神东矿区矿井水对锚索腐蚀影响实验研究_罗伙根.pdf

：收稿日期：作者简介：罗伙根（），男，江西吉安人，高级工程师，现从事煤矿技术管理工作，：。引用格式：罗伙根，刘海双，黄 涛 神东矿区矿井水对锚索腐蚀影响实验研究 煤炭工程，（）：神东矿区矿井水对锚索腐蚀影响实验研究罗伙根，刘海双，黄 涛（中国神华能源股份有限公司神东煤炭分公司，陕西 神木）摘 要：为研究神东矿区矿井水中主要离子对井下锚索加速腐蚀的影响程度，明晰锚索在井下环境中加速腐蚀的主要因素与腐蚀机理，以神东矿区布尔台矿为工程背景，通过现场踏勘、水质取样与化验获得了井下环境特征与矿井水中 种主要离子含量，并开展加速腐蚀盐雾实验研究加速腐蚀的主要离子成分与腐蚀机理，采用腐蚀形貌、质量失重率、截面积损失率及力学性能衰减四个指标评价矿井水中主要离子对锚索加速腐蚀的影响程度。实验结果表明，神东矿区井下锚索腐蚀反应为吸氧腐蚀，离子对锚索加速腐蚀的促进作用最大，矿井水中 种主要离子腐蚀影响程度由大到小为，揭示了井下锚索加速腐蚀的机理，对井下巷道的支护设计和锚索使用寿命研究具有重要意义。关键词：锚索腐蚀；盐雾实验；吸氧腐蚀；巷道支护；腐蚀机理 中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，：；锚索支护具有范围大、成本低、强度高的优点，随着近年来锚固技术的发展，预应力锚固支护技术已经被广泛应用于铁路隧道、岩土高陡边坡、桥梁涵洞、矿业工程中，并在工程建设中发挥着重要作用。在煤矿开采中，合理的锚索支护可以有效减少巷道围岩大变形和动力灾害的发生，由于煤矿井工开采地质环境复杂、恶劣，在高温、高湿、水害及各种阴阳离子等因素作用下，常出现因锚索腐蚀失效而导致的巷道围岩灾害事故，因此许多学者对锚索腐蚀破坏的机理进行了研究。其中硫酸盐的腐蚀作用是导致锚索锚固性能失效的原因之一，李富民等通过用硫酸钠溶液对锚索进行干湿第卷第期 煤 炭 工 程 ，循环腐蚀，研究了在围岩约束条件下腐蚀锚索的力学性能。赵健等通过现场调研与实验室实验得出预应力锚索在应力和腐蚀介质共同作用下会引起脆性断裂，应力与腐蚀介质之间的协同作用将对支护结构的稳定性产生更大的影响。赵辉等通过在矿井动力和腐蚀介质协同作用下进行锚索破坏试验，研究得到了锚索的腐蚀情况与破断机理。褚晓威通过实验室实验得出在强酸环境下锚杆锚索腐蚀较快，随着 的增大，腐蚀速率逐渐降低。然而水化学腐蚀作用下也会引起锚索的抛出、拉断等锚固失效的现象，王军通过分析地下水环境下锚索钢筋锈蚀原理，建立了锚索腐蚀过程的物理模型，得到了腐蚀后锚索尺寸变化的计算式并修正了锚索极限承载力的标准值。此外，关于锚索腐蚀破坏的理论还有氢脆断裂理论、孔蚀理论、缝隙腐蚀理论、腐蚀疲劳理论等。神东矿区矿井巷道顶板普遍存在淋水情况，锚索腐蚀、失效情况较为严重。巷道顶底板较软，在二次采动影响下巷道围岩变形破坏严重，矿压显现剧烈，严重制约着矿井的安全持续生产。本文以神东矿区布尔台矿为工程背景，通过现场踏勘取样与实验室实验研究神东矿区矿井水中主要离子对井下锚索加速腐蚀的影响程度，明晰锚索在井下环境中加速腐蚀的主要因素与腐蚀机理，旨在为巷道的支护设计和锚索使用寿命研究提供参考。工程概况布尔台煤矿地处神府东胜煤田北翼，矿井井田面积较大，井田内主要水系有乌兰木伦河、呼和乌素沟，其中乌兰木伦河属于常年性地表径流，其水量主要受大气降水影响，呈现出夏秋两季大，冬春两季小特点。