礦山多屬性環(huán)境協(xié)同作用對(duì)錨桿腐蝕的影響

吳賽賽 朱昊天 張 雯 程 平 劉 非

（1.西安建筑科技大學(xué)資源工程學(xué)院，陜西西安710055；2.西北有色地質(zhì)礦業(yè)集團(tuán)有限公司，陜西西安710054）

錨固技術(shù)是世界公認(rèn)的深部資源開采安全高效 的支護(hù)方式之一［1-2］。然而，復(fù)雜地質(zhì)條件下礦山多屬性環(huán)境協(xié)同作用在很大程度上縮短了錨桿使用壽命，成為影響深部資源安全開采的重要問題之一。近10 a來，相當(dāng)一部分礦山發(fā)生了錨桿因腐蝕造成過早失效問題［3-6］。錨桿壽命取決于耐久性，而耐久性受到錨桿所受應(yīng)力水平、鋼材性能和環(huán)境的協(xié)同影響。Hassell 等［7］和 Villaescusa 等［8］對(duì)澳大利亞 8 個(gè)礦區(qū)的地下水進(jìn)行了分析，并構(gòu)建了6 個(gè)腐蝕室，從溫度、pH 值、溶解氧水平、總?cè)芙夤腆w濃度、流量5 個(gè)方面對(duì)地下水對(duì)錨桿的腐蝕作用進(jìn)行了研究，分別得出地下水總?cè)芙赓|(zhì)濃度、溶解氧水平、pH值和流速是錨桿腐蝕速率的重要影響因素。Spearing等［9］研究了腐蝕對(duì)錨桿力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，點(diǎn)蝕或縫隙腐蝕是導(dǎo)致錨桿過早失效的重要因素之一［10-12］。迄今為止，以地下水為腐蝕介質(zhì)的研究表明，錨桿腐蝕失效并非單獨(dú)由地下水造成的，而是由復(fù)雜地質(zhì)條件下礦山多屬性環(huán)境協(xié)同作用產(chǎn)生的。澳大利亞新南威爾士學(xué)者開展了錨桿腐蝕失效礦山試驗(yàn)［13-16］，認(rèn)為錨桿在黏土層與地下水交叉地帶腐蝕更為普遍，黏土或凝灰質(zhì)等礦物質(zhì)是導(dǎo)致地下礦山錨桿腐蝕并最終破壞的潛在因素之一，這也表明地下水與礦物質(zhì)協(xié)同作用是影響錨桿腐蝕的一個(gè)重要因素。然而，黏土與地下水相互作用對(duì)錨桿早期破壞的影響還不清楚。礦物質(zhì)導(dǎo)致錨桿腐蝕加速有兩種方式。一種是黏土主要由細(xì)粒礦物組成的天然材料，這種礦物成分的表面上有負(fù)電荷并能夠吸附陽(yáng)離子，錨桿在腐蝕過程中鐵離子被帶負(fù)電的黏土吸附，從而造成溶液中鐵離子濃度減小，這一過程可防止溶液中鐵離子飽和，從而加速錨桿的持續(xù)腐蝕［17］。另一種導(dǎo)致黏土層內(nèi)錨桿過早失效是微生物的影響所致，這是因?yàn)榈V物質(zhì)為微生物提供了生存環(huán)境。地下礦山錨桿試件表面發(fā)現(xiàn)了硫化菌，硫化菌可產(chǎn)生硫化物，而硫化物有較強(qiáng)的腐蝕性［18-19］。微生物應(yīng)當(dāng)被視為黏土層中錨桿發(fā)生破壞的一個(gè)影響因素。

為了掌握錨桿在多屬性環(huán)境協(xié)同作用影響下的腐蝕規(guī)律，本研究從發(fā)生腐蝕失效的礦井收集地下水、黏土和煤材料，將錨桿服役環(huán)境以“腐蝕細(xì)胞”的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)。經(jīng)過3個(gè)月的試驗(yàn)后，對(duì)溶液進(jìn)行化學(xué)分析，進(jìn)行腐蝕與未腐蝕錨桿抗拉強(qiáng)度測(cè)試，進(jìn)而分析多屬性環(huán)境協(xié)同作用對(duì)錨桿腐蝕的影響。

1 試驗(yàn)原料和試驗(yàn)裝置

1.1 試驗(yàn)試件

試驗(yàn)所用試件為HSAC840 錨桿，該錨桿被廣泛應(yīng)用于礦山圍巖支護(hù)中。HSAC840 錨桿的芯徑為21.7 mm，大徑（包括螺紋）為23.6 mm。錨桿鋼的化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能參數(shù)見表2。

