。
同时，对于网形强度不好的同步观测应该予以剔除，因为这样的同步观测四台接收机上的公共卫星数目往往达不到要求，所测出来的数据是不可靠的。
因此，在同步观测方案设计中，应尽量避免有三点近似在一条直线上的情况。
为了减少工作量，可以合理设计观测时段的顺序，使两相邻观测时段只需搬站一次或两次。
通过严密分析，设计GPS测量方案如表3.3
GPS测量方案
表3.3
观测序号
接收机的布设点位
采样间隔
观测时段
1
B1、B2、G1、G4
30S
240min
2
B1、B2、G1、G3
3
B1、B2、G3、G4
4
B1、B2、G3、G2
5
B2、G1、G4、G2
6
B1、B2、G4、G2
7
B1、G3、G4、G2
8
B1、G1、G3、G2
9
B1、G3、G4、G1
根据与相似工程类比，预计本次GPS测量中基准点中误差在2mm左右，工作基点的大地高测量中误差在2-3mm，能够满足局部变形监测技术规范的要求。
按照该测量方案构成的GPS网形如图3-2所示：
按照中华人民共和国国家标准《三、四等水准测量规范》
第9.3.1条 垂直位移的监测网，可布设成闭合环、结点或附合水准路线等形式。
第3.2.2条 水准测量所使用的仪器及水准尺，应符合下列规定：
1）水准仪视准轴与水准管轴的夹角，DS1型不应超过15″，DS3型不应超过20″；
2）水准尺上的米间隔平均长与名义长之差，对于因瓦水准尺，不应超过0.15mm，对于双面水准尺，不应超过0.5mm；
第3.2.3条 水准点应选在土质坚硬、便于长期保存和使用方便的地点。
墙水准点应设于稳定的建筑物上，点位应便于寻找、保存和引测。
在一个测区内至少应有3个水准点。
水准点间的距离，一般地区应为1～3km，工厂区宜小于1km。
第3.2.4条 各等级的水准点，应埋设水准标石。
第3.2.5条 各等级的水准点，应绘制点之记，必要时设置指示桩。
第3.2.6条 水准观测应在标石埋设稳定后进行。
三等水准测量每公里水准测量偶然中误差和全中误差分别为3.0mm、6.0mm路线长度不大于50km。
三等水准测量允许的视线长度应不大于75m，单站前后视距不等差应小于等于2m，测段累计前后视距不等差应小于等于5m。
采用中丝读数法测量时，同尺黑红面读数差应小于2mm，同站黑红面所测高差之差因小于3mm。
一个测段的往测和返测，其仪器设站数均应为偶数，由往测转向返测时，两水准尺必须互换位置，以消除由于水准尺带来的误差。
计算高程时，中间转点高程可以不计算，只计算需要复测和引测的水准点高程，各水准点高程记至毫米，采用“四舍六入，五看奇偶，奇进偶不进”的原则。
工作间歇时，应选择两个坚实可靠的固定点作为间歇点，在间歇点上做上标记，间歇后应进行检测。
第三章变形监测网的质量标准
用什么标准来衡量监测网的质量的好坏，不仅取决于工程的性质和要求，而且取决于标准的制定是否合理。
通常用一些数值指标来描述，即如下4类质量指标：
精度，可靠性，灵敏性和经济。
3.1控制网的精度分析
精度指标是描述误差分布的离散程度的一种量度，常用方差或均方差来描述。
对于一般的控制网，均可以用高斯—马尔柯夫模型来描述。
公式（1-1）
式中L是n维观测向量（通常选择控制网中待定点的高程或坐标作为未知参数），A为系数矩阵，
=P为权阵，
为单位权方差，D（L）和E（L）分别为L的方差和数学期望。
未知参数的方差阵Dxx或协因数阵Qxx在控制网的精度评定中起着非常重要的作用，所需的各种精度指标都可以由它导出来。
因此，可以认为Dxx或Qxx包含了控制网的全部精度信息，我们称它为控制网的精度矩阵。
显然，用精度矩阵就可以完整地描述控制网的精度情况。
