錨桿支護技術(shù)是采礦工程等領(lǐng)域中最常用的圍巖加固方式之一。井下支護結(jié)構(gòu)作業(yè)環(huán)境極其復(fù)雜，常處于高溫、高應(yīng)力和強腐蝕環(huán)境之中，導(dǎo)致支護結(jié)構(gòu)腐蝕失效現(xiàn)象頻發(fā)，從而增加了巷道失穩(wěn)、突水、塌方等重大災(zāi)害的風(fēng)險，嚴重制約地下礦產(chǎn)資源安全高效開發(fā)利用。國際預(yù)應(yīng)力協(xié)會（FIP）巖土錨固工作小組曾對35例錨桿（索）腐蝕破壞工程實例進行了詳細統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)永久錨固錨桿（索）占69%，臨時錨桿占31%，服役期在兩年以內(nèi)及兩年以上發(fā)生腐蝕破壞的錨桿各占1/2。因此，開展地下礦山錨桿的腐蝕機理與防腐蝕技術(shù)研究具有重要理論和現(xiàn)實意義。

國內(nèi)外學(xué)者針對錨桿腐蝕破壞成因、腐蝕機理以及防腐對策開展了大量的室內(nèi)試驗研究工作，并取得了階段性的進展和富有成效的研究成果。在充分總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)之上，山東科技大學(xué)馮帆教授團隊錨桿腐蝕影響因素、腐蝕效果試驗、腐蝕機理以及防腐蝕效果試驗4個方面，系統(tǒng)梳理與總結(jié)了地下礦山錨桿腐蝕與防腐蝕試驗研究現(xiàn)狀與發(fā)展歷程。在此基礎(chǔ)上，凝練了當(dāng)前錨桿腐蝕破壞試驗研究中的關(guān)鍵科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)難題，對其未來發(fā)展趨勢和研究方向進行了探討，以期為井下支護結(jié)構(gòu)的腐蝕防護提供有益的借鑒和參考。

錨桿的腐蝕影響型因素

錨桿的支護主要體現(xiàn)為對巖體的支撐與加固，從而有效減少圍巖的位移和變形，進而增強圍巖的整體穩(wěn)定性。現(xiàn)有研究結(jié)果表明，錨桿腐蝕的影響因素繁多，既包括作業(yè)環(huán)境的外部因素，又涉及錨桿自身材質(zhì)的內(nèi)在問題。

在高濕環(huán)境下，錨桿表面易于形成電解液水膜，從而促進電化學(xué)腐蝕過程；通常情況下，相對濕度與腐蝕成都呈現(xiàn)出先增后減的趨勢。溫度被視為腐蝕反應(yīng)的催化劑，隨著溫度的升高，支護結(jié)構(gòu)表面液膜的離子運動加劇，進而導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)速率的提高，從而加快腐蝕速率。預(yù)應(yīng)力的存在增加了錨桿應(yīng)力腐蝕破壞的可能，相較于無預(yù)應(yīng)力錨桿，預(yù)應(yīng)力的存在會促進錨桿的單位長度腐蝕量和力學(xué)性能損傷。溶解氧通過影響電化學(xué)反應(yīng)的陰極反應(yīng)，進而影響腐蝕進程，相關(guān)研究表明：隨著通氧量的增加，腐蝕電流呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，存在一個最不利的含氧量，此時腐蝕速率達到峰值。pH值對錨桿的腐蝕性很大程度取決于腐蝕產(chǎn)物在錨桿表面的溶解度，隨著pH的減小，錨桿的腐蝕速率逐漸增加。在礦井水腐蝕研究中，現(xiàn)有研究認為Cl和SO^2-對錨桿及其砂漿保護層的腐蝕破壞性最為強烈，其中，Cl對其侵蝕破壞占主導(dǎo)地位，且離子濃度也會進一步影響腐蝕速率，在某一特定濃度范圍內(nèi)，腐蝕速率會達到峰值。

圖1 支持結(jié)構(gòu)作業(yè)環(huán)境與影響因素

錨桿腐蝕效果室內(nèi)試驗研究

在腐蝕環(huán)境下，錨桿的力學(xué)性能逐漸下降最終導(dǎo)致其破壞斷裂。為保障礦井巷道穩(wěn)定，探究錨桿等支護結(jié)構(gòu)在腐蝕環(huán)境下的使用壽命具有重要意義。通過現(xiàn)場監(jiān)測的方式分析錨桿在腐蝕環(huán)境下的穩(wěn)定性往往會消耗巨大的人力物力，且具有現(xiàn)場腐蝕速率過慢、時間成本過高等問題。因此，國內(nèi)外學(xué)者大多采用室內(nèi)加速腐蝕并結(jié)合力學(xué)性能試驗的方式對錨桿腐蝕失效情況進行客觀評價。鹽霧試驗、浸泡試驗、電化學(xué)腐蝕試驗是當(dāng)前主要用于探究錨桿等支護結(jié)構(gòu)腐蝕破壞的3種加速腐蝕試驗。