1.2 試驗(yàn)材料

為了模擬錨桿服役期間的環(huán)境狀態(tài)，從發(fā)生腐蝕失效的礦井收集地下水與礦物質(zhì)作為試驗(yàn)材料。該礦山地下水突出，頂板變形大，底板隆起，富含黏土。直接頂黏土層的存在和巷道復(fù)雜的地形條件導(dǎo)致該區(qū)錨桿發(fā)生破壞的風(fēng)險(xiǎn)較大，錨桿過早失效的現(xiàn)象普遍發(fā)生（圖1、圖2）。

將收集的煤和黏土樣品進(jìn)行粉碎，并研磨到平均粒徑小于1 cm，如圖3所示。為使試驗(yàn)結(jié)果便于分析，利用X 射線衍射分析了黏土的主要化學(xué)組成，分析結(jié)果如圖4 所示。黏土樣品的主要化合物為硅酸鋁氫氧化物，占96%以上；第二種主要化合物為硅酸鉀錳水合物，約占樣品的3%。試驗(yàn)檢測(cè)的黏土試樣中陽(yáng)離子交換量（黏土所能吸附各種陽(yáng)離子的總量）如表3所示。

1.3 試驗(yàn)過程

在試驗(yàn)開始前，所有的錨桿試件都被貼上標(biāo)簽并稱重。為模擬錨桿服役的環(huán)境狀態(tài)，試驗(yàn)時(shí)將錨桿插入相應(yīng)的塑料管中，每個(gè)塑料管都填充了所需的水、黏土和煤樣品。實(shí)驗(yàn)室所用的水均為去離子處理后的水。錨桿腐蝕試驗(yàn)裝置如圖5 所示。為模擬有氧氣和無氧氣狀態(tài)，設(shè)置了密閉型和開放型2種試驗(yàn)環(huán)境。密封的試驗(yàn)環(huán)境中，塑料管兩端用夾子包裹，對(duì)于開放的試驗(yàn)環(huán)境，只包裹塑料管一個(gè)末端。密封試驗(yàn)條件下腐蝕過程的氧氣量有限，開放試驗(yàn)條件下氧氣不斷溶解在溶液中。實(shí)驗(yàn)室錨桿腐蝕試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表4 所示。試驗(yàn)時(shí)將安裝好的試樣放在恒溫（25 ℃）的實(shí)驗(yàn)室，靜置12 周。此溫度設(shè)定是基于礦井環(huán)境信息收集到溫度的平均值。12 周后，將錨桿從安裝的塑料管中取出，檢測(cè)錨桿腐蝕后的力學(xué)性能參數(shù)。從每個(gè)塑料管中采集水樣并標(biāo)記，測(cè)定所采集水樣的溶解質(zhì)濃度、溶解氧濃度、電導(dǎo)率和pH值。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 錨桿腐蝕試樣水樣分析

表5為從每個(gè)塑料管采集水樣的溶解氧濃度、電導(dǎo)率和酸堿度。分析表5 可知：相對(duì)于初始黏土溶液，所有含有填充腐蝕介質(zhì)的水樣都有較高的電導(dǎo)率值，從含有黏土腐蝕介質(zhì)的塑料管中提取的水樣相對(duì)于純煤腐蝕介質(zhì)有更高的電導(dǎo)率。由于電導(dǎo)率與離子濃度直接相關(guān)，離子濃度的增加會(huì)導(dǎo)致電導(dǎo)率增加，這可能與黏土的陽(yáng)離子交換量有關(guān)。當(dāng)黏土被置于溶液中時(shí)，黏土表面的交換性離子進(jìn)入到溶液中，增加了溶液中離子濃度。初始黏土和煤的水樣pH 值接近中性，含有黏土和煤的水樣（樣品編號(hào)2、4）呈弱堿性。總的來說，相對(duì)于初始黏土和去離子水，所有水樣中的溶解氧值都降低了。煤和黏土填充的水樣比純黏土水樣具有更低的溶解氧濃度，這表明腐蝕過程中消耗了氧氣。

表6 為從每個(gè)“腐蝕細(xì)胞”采集水樣的陽(yáng)離子和陰離子濃度分析結(jié)果。一般來說，在密封或者開放的試驗(yàn)狀態(tài)下，含有煤和黏土共同作為腐蝕介質(zhì)的水樣相對(duì)于僅有黏土和僅有煤為腐蝕介質(zhì)的水樣，有較高的離子總?cè)芙鉂舛取Ｅc初始黏土溶液相比，僅有煤為腐蝕介質(zhì)時(shí)水樣的硫酸根離子濃度降低，而黏土作為腐蝕介質(zhì)時(shí)水樣的硫酸根離子濃度幾乎沒有降低，表明硫酸根離子溶解到水中，增加了溶液中的硫酸根離子濃度。