但是，就实际应用来说，这样做会带来一些不便，因为我们很难直接的将两个不同的精度矩阵进行比较，从而判别出哪个精度高哪个精度低，我们需要抽取精度矩阵的一部分信息，定义一些数值指标，由此来作为比较精度高低的标准。
3.2控制网的可靠性指标
可靠性是指控制网探测观测值粗差和抵抗残存粗差对平差成果影响的能力，它分为内部可靠性和外部可靠性。
内部可靠性是指某一观测值中至少必须出现多大的粗差
（下界值），才能以所给定的检验功效
在显著水平
的统计检验中被发现。
外部可靠性是指无法探测出来（小于
）而保留在观测数据中的残存粗差对平差结果的影响。
由于内、外可靠性均与多余观测分量
有关，当显著水平
和检验功效
一定时，它们完全随多余观测分量的变化而变
化。
因此，多余观测分量可以作为评价内、外部可靠性的公共指标。
当多余观测分量
较大时，其内、外部可靠性也一定较好，反之亦然。
多余观测分量
不仅代表了该观测值在总的多余观测中所占的地位，而且也可以作为可靠性评价中的一个重要量度——局部可靠性。
同样，多余观测数愈大，表明其对发现粗差愈有利。
我们也可以用多余观测的平均值作为另一可靠性量度——整体可靠性指标，其公式为：
公式（1-2）
在控制网设计阶段，根据网的类型，能够对观测值起良好控制的网，其多余观测分量应该满足：
0.2~0.5
3.3控制网的灵敏度指标
变形监测网的灵敏度是用来描述监测网发现变形体在某一特定方向上的变形的能力。
因此，灵敏度可作为变形监测网的主要质量指标。
当网中点只有部分点或单点可能发生变动时，可只对动点进行
检验，从而得出网的局部灵敏度与单点灵敏度。
第四章观测周期
观测时段和周期的设计
针对观测时段和周期，可以将工程及工程变形的性质（如剧烈变化、连续较快变化、长时期的缓慢变化等）结合起来，作出有利用于实现分析成果和监测意图的最佳观测周期，结合目前天空的卫星分布情况，分析卫星的健康状况，对时段的长短、白天或黑夜、气象等外界因素的综合分析，得出最佳的观测时段。
平面和高程监测网，应定期检测。
建网初期，宜每半年检测一次；点位稳定后，检测周期可适当延长。
当对变形成果发生怀疑时，应随时进行检核。
制定变形观测方案之前，需要详尽地调查工程的地质条件和周围的环境，也要全面地考虑观测的成本、成果的精度和可靠性。
根据工程的实际条件，确定合理的观测精度，选择合适的方法和观测仪器。
确定合理的观测精度是非常重要的，既要能便于变形分析和及时发现危险变形，又能使费用降到最低，这就需要对变形监测网进行优化设计。
变形监测一般要在变形体上布设变形点，在变形影响范围之外布设基准点，合适的时候也可以布设工作基点。
点位的布设必须安全、可靠，便于长期监测。
在敏感区域和变形特征较为严重的地区要适当的多布变形点，在危险区域要尽量避免人员进入，最好用航空摄影测量或者遥感摄影测量进行监测。
变形监测的周期取决于变形的大小、速度以及观测的目的。
当变形量较大时，应增大监测频率；当变形量减小或趋于稳定时，可适量减小监测频率。
变形监测所采用的仪器要根据精度要求和实际条件来定，一般用于变形监测网的仪器精度都要求比较高，基准点的精度要比变形点的精度高。
第5章日常观测点仪器及精度要求
变形监测方案的制定必须建立在对工程场地的地质条件、施工方案、施工环境的详尽的调查了解基础之上，同时还需与工程建设单位、施工单位、监理单位以及有关部门进行协调。
一般地，变形监测方案制定的主要内容有：
监测内容的确定，监测方法、仪器和监测精度的确定、施测部位与测点的布置和监测周期的确定。
5.1监测的内容
矿区变形的监测强调全面监测与重点监测相结合，全面监测要求在全矿区均匀布点，而重点监测要求在重点监测区域（矿山生产活动频繁及建筑物密集的区域）加密布点，因此，对铁山矿区采空区上方的地表沉陷和在采空区外围的3座烟囱做重点监测，对矿区外围、张家庄和工人新村做一般监测。