经现场踏勘得知，矿井现主采煤层为 煤层和 煤层，埋深 左右，采用盘区式布置方式，由于井下粉尘较大，故在巷道各个区域都设有喷雾进行降尘，且井下用水地点较多，巷道十分潮湿，同时巷道顶板岩层结构复杂，常见有顶板淋水情况及顶板淋水痕迹，导致井下支护体锈蚀十分严重。其中 煤层巷道顶板存在淋水情况，支护体锈蚀严重，尤其是一盘区辅运大巷，由于该大巷已经服务多年，支护体锈蚀、失效极其严重，大量锚索出现锈蚀膨胀现象，外露部分形成疏松多孔的铁锈壳，钢板托盘出现锈蚀分层逐渐剥落现象，强度大大衰减，锚索锁具锈蚀脱壳且表面碎裂，锚固位置出现松动现象，支护预紧力大大折减，钢带经过多年的锈蚀与风化，已锈蚀断裂，悬挂在巷道顶板，失去了支护强度。矿井水样采集与化验 矿井水样采集根据布尔台矿井下锚索的锈蚀情况及结合锚索安装位置，并参照 水质采样方案设计技术规定（）和 水质采样技术指导（）中采样技术要求，在井下锚索锈蚀严重的巷道对顶板淋水进行水样采集，采样完成后进行避光、低温保存，运送实验室化验，采样过程中测量出锚索所处环境温度为 、环境相对湿度为、巷道顶板淋水水温为 ，水样采集如图 所示。图 矿井水样采集 矿井水样化验采用酸碱检测仪对矿井水样进行检测，得出水样整体呈现弱碱性，在 左右，通过使用电感耦合等离子体发射光谱仪和离子色谱仪分别对矿井水样中的阳离子和阴离子进行离子浓度测试，得出了矿井水样中主要包含、六种离子，离子浓度化验测试结果见表。表 矿井水样离子浓度化验测试结果 锚索加速腐蚀实验 锚索加速腐蚀实验装置为具体分析不同离子对锚索加速腐蚀的影响程度，本文通过实验室实验进行研究。众所周知盐雾实验是检验金属材料抗锈蚀性能的重要科学实验。为实现模拟煤矿井下锚索腐蚀环境，给实验增加盐雾装置的功能，使锚索样品达到加速腐蚀的实验效果及方便合理地调节实验条件，本文设计发明了一种模拟煤矿井下环境锚索盐雾实验装置，以方便快 年第 期 煤 炭 工 程 研究探讨 捷进行锚索盐雾实验，研究弱碱性矿井水中影响井下锚索加速腐蚀的主要影响离子。本文设计的实验装置包含了直流电源、两个定时开关设置器（其中一个用于定时加热系统，另一个用于定时喷雾系统）、加热条带、微型水泵、高压水管、雾化喷头、温度湿度监测仪、透明亚克力实验箱、软水管、溶液槽及高压水管，将这一系列的小的构件组装一起，便得到了集合定时喷雾系统、定时加热系统、温度湿度监控系统及腐蚀溶液循环系统于一体的模拟煤矿井下环境的多功能锚索盐雾实验装置，在实验过程中，温度湿度监测仪将时刻监测透明亚克力实验箱中的温度、湿度变化情况，以便于实验人员随时调节实验所需条件。实验装置如图 所示。图 模拟煤矿井下环境锚索盐雾实验装置 实验方案根据现场采集水样的离子浓度化验结果，实验配制了各离子浓度均与采集水样一致的加速腐蚀溶液作为实验空白对照组，并在空白对照组的基础上再配制 种溶液（单独提高 倍某种离子的浓度），分别为 倍、倍、倍、倍、倍、倍，将这 种实验溶液配置在 个溶液槽里，并调节 值至 ，将原 锚索拆分成单股并切割长度一致作为锚索实验样品，将形状、长度一致的单股锚索实验样品分组经除锈、晾干、称重后分别放置在 个透明亚克力实验箱中，利用定时喷雾系统和定时加热系统进行为期 的加速腐蚀实验并进行长期观测腐蚀过程，实验分组如图 所示。加速腐蚀实验结束后通过观察腐蚀形貌，测量质量失重率、截面积损失率及力学性能衰减情况来判定弱碱性矿井水中不同离子对井下锚索的加速腐蚀程度，确定影响井下锚索加速腐蚀的主要影响离子，分析出井下锚索加速腐蚀机理。图 锚索加速腐蚀实验分组 实验结果分析 腐蚀后锚索试样形貌分析经 加速腐蚀实验完成后，先敲掉锚索实验样品表面松动的金属锈壳，去除表面浮锈之后酸洗除锈，水洗烘干，试件表面的腐蚀形貌如图 所示。