深部矿山锚固材料应力腐蚀失效及防治措施研究

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深部矿山锚固材料耐久性退化断裂问题一直是深部资源开发与利用面临的重要难题之一。地下开采过程造成的原岩应力的重新分布,使得锚固材料服役状态下所受应力发生动态变化,从而导致了锚固材料的腐蚀失效破坏。通过研究发现,这一过程是氢致应力腐蚀与阳极溶解在材料退化断裂过程中的时间耦合,这对于地下工程是极其危险的。目前,国内对于地下开采的锚固材料腐蚀性研究相对较浅,在防腐方法上更加贫乏。因此,本研究为延长锚固材料在服役环境下的使用寿命,首先通过实验室服役环境模拟,分析了锚固材料的腐蚀失效特点,研究发现锚固材料的腐蚀失效与其服役环境中含有的腐蚀介质有关。并以此确定了矿山服役锚固材料防腐需要隔绝金属部分与水腐蚀环境的接触,或者延长接触时间为主要防腐目标的实验设计理念。通过研究,确定使用涂层防腐手段对锚固材料进行保护。最终,对数种对氢致应力腐蚀开裂有抑制效果的涂层进行了实验室测试。本研究收集了某煤矿频繁失效锚杆的服役环境材料,并将收集到的环境材料在实验室以“腐蚀细胞”的方式进行了模拟实验。实验发现环境中的矿体或者围岩通过离子交换增加了地下水溶液离子溶度,间接加速了锚杆的腐蚀,证明了溶液中离子浓度与腐蚀速率成正相关关系。腐蚀是长期的过程,经过3个月的实验后,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,反映出矿物质能加速锚杆的腐蚀;相比于腐蚀介质仅为去离子水,锚杆在包含黏土或者煤的实验环境中腐蚀后的抗拉强度均有所降低。研究得出锚固材料腐蚀失效与其服役环境中含有的腐蚀介质有关,其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。环境中的矿物质通过离子交换改变了溶液中离子的浓度间接加速了锚杆腐蚀,进而降低锚固材料的力学性能。为探究不同涂层对深部锚固材料防腐蚀的性能,本实验研究了7种涂层的防腐性能包括热镀锌、聚氨基甲酸酯、环氧涂层、Everbrite、Silvershield、氯化橡胶、醇酸树脂。通过实验发现,未涂覆涂层的金属表面产生了大量的亚临界裂纹,并且裂纹呈大幅度扩展、汇合的趋势。有涂层保护的锚固材料基本未形成或形成少量的亚临界裂纹,每种试样的断口都呈现了典型撕裂形貌(TTS)。实验所展示出的涂层的防腐性能差异较大,其中环氧涂层以及氯化橡胶的防腐能力较强,镀锌层由于牺牲级防腐机理最弱。通过本实验的结果分析发现,部分涂层韧性较低可能在矿山环境下不具备普适性,但涂层材料的研究发展证明了涂层的效果与固化剂以及添加剂有关。单体涂层材料具有局限性,复合涂层还需要一定的发展年限。每种涂层最终都失效了,但涂层的应用都大大提高了实验中试样的寿命,实验结果为这些涂层今后在矿山的发展结果提供理论与技术支撑。
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