某沿海地下矿山腐蚀环境评价及腐蚀致锚杆破坏分析

摘要

作为一种有效的接地强化系统，锚杆已被广泛应用于地下发掘。锚杆的腐蚀一直是最原因锚杆系统故障之一。在本文中，在三山岛金矿地下水的化学组成和pH值矿首先测试。在矿井巷道的使用开槽锚杆的腐蚀进行了分析。锚杆的腐蚀速率是基于从类似的腐蚀条件的实验结果进行评估。起因于所述锚杆的腐蚀锚固力降解时间相关分析模型。此外，讨论了腐蚀速率和对锚固力降解开槽锚杆的几何参数的影响。在锚杆建议支持腐蚀性环境设计中给出。已经发现，随着腐蚀时间的增加，岩石和锚杆的锚固力逐渐减小。腐蚀速率越大，更快的锚固力降低。 For long-term service roadways under corrosive conditions, a slotted rockbolt with a smaller radius and thicker wall can enhance the anchoring force.

1.介绍

锚杆支护是一种保持地下开挖稳定的有效的地基加固系统，广泛应用于地铁、公路隧道和地下矿山。锚杆的性能受到使用环境的影响，例如地应力、岩石性质和地下水。含复杂化学成分的地下水可引起锚杆腐蚀。锚杆锈蚀是许多地下建筑所关注的问题，它会导致加固体系失效，最终导致地下开挖破坏[1]。2014年中国煤矿地下建设的腐蚀成本估计约为122.7亿美元[2]。因此，对地下矿山锚杆腐蚀及其对地下构筑物稳定性的影响进行研究是十分必要的。

锚杆根据材料的不同可分为金属锚杆和非金属锚杆[3-五]。非金属锚杆由木材或玻璃制成，用于一些临时的支护情况。全世界每年安装数百万个金属锚杆。目前对锚杆的研究大多只考虑锚杆的力学性能，而不考虑其结构的变化。前对成因进行了拉拔力测试,发现螺栓轴向应力的减小指数从和加载的螺栓(6]。陈等人。提出了充分灌浆螺栓荷载传递特性的[分析模型7，8]。马等人。进行数值模拟来调查在张力锚杆的非线性行为。康等人。研究结构的稳定性与动态负载下的锚杆支护[9，10]。

随着锚杆使用时间和用量的增加，锚杆锈蚀现象越来越普遍。一些研究者关注腐蚀对岩石支护加固性能的影响。Crosky和Hebblewhite分析了来自澳大利亚四个地下矿井的44个破裂的锚杆，发现大部分破裂的锚杆似乎是由于腐蚀而失效的[1]。Wu等对煤矿井下钢网腐蚀进行了分析，发现井下建筑处于典型的腐蚀状态[11]。此外，Wu等人开发了模拟锚索螺栓应力腐蚀开裂的框架[12，13]。Song等人。引入智能传感器的应用中监测锚杆的腐蚀[14]。Vandermaat等。提出了用于预测受应力腐蚀开裂的锚杆破坏应力的背计算方法。然而，对于地下开采目前岩土工程设计方法有关于锚杆的腐蚀和对地下建筑的稳定性的影响的信息，只有少量[15]。开槽锚杆是一种锚杆，利用锚杆与岩石之间的摩擦阻力工作。14]。开槽锚杆安装容易且成本低廉，这是在地下矿井中最常见的锚杆。造成腐蚀开槽锚杆的锚固力下降并没有被很好地理解。

本文试图以评估开槽锚杆和腐蚀引起的锚固性能下降的腐蚀沿海地下矿井。锚杆和三山岛金矿流动的地下水的工作状态，我的是第一个分析。地下水的化学组成和pH值进行了测试。然后锚杆的腐蚀讨论并腐蚀速率是基于从几个相似的地雷的实验结果来估计。对于由腐蚀引起的锚固力降解时间相关分析模型。讨论的腐蚀速率和对锚固力降解锚杆的几何设计的影响。最后，在锚杆支护设计建议供矿的腐蚀状况。

2.三山岛金矿的腐蚀环境评估

三山岛矿区是地下金矿位于胶东半岛，其中最大的黄金资源在中国的存在。如图1，矿是沿海矿和存款的一部分是海下。矿井的水文地质是复杂的，因为三次故障与一系列在矿区厚度1〜10米存在的。此外，故障F2发育成渤海，这导致了强大的水的电导率。为了评价地下水条件，地下水涌出调查首先进行。

该矿巷道地下水流入情况如图所示2。由此可以看出，地下水非常丰富的矿。水涌入和渗出从周围的岩石。根据成矿地质条件，可能是地下水来源于储存在岩石中的古海水。数字图2（a）说明支撑钢已被腐蚀。数字图2（b）表明巷道顶部岩石表面已被溶解。这种红褐色的物质是岩石中矿物腐蚀的产物。三山岛金矿的总涌水量约为14000米³/天。

