高腐蚀矿井螺栓的腐蚀特性及支护性能退化机制

《Process Safety and Environmental Protection》：Corrosion characteristics and support performance degradation mechanism of bolts in high-corrosion mines

　　

摘要深部煤矿的极端服役环境——其特征为高温、高湿、高矿化度水和高地应力——严重加剧了巷道支护材料的性能劣化。这导致了支护系统的加速失效，并对顶板冒落和两帮片帮等重大工程灾害构成关键风险。本研究调查了多因素耦合作用对锚固材料腐蚀的驱动效应，并揭示了岩石锚杆力学性能和支护承载系统在腐蚀演化过程中的劣化机制。结果表明，岩石锚杆和锚索的失效主要由点蚀诱导的应力腐蚀开裂（SCC）主导，断裂位置高度集中在距锚杆端部 16~75 cm 范围内。对于金属网和垫板等表面保护组件，主要失效模式是由均匀腐蚀驱动的开环裂纹，质量损失率分别超过 25% 和 40%。42 天加速腐蚀实验表明，等强锚杆表面出现明显的点蚀和微裂纹。其屈服载荷、极限载荷和断后伸长率随腐蚀时间增加呈非线性劣化。虽然质量损失与时间呈强线性正相关，但腐蚀速率遵循初始快速下降随后动态稳定的特征演化。本研究阐明了复杂深部矿井环境中锚固材料的腐蚀演化规律，为高可靠性支护系统的设计及深部地下工程的灾害防治提供了重要的理论基础。

引言随着浅部煤炭资源的逐渐枯竭，煤炭开采已全面转入深部地层。深部矿井的巷道通常面临高地应力、高地温和高矿化度水的极端服役环境（He 等，2005）。在这种复杂的地热 - 水文 - 力学 - 化学多场耦合下，巷道支护材料的服役耐久性面临严峻挑战（Zhong 等，2025；Wang 等，2024）。金属网和垫板等表面支护组件，常因严重腐蚀而在短时间内有效横截面积急剧减少。同时，岩石锚杆和锚索易发生由点蚀和应力腐蚀引起的隐蔽断裂。由于支护系统深埋于岩体内部，其腐蚀失效难以检测且突发性高（Jiang 等，2015；Adedigba 等，2018）。近年来，澳大利亚（Craig 等，2016；Vandermaat 等，2017；Wu 等，2018）、加拿大（Hadjigeorgiou 等，2008；Roy 等，2016）和中国部分地区（Chu 等，2023；Li 和 Du，2024；Xiao 等，2008）的矿井均报告了由支护材料在复杂水化学环境中长期腐蚀引发的锚固力衰减和大规模巷道坍塌事故。这些灾害对地下工人生命和矿井财产安全构成严重威胁，显著限制了深部煤炭资源的安全开采（Guo 等，2019；Peng 和 Timms，2020；Li 等，2025）。

关于岩石锚杆的腐蚀失效机制，全球研究人员已开展了广泛研究，表明失效的本质是多种环境因素驱动的电化学和机械损伤协同过程。从材料微观结构和环境相互作用的角度来看，岩石锚杆的点蚀往往起源于内部夹杂物，闭塞区域的局部酸化是加速失效的主要驱动力（Chu 等，2021；Li 等，2019）。深部岩层复杂的矿物组成和地下水的水化学环境进一步加剧了腐蚀过程。例如，粘土矿物通过改变局部水化学性质间接加速钢材腐蚀（Wu 等，2019；Wu 等，2020）。同时，岩体初始温度的升高可能会增强腐蚀过程的强度。一方面，较高的温度增加了电解质溶液中离子的迁移率和溶解氧的扩散系数，从而促进阴极去极化反应。另一方面，升高的温度也可能改变锚杆表面腐蚀产物的结构和致密性，从而影响腐蚀的持续发展。此外，在复杂地压和高矿化度环境中，由腐蚀坑或锚杆几何形状引起的局部应力集中很容易引发应力腐蚀开裂和氢脆，这是岩石锚杆瞬时断裂的根本机制（Elias 等，2013；Gamboa 和 Atrens，2003；Wang 等，2021）。值得注意的是，在复杂的高应力和高盐度条件下，传统的镀锌防腐工艺甚至可能促进腐蚀（He 等，2025；Kim 等，2022）。

在应力和腐蚀介质的长期耦合作用下，岩石锚杆承载系统的宏观力学性能劣化仍是学术界的关注焦点。研究表明，虽然某些岩石锚杆的短期均匀腐蚀率相对较低（Spearing 等，2010；Wang 等，2025），但腐蚀产物膜的动态演化和特定离子（如 Cl?、Mg2?、SO?2?）的浓缩效应显著调节着长期腐蚀过程（Qiu 等，2023；Zhang 等，2023）。更重要的是，处于受力状态的岩石锚杆对腐蚀环境极其敏感；预应力的施加显著加速了锚杆杆体的腐蚀和注浆 - 锚杆界面粘结性能的劣化（Liu 和 Chen，2023；Zhang 等，2025；Zhang 等，2024）。在潮湿和侵蚀性溶液中，受载荷岩石锚杆的极限承载能力和塑性指标随载荷和时间的增加表现出非线性和急剧下降，显示出明显的离子浓度阈值效应（Liu 等，2025；Xiao 等，2007）。基于这些观察，提出了“应力 - 腐蚀 - 缺陷”三元耦合模型，表明应力下缺陷部位的腐蚀速率可增加 3 到 6 倍。点蚀深度的增加被认为是导致屈服载荷和极限强度显著下降的主导因素（Zhao 等，2007）。

