矿山多属性环境协同作用对锚杆腐蚀的影响_吴赛赛(1).pdf

收稿日期2019-11-13 基金项目国家自然科学基金项目青年基金项目 （编号 51904220） ， 陕西省教育厅基金项目 （编号 19JK0454） 。 作者简介吴赛赛 （1990） ， 男， 副教授， 博士， 硕士研究生导师。 总第 527 期 2020 年第 5 期 金属矿山 METAL MINE 矿山多属性环境协同作用对锚杆腐蚀的影响 吴赛赛 1 朱昊天 1 张雯 1 程平 1 刘非 21 （1. 西安建筑科技大学资源工程学院， 陕西 西安 710055； 2. 西北有色地质矿业集团有限公司， 陕西 西安 710054） 摘要锚固材料失效造成围岩失稳呈现多元化特征， 其中锚固材料在服役过程中受到多属性腐蚀环境协同 作用造成其腐蚀越来越严重。锚杆腐蚀开裂频繁发生在富黏土地带， 反映出多属性环境 （包括含氧率、 地下水、 矿 物质等） 协同作用是锚杆腐蚀的重要影响因素。为了掌握锚杆在多属性环境协同作用影响下的腐蚀规律， 将锚杆 服役环境以 “腐蚀细胞” 的方式进行了实验室模拟试验。研究表明 环境中的矿物质通过离子交换增加水溶液离子 溶度， 间接加速了锚杆的腐蚀， 证明了溶液中离子浓度与腐蚀速率成正相关关系； 腐蚀是长期的过程， 经过3个月 的试验后， 大部分腐蚀产物形成于螺纹和锚杆端部， 以及被黏土与煤包裹的部位， 反映出矿物质能加速锚杆的腐 蚀； 相比于腐蚀介质仅为去离子水， 锚杆在包含黏土或者煤的试验环境中腐蚀后的抗拉强度均有所降低； 锚杆在煤 和黏土共同作为腐蚀介质且开放的环境下， 抗拉强度最小， 这也间接说明矿物质材料能加速锚杆的腐蚀。上述研 究进一步表明 环境中煤、 黏土、 地下水可通过增加溶液总离子浓度提高环境腐蚀性， 因此在含有矿物质与地下水 的区域， 矿山支护设计与维护时需进行防腐蚀方面的考虑。 关键词锚杆腐蚀协同作用矿物质 中图分类号TD853文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -05-132-05 DOI10.19614/ki.jsks.202005019 Synergic Influence of Mine Multi-attribute Environments on Rock Bolts Corrosion Wu Saisai1， 2Zhu Haotian1Zhang Wen1Cheng Ping1Liu Fei22 （1. School of Resources Engineering， Xian University of Architecture and Technology， Xian 710055， China； 2. Northwest Nonferrous Geology and Mining Group Co.， Ltd.， Xian 710054， China） AbstractThe instability of the surrounding rock caused by the failure of anchoring material showed diversity，in which the failure of anchoring material caused by the corrosion at the mine multi-attribute corrosion environment was more and more serious． Rock bolts corrosion cracking occurred frequently in clay-rich areas，which indicated that the synergic in- fluence of mine multi-attribute environments oxygen content，groundwater and minerals are the influencing factors． In order to study the law of corrosion under the synergic influence of the mine