图 盐雾腐蚀形貌由图 中可以看出，未腐蚀组表面平整光滑，有金属光泽；空白对照组有相对明显的腐蚀坑，整体腐蚀轻微，截面面积有一定程度的减小；组试件直径变化程度不大，表面整体上较为均匀，部分区域有较小腐蚀坑产生；组整体腐蚀情况与组近似；组腐蚀后试件色泽较暗，表面粗糙，坑洼明显，截面局部腐蚀较严重，腐蚀坑分布较广且尺寸较大，腐蚀交界面直径变化大，尺寸波动不均匀，截面面积明显减小；组产生了数量较多且较密集的腐蚀坑，腐蚀坑的深度不大，整体的直径变化较小；组腐蚀后试件表面凹凸不平，产生的腐蚀坑较为密集，数量多，腐蚀坑深度较大，局部腐蚀和点腐蚀较为严重，腐蚀程度不均匀性变大；组腐蚀后试件色泽较暗，腐蚀坑发展使腐蚀由点蚀向局部腐蚀发展，整体截面直径损失明显且不规则。从腐蚀形貌观察可得出 组的腐蚀程度最高，组和 组的腐蚀情况接近且均略小于对照组，阴离子中 组的腐蚀情况最弱但仍大于对照研究探讨 煤 炭 工 程 年第 期组，组和 组的腐蚀情况区别不大。锚索试样质量损失分析为更加直观衡量不同影响离子溶液下单股锚索质量损失情况，将锚索试样腐蚀前后质量损失差值与腐蚀前质量的比值作为质量损失指标，即锚索质量失重率。式中，为质量失重率，；为腐蚀前质量，；为腐蚀后质量，。通过测量锚索试样腐蚀前后的质量，得出锚索质量失重率见表，从表 可以看出 组质量失重率最大。表 锚索试样腐蚀后质量失重率实验分组腐蚀前质量 腐蚀后质量 质量失重率 空白组 组 组 组 组 组 组 锚索试样截面积损失分析为降低腐蚀截面积测量误差，将锚索试样腐蚀段平均划分 个截面，分别测量每个截面在、四个方向直径，得出拟合截面面积，再将 个拟合截面面积取平均值，则为本试样腐蚀后截面积。将损失截面积与原锚索试样截面积的比值来衡量锚索试样截面损失情况，即腐蚀截面积损失率：式中，为截面积损失率，；为腐蚀前截面积，；为腐蚀后截面积，。通过测量锚索试样腐蚀前后的截面积，得出腐蚀截面积损失率，见表，从表 可以看出 组截面积损失率最大。锚索试样腐蚀后力学性能衰减分析将腐蚀后的各组锚索实验样品使用 美特斯电子万能试验机进行力学性能测试，得出锚索试样在各分组溶液腐蚀后的力学性能衰减情况，结果见表，由表 可以看出各腐蚀实验组的锚索试样力学性能与未腐蚀组相比在屈服载荷、极限载荷及延伸率上都有一定降低，且 组力学性能衰减程度最大。表 锚索试样腐蚀后截面积损失率实验分组腐蚀前截面积 腐蚀后截面积 截面积损失率 空白组 组 组 组 组 组 组 表 腐蚀锚索拉伸强度及延伸率实验分组屈服载荷 极限载荷 延伸率 未腐蚀组 空白组 组 组 组 组 组 组 综合各组 腐蚀后锚索试样的腐蚀形貌、质量失重率、截面积损失率及力学性能衰减结果，可以得出在神东矿区井下环境弱碱性矿井水对锚索加速腐蚀影响最大的离子是 离子。由实验结果可得，经盐雾加速腐蚀实验后，离子组腐蚀程度最大，在质量失重率与截面积损失率上，（）（）（）（）（空白）（）（），在腐蚀后力学性能测试中，得出经腐蚀实验后的锚索试样力学性能与未腐蚀试样相比都产生了相对较大衰减，各实验组之间力学性能指标相差不大，整体衰减程度变化规律由大到小为：组组组组空白组组组未腐蚀组，综上可得 离子为井下锚索加速腐蚀的主要因素以及对井下锚索加速腐蚀的促进作用最大。