5.2监测的方法
常规的变形监测的手段，由于受仪器和地形条件等其它因素的限制，使监测网的基准点不能离开变形监测区域太远，而且又必须顾及离变形监测区域太近时受自身变形的影响，不能准确地反映变形。
GPS技术的引进，高精度的GPS仪器的使用，使得这一问题就比较容易解决了。
我们完全可以将基准点选在变形区域外，从而保证了数据的可靠性。
要解决GPS垂直位移监测精度的问题，需要详细地分析误差的来源以及减弱或消除误差的办法。
结合工程实际条件，经过仔细分析，针对该矿区应当建立独立的垂直位移监测网，采用GPS测量和常规水准测量相结合的办法。
每次观测前，应对所使用的仪器和设备进行检验校正，并作详细的记录。
每次变形观测时，宜符合下列要求：
1）采用相同的图形（观测路线）和观测方法；
2）使用同一仪器和设备；
3）固定观测人员；
4）在基本相同的环境和条件下工作。
本次变形监测需要在基准点和工作基点上采用GPS静态相对定位，每个观测时段至少有一台接收机立在基准点上，GPS接收机天线采用强制对中设站，观测时段为4h。
再以各工作基点为起始水准点，对各变形点按照三等水准测量采用中丝读数法进行往返测，每测站照准标尺分划的顺序为：
1）后视标尺黑面（基本分划）；
2）前视标尺黑面（基本分划）；
3）前视标尺红面（辅助分划）；
4）后视标尺红面（辅助分划）。
用GPS接收机随机所带的平差软件TGOffice进行基线解算，采用GPSADJ软件进行网平差。
5.3用于监测的仪器
使用天宝5800双频GPS接收机，DS3水准仪和铟瓦水准标尺。
第6章变形监测网
6.1变形监测网
变形监测网一般可以分为绝对网（参考网）和相对网。
绝对网是指有部分点位于变形体外,用于测量变形体上的目标的“绝对”变形的监测网。
它的参考点往往布设在远离变形体的稳定地层或基岩上,以保证变形体上的监测点测定的位移是绝对位移。
同时，通过定期对参考网的检测来检查参考点是否稳定。
如果有不稳定的点，就将它剔除。
相对网是指网的全部点都位于变形体上，通过测量网点之间的相对位移来确定变形体的几何变形的监测网。
当变形区域很大或变形范围难以确定时,监测网只有采用相对网的形式。
比如，地壳形变监测一般布设相对网。
由于网的全部点都是布设在变形体上,所以我们不能确定单个的点发生了多大的位移，只能得到相对变形。
6.2变形监测网的优化设计
变形监测网的优化设计有两个方面的含义：
一方面，在布设控制网时，希望在现有的人力、物力和财力条件下，使控制网具备最高的精度、灵敏度和可靠性；另一方面，在满足精度、灵敏度和可靠性要求的前提下，使控制网的成本（费用）最低。
变形监测的优化设计包括以下4类设计问题：
1）基准的选择的问题：
对一个已知图形结构和观测计划的自由网，为控制网点的坐标及其方差阵选择一个最优的坐标系。
这就是在已知矩阵A和观测值的权阵P的条件下，确定网点的坐标向量X和其协因数阵Qxx，使X的某个目标函数达到极值。
因此，它也是一个平差的问题。
2）结构图形的设计的问题：
在已知观测值的权阵P的条件下，确定设计矩阵A，使网中某些元素的精度达到预定值或最高精度，或者使坐标的协因数阵最佳逼近一个给定的矩阵
（准则矩阵）。
3）观测值权的分配的问题：
已知设计矩阵A，确定观测值的权阵P，使某些元素达到预定的精度或精度最高，或者使坐标的协因数阵最佳逼近一个给定的矩阵
。
4）加密方案的设计的问题：
通过增加新点和新的观测值，以改善原网的质量。
在给定的改善质量的前提下，使改造测量工作量最小，或者在改造费用一定的条件下，使改造方案的效果最佳。
在大多数实际的优化设计问题中，往往表现为不同设计问题的综合。
6.3常用变形监测网
变形观测控制网的布设原则：