multi-attribute environments，the rock bolts service en- vironment was simulated in laboratory with the application of“corrosive cell” ． The study results showed that the presence of clay indirectly affected the corrosion of rock bolts by increasing the ion concentrations in aqueous solution through the ions exchanges of the minerals． Corrosion is a long-term process，after three months of testing，most of the corrosion products were ed at the end of screw and bolt as well as the part wrapped by clay and coal． The observations indicated that miner- als could accelerate the corrosion of rock bolts． Compared with the tensile strength of bolt specimen corroded only by deion- ized water，the tensile strength of rock bolt specimen corroded by clay or coal decreased． The tensile strength of bolt was the smallest when coal and clay are used as corrosion medium，which indirectly shows that mineral materials can accelerate the corrosion of rock bolt． The study results further show that coal，clay and groundwater in the environment increased the corro- sivity of the environment by increasing the total ion concentration of the solution． Therefore，in the area containing minerals and groundwater， the design and maintenance of the support system should be considered in terms of anti-corrosion． KeywordsRock bolts， Corrosion， Synergic action， Minerals Series No． 527 May 2020 锚固技术是世界公认的深部资源开采安全高效的支护方式之一 ［1-2］。然而， 复杂地质条件下矿山多 132 ChaoXing 属性环境协同作用在很大程度上缩短了锚杆使用寿 命， 成为影响深部资源安全开采的重要问题之一。 近10 a来， 相当一部分矿山发生了锚杆因腐蚀造成过 早失效问题 ［3-6］。锚杆寿命取决于耐久性， 而耐久性 受到锚杆所受应力水平、 钢材性能和环境的协同影 响。Hassell等 ［7］和Villaescusa等［8］对澳大利亚8个矿 区的地下水进行了分析， 并构建了6个腐蚀室， 从温 度、 pH值、 溶解氧水平、 总溶解固体浓度、 流量5个方 面对地下水对锚杆的腐蚀作用进行了研究， 分别得 出地下水总溶解质浓度、 溶解氧水平、 pH值和流速是 锚杆腐蚀速率的重要影响因素。Spearing等 ［9］研究了 腐蚀对锚杆力学性能的影响， 结果表明， 点蚀或缝隙 腐蚀是导致锚杆过早失效的重要因素之一 ［10-12］。