锚索腐蚀机理井下锚索发生腐蚀主要为充分接触氧气和水，由于巷道顶板淋水致使锚索表面始终存有流淌的水膜，结合井下环境合适的温度、高湿度及充足的氧气，使锚索腐蚀达到了最佳条件，经水质化验得出水环境呈弱碱性，可得出井下锚索发生的腐蚀反应为吸氧腐蚀，综合反应方程式为：（）（）（）（）年第 期 煤 炭 工 程 研究探讨 （）由上述实验可得，升高浓度后的、加速了锚索试样的腐蚀，离子对锚索试样加速腐蚀的促进作用最大，、与溶液中其他离子结合易形成沉淀附着于锚索表面，减缓了腐蚀反应，并且消耗了溶液中其他加速腐蚀离子，使腐蚀反应速率减慢，从而导致腐蚀后的锚索试样各指标相对空白组较小。离子对锚索腐蚀具有加速作用，在井下环境中弱碱性矿井水中自由态的 离子透过围岩扩散到锚索表面，破坏了锚索表面的钝化膜，使锚索表面发生局部腐蚀，形成腐蚀坑，由于锚索安装后受张拉预紧力作用，会促使表面腐蚀坑逐步扩大，而吸氧腐蚀反应生成的铁锈疏松多孔，透气且透水，且易膨胀开裂脱落，无法保护锚索内部材料，使之加剧锚索的腐蚀反应。在腐蚀反应中，参与反应的元素主要为、元素，而离子在反应中既不消耗，也不构成新的产物，在腐蚀反应中主要起到催化作用，在碱性环境中促进腐蚀反应，即：（）由于锚索材料属于混合物，基于以上反应外，锚索除铁元素外其他金属或非金属成分依托锚索表面缺陷，与材料表面或晶界面之间的不同成分形成大量且多种的微电池，从而使锚索材料产生不同程度的锈蚀损伤，并且在弱碱性矿井水其他成分的综合作用下，使锚索在井下潮湿环境中加快腐蚀，直至支护失效。结 论）经现场踏勘及取样化验得知，神东矿区井下锚索腐蚀现象十分严重且普遍，测得了井下环境温度为 、环境相对湿度为、巷道顶板淋水水温为 及 值为 ，主要含、六种离子并测得对应浓度。）研制了一种模拟煤矿井下环境锚索盐雾实验装置，并根据水样化验浓度采用控制变量法设计 组腐蚀溶液开展锚索加速腐蚀实验。）实验结果表明腐蚀后的各组锚索试样均受到了不同程度的腐蚀，综合试样的腐蚀形貌、质量失重率、截面积损失率及力学性能衰减结果得知 离子对锚索试样加速腐蚀的促进作用最大，腐蚀影响程度由大到小为。）通过实验结果得出神东矿区井下锚索腐蚀反应为吸氧腐蚀，离子在腐蚀反应主要起催化促进作用，揭示了井下锚索加速腐蚀的机理。参考文献：肖 玲，李世民，曾宪明，等 地下巷道支护锚索腐蚀状况调查及力学性能测试 岩石力学与工程学报，（）：李 聪，朱杰兵，汪 斌，等 腐蚀环境下锚固顺层边坡时效演化行为模型试验 岩石力学与工程学报，（）：王小伟，朱杰兵，李 聪 和 协同作用下预应力锚索腐蚀损伤行为试验研究 岩土力学，（）：，蒋春霞 基于 作用下的预应力锚索腐蚀损伤行为研究 价值工程，（）：王小伟，朱杰兵，阮怀宁，等 考虑通氧环境的预应力锚索腐蚀损伤时变特征 长江科学院院报，（）：孙世国，贾欣欣，肖 剑 岩土预应力锚固技术研究现状及发展趋势分析 煤矿安全，（）：宋卫华，赵 辉，吴 昕，等 预应力锚索腐蚀疲劳损伤对冲击地压防治影响研究 煤炭科学技术，（）：潘继良，李 鹏，席 迅，等 地下工程锚固结构腐蚀耐久性研究进展 哈尔滨工业大学学报，（）：吴赛赛，朱昊天，张 雯，等 矿山多属性环境协同作用对锚索腐蚀的影响 金属矿山，（）：付平平 锚索材料腐蚀前后的力学性能变化 腐蚀与防护，（）：李富民，刘贞国 索体腐蚀对锚索结构锚固性能的影响 中国公路学报，（）：李富民，刘贞国，陆 荣，等 硫酸盐腐蚀锚索结构锚固性能退化规律试验研究 岩石力学与工程学报，（）：赵 健，冀文政，曾宪明，等 应力腐蚀对锚索使用寿命影响的试验研究 岩石力学与工程学报，（）：赵 辉，吴 昕，余全才 预应力锚索在复杂矿井动力作用下腐蚀特性研究 金属矿山，（）：褚晓威 锚杆锚索在模拟矿井水中腐蚀速率试验研究 煤炭工程，（）：王军 水化学腐蚀下锚索的承载特性 煤炭技术，（）：（责任编辑 张宝优）研究探讨 煤 炭 工 程 年第 期