（1）鹽霧試驗適用于評價金屬材料及覆蓋層的耐蝕性，試驗時將試樣置于鹽霧箱內(nèi)置物棒與V型槽上，鹽水經(jīng)空壓機導(dǎo)入氣壓霧化從噴霧塔噴出，自然均勻降落于試樣表面。

（2）浸泡試驗是將試樣完全浸泡在特定腐蝕性溶液中，并在規(guī)定的時間和溫度條件下進行測試。根據(jù)試樣浸泡位置的不同又可分為全浸試驗、半浸試驗和間浸試驗。試驗過程中，隨著腐蝕時間的推移，離子濃度、酸堿性逐漸減弱。為保證試驗的嚴謹性，需定期更換腐蝕溶液從而控制試驗變量保持不變。

（3）電化學(xué)腐蝕試驗可分為電解加速腐蝕試驗與腐蝕試驗過程中的電化學(xué)測試。電解加速腐蝕試驗的基本原理為通過施加外加電源，?使得電極電位較高的氧化性離子在陰極放電還原，?而陽極區(qū)電極電位較低的較活潑金屬失電子被氧化，?成為陽離子脫離試樣表面，?形成陽極的腐蝕。電化學(xué)測試是通過測量試樣在特定電化學(xué)環(huán)境中的電流和電位變化來評估其耐腐蝕性能的試驗方法。

錨桿腐蝕機理分析

錨桿的腐蝕機理大體可分為電化學(xué)腐蝕和化學(xué)腐蝕。由于井下圍巖與水分的混合物形成了電解質(zhì)環(huán)境，錨桿等支護結(jié)構(gòu)腐蝕破壞大多以電化學(xué)腐蝕為主。

電化學(xué)腐蝕是指錨桿在電解質(zhì)溶液中受到電流發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的過程。由于井下圍巖與水分的混合物形成了電解質(zhì)環(huán)境，錨桿等支護結(jié)構(gòu)腐蝕破壞大多以電化學(xué)腐蝕為主。電化學(xué)腐蝕可分為陰極反應(yīng)和陽極反應(yīng)兩部分。錨桿在陽極發(fā)生溶解，產(chǎn)生電子變成金屬離子，陰極反應(yīng)根據(jù)溶液pH值的不同可分為析氫腐蝕和吸氧腐蝕。當(dāng)溶液呈酸性時，即H濃度較高，H作為去極化劑與陽極釋放的電子結(jié)合生成H，從而促進錨桿腐蝕。當(dāng)腐蝕環(huán)境呈中性或堿性時，溶液中的O作為去極化劑，與陽極電子結(jié)合，吸收電子從而促進錨桿腐蝕。同時由于氧氣的還原電位比氫氣高，吸氧腐蝕發(fā)生比析氫腐蝕更易發(fā)生，破壞性也更大。

錨桿防腐效果室內(nèi)試驗研究

隨著服役年限的增長，早期支護系統(tǒng)腐蝕失效現(xiàn)象頻發(fā)，為確保地下開采的安全進行，對支護結(jié)構(gòu)進行防腐格外重要。眾多學(xué)者根據(jù)錨桿的腐蝕破壞機理，開展了大量的防腐試驗研究。錨桿與腐蝕性介質(zhì)接觸形成原電池，產(chǎn)生電流才會發(fā)生電化學(xué)腐蝕，因此將錨桿與腐蝕性介質(zhì)隔離，使其無法接觸即可起到防腐的作用?，F(xiàn)階段大多防腐措施均是將巖體裂隙中的水和空氣與錨桿等支護結(jié)構(gòu)進行隔離，避免其接觸。具體可分為陰極保護法、涂層防護法、緩蝕劑添加法。

（1）陰極保護法可分為犧牲陽極的陰極保護法和外加電流的陰極保護法。犧牲陽極法是在錨桿表面鍍電位比鐵低的金屬，使兩者形成電偶腐蝕原電池，電位更低的作為陽極被腐蝕，而電位相對較高的鐵為陰極受到保護。錨桿采取熱浸鋅防腐是礦山企業(yè)最普遍的金屬表面防腐技術(shù)之一，也是犧牲陽極的陰極保護法的代表。

（2）涂層防護法是涂層通過自身化學(xué)特性與錨桿等支護結(jié)構(gòu)良好連接，其主要作用是提供一道物理和化學(xué)隔離層，阻止腐蝕介質(zhì)中的水、氧氣、鹽分等物質(zhì)與錨桿表面直接接觸，從而阻止腐蝕反應(yīng)的發(fā)生，起到防腐效果。

（3）緩蝕劑添加法是指在電解質(zhì)溶液中添加一些化學(xué)成分，抑制錨桿在電解質(zhì)溶液中電化學(xué)腐蝕的發(fā)生，從而起到防腐的效果。緩蝕劑的作用機理可分為電化學(xué)機理和物理化學(xué)機理2類。

