吴赛赛 朱昊天 张 雯 程 平 刘 非

（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）

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。