地下水的化学成分对钢锚杆的腐蚀过程中显著的效果。地下水准确的化学分析被执行。水样在不同的深度从15个典型流入点收集原位。所推荐的水试验规程ISO / TS 13530：2009 [16]，通过离子色谱法得到水样的离子组成，通过电极法得到pH值。地下水样品的主要离子组成和pH值见表1。可以发现，地下水的主要阴离子是Cl^-， ，和 ，和地下水的主要阳离子是钠⁺， ，和 。Cl的浓度值^-11,728.50 25,382.65〜mg / L的范围内的范围。该氯的平均值^-浓度为18,737.90 mg/L，接近Cl^-海水浓度的标准(17]。此外，地下水值的pH值的范围内4.68〜7.14和的平均值为6.18。因此，三山岛金矿的地下水主要是酸性水。阴离子和阳离子与地下水的最高含量为Cl^-和钠⁺， 分别。酸地下水有Cl的含量高^-使锚杆服务于腐蚀环境的金属。锚杆的腐蚀不应该为保持稳定的巷道被忽略。

3.锚杆腐蚀巷道

3.1。锚杆的腐蚀袭击了地下水

三山岛金矿开挖深度已达-800米，地应力较高。为了保证巷道的稳定和安全，大量使用锚杆支护岩石。考虑到采矿成本，矿山使用的锚杆为带槽金属锚杆，如图所示3。道路的开挖后，钻孔钻出，然后将开槽螺栓安装到井眼。钻孔的直径大于所述锚杆的直径。径向弹簧力由C形钢管的压缩和岩石并生成螺栓之间的紧密摩擦接触而产生。有许多断层和裂缝路面的岩石，它可以是地下水绕过。如在图中所示4，地下水从断层和裂缝进入道路流动，达到攻击锚杆。因为氯离子和地下水的低pH值的高含量的，电化学腐蚀细胞形成，然后将锚杆逐渐腐蚀。哈塞尔在澳大利亚[总结下几个地下矿山锚杆的腐蚀速率15]。表中介绍了锚杆的腐蚀速率和工作条件2。可以看出，在不同的腐蚀环境下的腐蚀速度的范围为0.08毫米/一个1.32毫米/一个。而且温度对腐蚀速率显著的影响。根据在混凝土钢筋腐蚀的理论，较高的温度，较大的钢筋的腐蚀速率为[18，19]。地下水中三山岛金温度矿从35℃至45而变化℃。开采深度越深，温度越高。在三山岛地下水的平均氯离子含量矿比在企业矿约大7倍。此外，地下水中三山岛pH值矿比在表地雷下2。可以估计，三山岛金矿的锚杆腐蚀速率高于或接近表中所示的矿山2。需要指出的是，锚杆的腐蚀速率与氯离子、温度、氧和金属成分等有关。本文试图对锚杆在不同腐蚀速率下的破坏进行分析。

3.2。锚固力降解锚杆腐蚀所致

锚杆的锚固力是最大的力从岩石，这是评估的支持效果的最重要参数拉出锚杆时。在锚杆配套并未考虑锚杆的腐蚀最为研究。开槽锚杆的力学模型显示在图五。

该模型描述了一个二维平面应变问题。假设岩石和锚杆之间的载荷是均匀的。圆管的最大应力可以表示为 哪里是锚杆的最大应力，其为用于计算最大应力锚固屈服应力;为最大径向应力;为锚杆内半径;和是锚杆的厚度。

摩擦力岩石和锚杆之间能够作为获得 哪里是岩石和螺栓之间的摩擦系数。

合并（1）和（2)时，最大摩擦力可表示为 锚杆沿长度方向摩擦力呈双曲线分布，最大值在巷道表面[20，21]。锚固力可表示为 哪里ñ是锚固力;为锚杆长度;和是与岩石锚杆和变形性能系数： 哪里是岩石的剪切刚度和为锚杆的弹性模量。