井下環(huán)境錨桿腐蝕與防腐試驗研究關(guān)鍵問題

指出下一步研究的重點方向：深井高應(yīng)力巷道錨桿腐蝕破壞特征、濱海礦山圍巖錨桿溶蝕破壞機制、多參量交互作用下錨桿腐蝕失效行為以及復(fù)雜開采條件下防腐錨桿穩(wěn)定性研究。提出錨桿腐蝕破壞試驗?zāi)M研究中的關(guān)鍵技術(shù)難題：考慮實際預(yù)應(yīng)力的錨桿加速腐蝕試驗技術(shù)、濱海礦山圍巖—錨固結(jié)構(gòu)溶蝕試驗技術(shù)、支護結(jié)構(gòu)現(xiàn)場加速腐蝕試驗方法和不同腐蝕環(huán)境下防腐錨桿耐蝕性試驗技術(shù)。

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馮帆,李源浦,蔚登峰,等.地下礦山錨桿腐蝕與防腐蝕試驗研究現(xiàn)狀及展望[J].金屬礦山,2025(4):1-11.

作者簡介

馮 帆

山東科技大學(xué)教授，博士（后），山東省高校青年創(chuàng)新團隊帶頭人，山東省應(yīng)急管理專家，山東省科技專家?guī)鞂＜?，青島市C類人才。曾任美國科羅拉多礦業(yè)學(xué)院EMI實驗室助理研究員，山東黃金集團焦家金礦礦長助理（掛職）。兼任山東巖石力學(xué)與工程學(xué)會副秘書長，中國有色金屬學(xué)會深地礦建與資源開發(fā)專委會委員，中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會采礦巖石力學(xué)分會理事，礦業(yè)研究與開發(fā)理事會理事，《Deep Underground Science and Engineering》《中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報》《應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報》《金屬礦山》等期刊青年編委，《Frontiers in Built Environment》《Scientific Reports》《現(xiàn)代礦業(yè)》期刊編委。主要從事深部巖石力學(xué)與工程、深井地壓災(zāi)害機理與防控、金屬礦床綠色開采等方面的教學(xué)科研工作。主持國家自然科學(xué)基金（面上、青年項目）、山東省高校青創(chuàng)科技支持計劃、中國博士后科學(xué)基金、山東省應(yīng)急管理廳項目等縱向課題10項，承擔(dān)并參與企業(yè)委托課題20余項。獲山東省科技進步一等獎（R3）、遼寧省科技進步一等獎（R4）、中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會科學(xué)技術(shù)二等獎（R1）、中國黃金科學(xué)協(xié)會技術(shù)二等獎（R1）、山東省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)二等獎（R1）、綠色礦山科學(xué)技術(shù)一等獎（R2）等科技獎勵17項。在《Int J Rock Mech Min Sci》《J Rock Mech Geo Eng》《Rock Mech Rock Eng》《巖石力學(xué)與工程學(xué)報》等國內(nèi)外期刊/會議上發(fā)表學(xué)術(shù)論文77篇，以第一作者/通訊作者發(fā)表SCI、EI論文35篇（中科院一、二區(qū)期刊16篇，TOP期刊9篇，ESI高倍引論文4篇），出版學(xué)術(shù)專著2部，授權(quán)發(fā)明專利35項（首位8項，轉(zhuǎn)化4項）、軟件著作權(quán)9項（首位5項），參編團體標準1項。獲全國高校礦業(yè)石油與安全工程領(lǐng)域優(yōu)秀青年科技人才提名獎、綠色礦山創(chuàng)新貢獻個人獎、JCSU最佳論文獎、AIE突出貢獻科學(xué)論文獎等榮譽。

《金屬礦山》簡介

《金屬礦山》由中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國金屬學(xué)會主辦，主編為中國工程院王運敏院士，現(xiàn)為北大中文核心期刊、中國科技論文統(tǒng)計源期刊（中國科技核心期刊）、中國精品科技期刊（F5000頂尖學(xué)術(shù)論文來源期刊）、中國百強報刊、RCCSE中國核心學(xué)術(shù)期刊（A）、中國期刊方陣雙百期刊、國家百種重點期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊，被美國化學(xué)文摘（CA）、美國劍橋科學(xué)文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學(xué)技術(shù)振興機構(gòu)數(shù)據(jù)庫（JST）等世界著名數(shù)據(jù)庫收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機電與自動化、安全環(huán)保、礦山測量、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域具有重大學(xué)術(shù)價值或工程推廣價值的研究成果，優(yōu)先報道受到國家重大科研項目資助的高水平研究成果。根據(jù)科技部中國科技信息研究所發(fā)布的《2024中國科技期刊引證報告（核心版）》，《金屬礦山》核心總被引頻次位列26種礦業(yè)工程技術(shù)學(xué)科核心期刊第1位；根據(jù)中國知網(wǎng)發(fā)布的《中國學(xué)術(shù)期刊影響因子年報》（2024版），《金屬礦山》學(xué)科影響力位居73種礦業(yè)期刊第9位。

供稿：曾文旭

編排：余思晨

審核：王小兵

利用提供參考依據(jù)。

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