迄 今为止， 以地下水为腐蚀介质的研究表明， 锚杆腐蚀 失效并非单独由地下水造成的， 而是由复杂地质条 件下矿山多属性环境协同作用产生的。澳大利亚新 南威尔士学者开展了锚杆腐蚀失效矿山试验 ［13-16］， 认 为锚杆在黏土层与地下水交叉地带腐蚀更为普遍， 黏土或凝灰质等矿物质是导致地下矿山锚杆腐蚀并 最终破坏的潜在因素之一， 这也表明地下水与矿物 质协同作用是影响锚杆腐蚀的一个重要因素。然 而， 黏土与地下水相互作用对锚杆早期破坏的影响 还不清楚。矿物质导致锚杆腐蚀加速有两种方式。 一种是黏土主要由细粒矿物组成的天然材料， 这种 矿物成分的表面上有负电荷并能够吸附阳离子， 锚 杆在腐蚀过程中铁离子被带负电的黏土吸附， 从而 造成溶液中铁离子浓度减小， 这一过程可防止溶液 中铁离子饱和， 从而加速锚杆的持续腐蚀 ［17］。另一 种导致黏土层内锚杆过早失效是微生物的影响所 致， 这是因为矿物质为微生物提供了生存环境。地 下矿山锚杆试件表面发现了硫化菌， 硫化菌可产生 硫化物， 而硫化物有较强的腐蚀性 ［18-19］。微生物应当 被视为黏土层中锚杆发生破坏的一个影响因素。 为了掌握锚杆在多属性环境协同作用影响下的 腐蚀规律， 本研究从发生腐蚀失效的矿井收集地下 水、 黏土和煤材料， 将锚杆服役环境以 “腐蚀细胞” 的 方式进行实验室模拟试验。经过3个月的试验后， 对 溶液进行化学分析， 进行腐蚀与未腐蚀锚杆抗拉强 度测试， 进而分析多属性环境协同作用对锚杆腐蚀 的影响。 1试验原料和试验装置 1. 1试验试件 试验所用试件为HSAC840锚杆， 该锚杆被广泛 应用于矿山围岩支护中。HSAC840 锚杆的芯径为 21.7 mm， 大径 （包括螺纹） 为 23.6 mm。锚杆钢的化 学成分见表1， 力学性能参数见表2。 1. 2试验材料 为了模拟锚杆服役期间的环境状态， 从发生腐 蚀失效的矿井收集地下水与矿物质作为试验材料。 该矿山地下水突出， 顶板变形大， 底板隆起， 富含黏 土。直接顶黏土层的存在和巷道复杂的地形条件导 致该区锚杆发生破坏的风险较大， 锚杆过早失效的 现象普遍发生 （图1、 图2） 。 将收集的煤和黏土样品进行粉碎， 并研磨到平 均粒径小于1 cm， 如图3所示。为使试验结果便于分 析， 利用X射线衍射分析了黏土的主要化学组成， 分 析结果如图4所示。黏土样品的主要化合物为硅酸 铝氢氧化物， 占96以上； 第二种主要化合物为硅酸 钾锰水合物， 约占样品的3。试验检测的黏土试样 中阳离子交换量 （黏土所能吸附各种阳离子的总量） 如表3所示。 1. 3试验过程 在试验开始前， 所有的锚杆试件都被贴上标签 并称重。为模拟锚杆服役的环境状态， 试验时将锚 杆插入相应的塑料管中， 每个塑料管都填充了所需 的水、 黏土和煤样品。实验室所用的水均为去离子 2020年第5期吴赛赛等 矿山多属性环境协同作用对锚杆腐蚀的影响 133 ChaoXing 处理后的水。锚杆腐蚀试验装置如图5所示。为模 拟有氧气和无氧气状态， 设置了密闭型和开放型2种 试验环境。密封的试验环境中， 塑料管两端用夹子 包裹， 对于开放的试验环境， 只包裹塑料管一个末 端。密封试验条件下腐蚀过程的氧气量有限， 开放 试验条件下氧气不断溶解在溶液中。实验室锚杆腐 蚀试验设计如表4所示。试验时将安装好的试样放 在恒温 （25 ℃） 的实验室， 静置12周。此温度设定是 基于矿井环境信息收集到温度的平均值。12周后， 将锚杆从安装的塑料管中取出， 检测锚杆腐蚀后的 力学性能参数。从每个塑料管中采集水样并标记， 测定所采集水样的溶解质浓度、 溶解氧浓度、 电导率 和pH值。 2试验结果 2. 1锚杆腐蚀试样水样分析 表5为从每个塑料管采集水样的溶解氧浓度、 电 导率和酸碱度。分析表 5可知 相对于初始黏土溶 液， 所有含有填充腐蚀介质的水样都有较高的电导 率值， 从含有黏土腐蚀介质的塑料管中提取的水样 相对于纯煤腐蚀介质有更高的电导率。由于电导率 与离子浓度直接相关， 离子浓度的增加会导致电导 率增加， 这可能与黏土的阳离子交换量有关。当黏 土被置于溶液中时， 黏土表面的交换性离子进入到 溶液中， 增加了溶液中离子浓度。初始黏土和煤的 水样pH值接近中性， 含有黏土和煤的水样 （样品编 号2、 4） 呈弱碱性。