总之，现有研究系统地讨论了锚固材料的腐蚀行为，从微观灾害机制到宏观力学演化。然而，对于千米级深部矿井的极端环境，针对长期腐蚀特性、多因素协同灾害机制以及防护工艺有效性的系统性和针对性定量研究仍然缺乏。因此，以深部巷道的高腐蚀环境为工程背景，本文首先通过现场调查识别了巷道支护材料的典型腐蚀特征。分析了不同环境因素对腐蚀程度的驱动作用，并揭示了腐蚀锚杆的灾害机制。随后，基于长期盐雾腐蚀模拟测试，系统量化了腐蚀锚杆表面形貌的动态演化和力学性能的劣化，揭示了腐蚀作用下巷道锚固结构的灾变机制。本研究旨在为类似深部高腐蚀矿井支护系统的材料选择和灾害防治提供理论基础和工程指导。

片段章节支护材料的现场腐蚀特征为了系统了解腐蚀现状，在巨野煤田某煤矿的 11 条巷道中进行了多次现场调查。巷道的具体名称和测量点详见表 1。现场调查期间共建立了 10 个测量点。具体监测参数包括巷道的温湿度、支护材料的腐蚀特征及其

实验设备与材料为了研究矿井锚杆的腐蚀特征及其腐蚀后力学性能的演化规律，选取了煤矿常用的等强锚杆（Φ22×2500 mm）。这些锚杆被加工成 400 mm 的短试样以便于实验。实验材料如图 7 所示。所用的锚杆等级为 MG335。除了主要元素铁（Fe）之外，材料还含有碳（C）等元素，

腐蚀对锚杆力学性能的影响图 13 展示了不同腐蚀时间下锚杆力学性能的演化模式。测试过程中，锚杆杆体两端直接由万能试验机的液压夹具夹持，无任何额外的锚固组件。如图 13(a) 所示，随着腐蚀时间的增加，锚杆的屈服载荷、极限载荷和伸长率呈现逐渐下降的趋势，表明均匀腐蚀施加了持续的

高腐蚀环境下锚杆的腐蚀机制矿井支护材料的腐蚀通常可分为两大类：均匀腐蚀和非均匀腐蚀（如点蚀、坑蚀和应力腐蚀）（Liu 等，2024；Sun 等，2025）。其中，应力腐蚀开裂（SCC）对岩石锚杆的承载能力影响最为深远（Chen 等，2022）。以岩石锚杆腐蚀为代表案例，现场水化学分析表明，矿井水呈弱碱性。

结论（1）.锚固和支护材料的腐蚀受巷道温湿度、矿井水矿化度以及锚杆应力共同控制。围岩通过改变矿井水的 pH 值和矿化度间接影响腐蚀。岩石锚杆和锚索主要表现为起源于点蚀的应力腐蚀，断裂主要位于距端部 16~75 cm 之间。相比之下，金属网等表面支护材料，

缩写与符号
η 质量损失率 (%)
r0 锚杆原始半径 (mm)
r1 腐蚀后锚杆半径 (mm)
ρs 相关系数
t 腐蚀时间 (天)
γ 腐蚀速率 (g/(mm2·d))
m0 腐蚀前锚杆质量 (g)
m1 腐蚀后锚杆质量 (g)
S 锚杆横截面积 (mm2)
?p/p 承载能力损失百分比 (%)
?r 腐蚀后锚杆径向损失 (mm)
α 显著性水平
p 显著性检验的 p 值
R2 决定系数

利益冲突声明作者声明，他们没有已知的可能影响本论文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢本研究得到了国家自然科学基金（批准号 52274102）的支持。

作者贡献所有作者均对本工作做出了贡献。概念化，Gu WZ, Wang RY 和 Liu CY；方法论，Gu WZ，Liu CY, Xu J 和 Cheng JY；软件，Yuan CF, Wang RY 和 Sheng FT；正式分析和调查，Sun X, Yuan CF 和 Sheng FT；资源，Cheng JY 和 Gu WZ；数据整理，Wang H 和 Xu J；写作，Sun X, Yuan CF, Wang H 和 Liu CY；资金获取，Cheng JY。所有作者

Gu Wenzhe|Liu Chengyong|Cheng Jingyi|Yuan Chaofeng|Sheng Fengtian|Sun Xin|Wang Hua|Xu Jie|Wang Ruiyan