腐蚀使开槽锚杆厚度随时间减小: 哪里是开槽锚杆的初始厚度;Ť是多年来腐蚀时间;和在深度腐蚀速率。

锚杆的时变锚固力可由上述方程计算。参数值和单位如表所示3。

数字6说明了在不同的腐蚀速率随时间变化的锚固力。由此可以看出，锚杆的锚固原力约为42千牛具有与设计值吻合良好。最初的锚固力可以保证道路的三山岛金矿的稳定性。随着服务时间的延长，锚固力逐渐下降。这是因为腐蚀降低了开槽锚杆的有效厚度。腐蚀速率越大，更快的锚固力降低。当腐蚀速率为1mm /年，锚固力减小到在第一年初始值的一半，而当腐蚀速率为0.05mm /年，锚固力降低到在第十年的初始值的约60％。因此，锚杆的腐蚀对锚固力大显著的影响。如果设计或使用锚杆时，腐蚀还没有考虑，巷道可能会在服务期间不稳定。应当指出的是，在锚固力的分析只考虑开槽锚杆的厚度减小。 The effects of corrosion products on frictional coefficient and stress corrosion cracking of rockbolts are not considered. In fact, with the corrosion degree increasing of rockbolt, the corrosion products will be washed away by the flowing groundwater. The strength of rockbolt would be reduced because of corrosion. Moreover, the stress corrosion of rockbolt may occur under high stress conditions. However, the effects of corrosion on the frictional coefficient and the strength of the slotted rockbolt are not very clear now. More experimental researches should be carried out on the corrosion of rockbolt.

3.3。锚杆锚固力退化的参数化研究

开槽锚杆的半径、厚度和长度是锚杆设计时的三个重要参数。以0.5 mm/a腐蚀速率为例，讨论了开槽锚杆半径、厚度和长度对锚固力的影响。数字7示出锚杆的不同半径下的锚固力降低。所述锚杆半径越小，较大的锚固力是。随着腐蚀时间的增加，锚固力越来越小。锚杆的半径对最终的故障时间几乎没有影响。然而，在锚杆的有效服务期内，锚杆半径较小的值有道路更好的锚固能力。数字8举例说明了开槽锚杆在不同厚度下的锚固力。可以发现，锚杆越厚，锚固力越大。与厚度2.0毫米,割缝岩栓锚固力降低到10 kN大约1.5年当厚度3.0毫米的锚固力大约是35 kN。因此，对于腐蚀环境下的巷道，有必要使用较厚的开槽锚杆。锚杆长度对锚固力的影响如图所示9。可以看出的是，较长的锚杆是，较大的锚固力，虽然对于锚杆的长期服务时间，锚固力为锚杆的不同长度相似。

4.腐蚀性地下矿山锚杆支护设计建议

锚杆支护是在地下矿井巷道中最常见的类型支持。然而，许多道路失效事故的发生是由于不恰当的锚杆支护设计。在地下矿井巷道中的service期间根据道路的目的，从约1至50年不等。大多数管理者简化道路为临时建筑，而忽略道路的耐用性。然而，锚杆的腐蚀，对巷道的稳定性有很大significiant影响，积极挖掘，尤其是高腐蚀环境或长期服务的道路。下面的建议是为下腐蚀性地下矿井锚杆支持下式给出：（1）地下水流入Comprehesive测试和分析，地下水的化学组成，岩石的裂缝网络，和腐蚀速率应进行。的corroson率和金属锚杆的腐蚀程度应进行测量和监测。（2）道路的使用时间应该在设计锚杆支护时予以考虑。对于腐蚀条件下长期服务的道路，以较小的半径和壁较厚开槽锚杆可以增强锚固力。（3）在应力腐蚀和锚杆和在岩石锚杆和之间的摩擦腐蚀的效果的点蚀多的研究可以用于更好地理解腐蚀引起的故障锚杆来进行。 (4) Corrosion prevention methods like barrier coatings and hot-dip galvanization can be used to prevent or minimize rockbolt corrosion. Special rockbolts made of stainless steel or fiber reinforced plastics can be used under economic permitted level.

5。结论

在本文中，在三山岛金矿地下水的化学组成和pH值进行第一次测试。在道路使用的开槽锚杆的腐蚀机理进行了分析。基于相似的腐蚀条件的结果锚杆的潜在的腐蚀速度进行了评价。所造成的腐蚀锚杆的锚固力退化的分析模型。此外，腐蚀速率和对腐蚀引起的锚固力降解锚杆的几何参数的影响进行了研究。最后，在腐蚀地下矿山锚杆支护设计提出了建议。已经发现，在三山岛金矿的地下水中含有高浓度的氯离子和地下水范围内4.68〜7.14的pH值。在道路使用的金属开槽锚杆是在裂缝中流动的地下水攻击。据估计，开槽锚杆的腐蚀速率在0.5〜1.5毫米/ a的范围。岩石和锚杆之间的锚固力将逐渐与锚杆增加腐蚀时间减少。 The larger the corrosion rate is, the faster the anchoring force decreases. For long-term service roadways under corrosive conditions, a slotted rockbolt with a smaller radius and thicker wall can enhance the anchoring force.

数据可用性

用来支持这项研究的结果的数据是可用的，请相应的作者。

同意

已收到所有作者明确的同意提交。

的利益冲突

作者宣称，他们没有利益冲突。

致谢

本研究由国家自然科学基金(No. 51774022)和国家重点研发计划(No. 2017YFC0804101, No. 2018YFE0101100)资助。

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