总的来说， 相对于初始黏土和去 离子水， 所有水样中的溶解氧值都降低了。煤和黏 土填充的水样比纯黏土水样具有更低的溶解氧浓 度， 这表明腐蚀过程中消耗了氧气。 表6为从每个 “腐蚀细胞” 采集水样的阳离子和 阴离子浓度分析结果。一般来说， 在密封或者开放 的试验状态下， 含有煤和黏土共同作为腐蚀介质的 水样相对于仅有黏土和仅有煤为腐蚀介质的水样， 有较高的离子总溶解浓度。与初始黏土溶液相比， 仅有煤为腐蚀介质时水样的硫酸根离子浓度降低， 而黏土作为腐蚀介质时水样的硫酸根离子浓度几乎 没有降低， 表明硫酸根离子溶解到水中， 增加了溶液 金属矿山2020年第5期总第527期 134 ChaoXing 中的硫酸根离子浓度。 2. 2锚杆主要力学性能测试 锚杆的腐蚀程度如图6所示。大部分腐蚀产物 形成于螺纹和锚杆端部以及被矿物质包裹的部位， 这也证明了矿物质能加速锚杆的腐蚀。锚杆表面覆 盖着磁铁表面层， 该表面层是阴极保护层， 无保护层 的钢铁只暴露在螺纹和锚杆端部。由于磁铁矿表面 层的存在， 没有观察到点蚀或缝隙腐蚀。形成的腐 蚀产物有限， 因此由腐蚀造成的锚杆直径和质量变 化不宜作为腐蚀程度的衡量标准。 对腐蚀后的锚杆进行拉伸试验以确定锚杆由于 腐蚀而造成的力学性能变化。用于测量锚杆力学性 能的实验装置如图7所示。试验时对锚杆施加轴向 拉力直到锚杆失效， 记录锚杆拉伸试验过程中的应 力应变曲线。锚杆样品4的应力应变曲线如图8 所示。每个锚杆样品的抗拉强度分布如图 9所示。 由图9可知 锚杆试件的最大抗拉强度为900 MPa， 此 锚杆试件实验室腐蚀介质仅为去离子水。锚杆试件 最小抗拉强度为875 MPa， 此锚杆试件的试验环境为 煤和黏土共同作为腐蚀介质且为开放试验环境。锚 杆在分别包含煤和黏土、 仅有黏土、 仅有煤封闭的试 验环境中腐蚀后的抗拉强度有减小趋势。锚杆在煤 和黏土共同作为腐蚀介质时的抗拉强度最小， 在腐 蚀介质仅为去离子水时抗拉强度最大， 也说明了矿 物质材料能加速锚杆腐蚀， 进而减小锚杆抗拉强度。 通过试验得出 环境中矿物质与地下水通过增加溶 液中总离子浓度提高环境腐蚀性， 在含有矿物质与 地下水的区域， 矿山支护设计与维护时有必要进行 防腐蚀方面的考虑。 3结语 为了掌握锚杆在多属性环境协同作用影响下的 腐蚀失效规律， 将锚杆服役环境以 “腐蚀细胞” 的方 式进行了模拟试验。研究结果表明 环境中的矿物 质通过离子交换改变了溶液中离子的浓度。由于溶 解离子浓度与溶液电导率成正比例关系， 矿物质通 过增加水溶液离子溶度间接加速了锚杆腐蚀。对不 同腐蚀介质水样分析表明， 煤和黏土作为腐蚀介质 对离子浓度的影响最大， 其次是仅有黏土、 仅有煤和 去离子水。腐蚀是长期的过程， 经过 3个月的试验 后， 大部分腐蚀产物形成于螺纹和锚杆端部， 以及被 黏土与煤包裹的部位， 证明了矿物质能加速锚杆腐 蚀。相比锚杆试件在腐蚀介质仅为去离子水腐蚀后 2020年第5期吴赛赛等 矿山多属性环境协同作用对锚杆腐蚀的影响 135 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ ［12］ ［13］ ［14］ ［15］ ［16］ ［17］ ［18］ ［19］ 的抗拉强度， 锚杆在包含黏土或者煤的试验环境腐 蚀后的抗拉强度均有所降低。锚杆在煤和黏土共同 作为腐蚀介质开放的环境中抗拉强度最小， 间接说 明矿物质材料能加速锚杆腐蚀， 进而减小锚杆抗拉 强度。因此在含有矿物质与地下水的区域， 矿山支 护设计与维护时进行防腐蚀方面的考虑必不可少。 参 考 文 献 袁亮， 薛俊华， 刘泉生， 等．煤矿深部岩巷围岩控制理论与支 护技术 ［J］ ． 煤炭学报， 2011， 36 （4） 535-543． Yuan Liang， Xue Junhua， Liu Quansheng， et al．Control theory and support technology of surrounding rock in deep rock roadway of coal mine ［J］ ．Journal of 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