2.2 錨桿主要力學(xué)性能測(cè)試

錨桿的腐蝕程度如圖6 所示。大部分腐蝕產(chǎn)物形成于螺紋和錨桿端部以及被礦物質(zhì)包裹的部位，這也證明了礦物質(zhì)能加速錨桿的腐蝕。錨桿表面覆蓋著磁鐵表面層，該表面層是陰極保護(hù)層，無保護(hù)層的鋼鐵只暴露在螺紋和錨桿端部。由于磁鐵礦表面層的存在，沒有觀察到點(diǎn)蝕或縫隙腐蝕。形成的腐蝕產(chǎn)物有限，因此由腐蝕造成的錨桿直徑和質(zhì)量變化不宜作為腐蝕程度的衡量標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)腐蝕后的錨桿進(jìn)行拉伸試驗(yàn)以確定錨桿由于腐蝕而造成的力學(xué)性能變化。用于測(cè)量錨桿力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)裝置如圖7 所示。試驗(yàn)時(shí)對(duì)錨桿施加軸向拉力直到錨桿失效，記錄錨桿拉伸試驗(yàn)過程中的應(yīng)力—應(yīng)變曲線。錨桿樣品4的應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖8所示。每個(gè)錨桿樣品的抗拉強(qiáng)度分布如圖9 所示。由圖9可知：錨桿試件的最大抗拉強(qiáng)度為900 MPa，此錨桿試件實(shí)驗(yàn)室腐蝕介質(zhì)僅為去離子水。錨桿試件最小抗拉強(qiáng)度為875 MPa，此錨桿試件的試驗(yàn)環(huán)境為煤和黏土共同作為腐蝕介質(zhì)且為開放試驗(yàn)環(huán)境。錨桿在分別包含煤和黏土、僅有黏土、僅有煤封閉的試驗(yàn)環(huán)境中腐蝕后的抗拉強(qiáng)度有減小趨勢(shì)。錨桿在煤和黏土共同作為腐蝕介質(zhì)時(shí)的抗拉強(qiáng)度最小，在腐蝕介質(zhì)僅為去離子水時(shí)抗拉強(qiáng)度最大，也說明了礦物質(zhì)材料能加速錨桿腐蝕，進(jìn)而減小錨桿抗拉強(qiáng)度。通過試驗(yàn)得出：環(huán)境中礦物質(zhì)與地下水通過增加溶液中總離子濃度提高環(huán)境腐蝕性，在含有礦物質(zhì)與地下水的區(qū)域，礦山支護(hù)設(shè)計(jì)與維護(hù)時(shí)有必要進(jìn)行防腐蝕方面的考慮。

3 結(jié) 語(yǔ)

為了掌握錨桿在多屬性環(huán)境協(xié)同作用影響下的腐蝕失效規(guī)律，將錨桿服役環(huán)境以“腐蝕細(xì)胞”的方式進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：環(huán)境中的礦物質(zhì)通過離子交換改變了溶液中離子的濃度。由于溶解離子濃度與溶液電導(dǎo)率成正比例關(guān)系，礦物質(zhì)通過增加水溶液離子溶度間接加速了錨桿腐蝕。對(duì)不同腐蝕介質(zhì)水樣分析表明，煤和黏土作為腐蝕介質(zhì)對(duì)離子濃度的影響最大，其次是僅有黏土、僅有煤和去離子水。腐蝕是長(zhǎng)期的過程，經(jīng)過3 個(gè)月的試驗(yàn)后，大部分腐蝕產(chǎn)物形成于螺紋和錨桿端部，以及被黏土與煤包裹的部位，證明了礦物質(zhì)能加速錨桿腐蝕。相比錨桿試件在腐蝕介質(zhì)僅為去離子水腐蝕后的抗拉強(qiáng)度，錨桿在包含黏土或者煤的試驗(yàn)環(huán)境腐蝕后的抗拉強(qiáng)度均有所降低。錨桿在煤和黏土共同作為腐蝕介質(zhì)開放的環(huán)境中抗拉強(qiáng)度最小，間接說明礦物質(zhì)材料能加速錨桿腐蝕，進(jìn)而減小錨桿抗拉強(qiáng)度。因此在含有礦物質(zhì)與地下水的區(qū)域，礦山支護(hù)設(shè)計(jì)與維護(hù)時(shí)進(jìn)行防腐蝕方面的考慮必不可少。