1）变形观测控制网的起算点或终点要有稳定的点位，应布设在牢靠的非变形区，为了减少观测点误差的积累，点位距观测区不能过远。
2）为便于迅速地获得观测数据，变形观测控制网的图形结构应该尽量简单。
3）在确保变形观测控制网具有足够精度的条件下，控制网应尽量布设成一次全面网，在特殊的条件下，才允许分层控制。
4）实测原则：
测量仪器设备和测量方法的选择要充分满足用户的需求。
5）控制网布设时，应尽量采用先进的技术，尽可能多地获取建筑物的变形数据，特别是绝对位移和时间信息。
6）变形监测控制网应与建筑施工网采用相同的坐标系统。
一般来说,变形监测网按观测手段的不同，可以布设成地面网、GPS网以及混合网。
6.3.1地面网
常规的地面监测网的布设方式有三角网、三边网和边角网。
一般地，水平位移监测网和垂直位移监测网要分开布设。
在测量控制网的设计方案中，边角网是一种较为理想的网型，它的图形强度较强，可靠性也较强，因此被广泛地应用于各种测量工程中。
实际上，边角网也有其本身的缺陷，因为它要受到各种物理因素和测角、测距仪器本身结构的制约，网中方向和边长观测值受到系统误差的联合影响，致使其网型达不到预期的精度，即便在观测中采用一定的措施来削弱或消除，并对观测值进行改正，其结果也仍然残存有系统误差。
一旦测角或测距受到系统误差的影响，边角网就不一定有预期的结果，甚至有时所得到的精度是虚伪的。
6.3.2GPS变形监测网
与传统的变形观测技术相比，GPS设备有许多吸引人的优点。
GPS只需固定在一个地方而不需要去读数，它测量的数据是三维的,能提供垂直方向和水平方向的变形信息。
除此之外，GPS系统非常适合于自动观测，它不仅消除了数据规范管理，人员闲置，连续监测等问题,并且在许多情况下，还能作为很好的补充设备。
正因为它在静态相对定位中的高精度、高效益、全天候、不需通视等优点，使人们逐渐采用它来代替常规的三角网、三边网以及边角网等方法，并在理论与实践中取得了可喜的成果。
由于GPS三维变形监测网要求GPS基线向量达到毫米级的精度，比常规的GPS控制网要求的精度还要高出1个数量级。
因此，在建立GPS三维变形监测网时，除要求GPS观测满足不阻挡卫星信号、远离电磁波干扰源等一般要求以外，还必须采取措施进一步提高GPS的观测精度，本文第三章将会讲到相关的内容。
6.3.3混合网
在GPS作业中经常会遇到这样的问题，许多需要布设监测点的位置接收不到GPS信号，只好布设常规的边角网，所以GPS网与地面网的联合布设在有些情况下是非常必要的。
由于GPS网和地面网不能进行统一平差，地面网只好在GPS网点下加密，这样做增加了变形监测的层次，占用了变形监测网的加密空间，不得不降低地面网的等级或提高GPS网的等级。
对原有平面监测网进行改造时，为了减少不必要的浪费，充分利用现有的测量成果资料，通常是在原有的地面网基础上再布设GPS网点，扩大控制范围，以满足变形监测的需要。
用GPS测量的方法改造旧有监测网时，通常的处理方法是对GPS网和原监测网分别进行平差，由于是分别平差，因此公共点有两组坐标，须对公共点再进行处理。
在GPS网与地面网的混合平差时，由于常规测量的边角最终都归算在参考椭球面及高斯平面上，而GPS观测值是在WGS-84坐标系上，为了统一起见，GPS网、地面网及混合网都应归化到统一的坐标系下进行混合平差。
GPS网与地面网的联合布设和混合平差,能减少控制测量的加密层次，预留足够的加密空间以便于日后的加密利用。
6.4矿区变形监测的精度要求
变形监测的等级是结合工程的需要和规范的要求如表3.1来确定的。
变形测量的等级划分及精度要求
表3.1
变形测量等级
垂直位移测量
水平位
移测量
适用范围
变形点的高程中误差（mm）
相邻变形点高差中误差（mm）
变形点的点位中误差（mm）
一等
±0.3
±0.1
±1.5
变形特别敏感的高层建筑、工业建筑、高耸构筑物、重要古建筑、精密工程设施等
二等
±0.5
±0.3
±3.0
变形比较敏感的高层建筑、高耸构筑物、古建筑、重要工程设施和重要建筑场地的滑坡监测等
三等
±1.0
±0.5
±6.0
一般性的高层建筑、工业建筑、高耸构筑物、滑坡监测等
四等
±2.0
±1.0
±12.0
观测精度要求较低的建筑物，构筑物和滑坡监测等
注：
①变形点的高程中误差和点位中误差是相对于最近基准点而言；
②当水平位移变形测量用坐标向量表示时，向量中误差为表中相应等级点位中误差的1/
；
③垂直位移的测量，可视需要按变形点的高程中误差或相邻变形点高差中误差确定测量等级。
根据表3.2，确定本次监测任务的技术要求。
垂直位移监测网的主要技术要求
表3.2
等级
相邻基准点高差中误差（mm）
每站高差中误差（mm）
往返较差、附合或环线闭合差（mm）
检测已测高差较差（mm）
使用仪器、观测方法及要求
一等
0.3
0.07
0.15
0.2
DS05型仪器，视线长度≤15m，前后视距差≤0.3m，视距累积差≤1.5m。
宜按国家一等水准测量的技术要求施测
二等
0.5
0.13
0.30
0.5
DS05型仪器，宜按国家一等水准测量的技术要求施测
三等
1.0
0.30
0.60
0.8
DS05或DS1型仪器，宜按本规范二等水准测量的技术要求施测
四等
2.0
0.70
1.40
2.0
DS2或DS3型仪器，宜按本规范三等水准测量技术要求施测
注：
n为测段的测站数。
由于铁矿的岩层性质和厚度一般较好，不像一般煤矿那样敏感，它的监测等级跟观测精度要求较低的滑坡监测相同，所以我们采用上表3.1中的四等变形测量。
按照表3.2，可以确定本次测量任务的精度要求：
相邻基准点的高程中误差为2.0mm，每站高程中误差为0.7mm，往返较差、附合或环线闭合差为1.40
，检测已测高差较差为2.0
。
局部变形监测需要用B级GPS测量，它要求闭合环或附和路线的边数不大于6，相邻点之间的平均距离为70km，相领点最小距离可为平均距离的1/3-1/2；最大距离可为平均距离的2-3倍，当网中相邻点间距离小于该级别所要求的相邻点间最小距离时，两相邻点必须直接进行同步观测。
相邻点的距离大于20km时，应采用GPS静态定位法施测。
按照B级GPS测量基本技术要求的规定：
卫星截止高度角为
，同时观测有效卫星数不小于4，有效观测卫星总数不小于9，观测时段数不小于4，静态时段长度不小于240min，静态采样间隔为30S，同步观测接收机数不小于4。
6.5监测网的稳定性分析
平均间隙法用于对监测网中不稳定的点进行检验和识别，它的基本思想是：
先进行两周期的图形的一致性检验（整体检验），如果检验通过，则确认所有参考点是稳定的。
否则，就要找出不稳定的点。
寻找不稳定点的方法是“尝试法”，依次去掉不稳定的点，计算图形不一致性的减少程度，使得图形的不一致性减少最大的那一点是不稳定的点。
排除不稳定点后再重复上述过程，直到图形一致性（指去掉不稳定点后的图形）通过检验为止。
现以第1，2周期的稳定性检验为例，每一个周期的观测成果，按秩亏的自由网平差的方法进行平差，由平差改正数可计算单位权方差的估值
公式（2-1）
公式（2-2）
在一般情况下，两个不同周期观测的精度是相等的，可以将
与
联合起来求一个共同的单位权方差估值，亦即
公式（2-3）式中
公式（2-4）
如果作假设两个周期间点位没有移动，则可从两个周期所求得的坐标差
计算另一方差估值
公式（2-5）
利用F检验法F=
公式（2-6）
在原假设Ho
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