山东科技大学冯帆团队：地下矿山锚杆腐蚀与防腐蚀试验研究现状及展望

锚杆支护技术是采矿工程等领域中最常用的围岩加固方式之一。井下支护结构作业环境极其复杂，常处于高温、高应力和强腐蚀环境之中，导致支护结构腐蚀失效现象频发，从而增加了巷道失稳、突水、塌方等重大灾害的风险，严重制约地下矿产资源安全高效开发利用。国际预应力协会（FIP）岩土锚固工作小组曾对35例锚杆（索）腐蚀破坏工程实例进行了详细统计分析，发现永久锚固锚杆（索）占69%，临时锚杆占31%，服役期在两年以内及两年以上发生腐蚀破坏的锚杆各占1/2。因此，开展地下矿山锚杆的腐蚀机理与防腐蚀技术研究具有重要理论和现实意义。

国内外学者针对锚杆腐蚀破坏成因、腐蚀机理以及防腐对策开展了大量的室内试验研究工作，并取得了阶段性的进展和富有成效的研究成果。在充分总结前人研究成果的基础之上，山东科技大学冯帆教授团队锚杆腐蚀影响因素、腐蚀效果试验、腐蚀机理以及防腐蚀效果试验4个方面，系统梳理与总结了地下矿山锚杆腐蚀与防腐蚀试验研究现状与发展历程。在此基础上，凝练了当前锚杆腐蚀破坏试验研究中的关键科学问题和关键技术难题，对其未来发展趋势和研究方向进行了探讨，以期为井下支护结构的腐蚀防护提供有益的借鉴和参考。

锚杆的腐蚀影响型因素

锚杆的支护主要体现为对岩体的支撑与加固，从而有效减少围岩的位移和变形，进而增强围岩的整体稳定性。现有研究结果表明，锚杆腐蚀的影响因素繁多，既包括作业环境的外部因素，又涉及锚杆自身材质的内在问题。

在高湿环境下，锚杆表面易于形成电解液水膜，从而促进电化学腐蚀过程；通常情况下，相对湿度与腐蚀成都呈现出先增后减的趋势。温度被视为腐蚀反应的催化剂，随着温度的升高，支护结构表面液膜的离子运动加剧，进而导致化学反应速率的提高，从而加快腐蚀速率。预应力的存在增加了锚杆应力腐蚀破坏的可能，相较于无预应力锚杆，预应力的存在会促进锚杆的单位长度腐蚀量和力学性能损伤。溶解氧通过影响电化学反应的阴极反应，进而影响腐蚀进程，相关研究表明：随着通氧量的增加，腐蚀电流呈现出先增大后减小的趋势，存在一个最不利的含氧量，此时腐蚀速率达到峰值。pH值对锚杆的腐蚀性很大程度取决于腐蚀产物在锚杆表面的溶解度，随着pH的减小，锚杆的腐蚀速率逐渐增加。在矿井水腐蚀研究中，现有研究认为Cl和SO^2-对锚杆及其砂浆保护层的腐蚀破坏性最为强烈，其中，Cl对其侵蚀破坏占主导地位，且离子浓度也会进一步影响腐蚀速率，在某一特定浓度范围内，腐蚀速率会达到峰值。

图1 支持结构作业环境与影响因素

锚杆腐蚀效果室内试验研究

在腐蚀环境下，锚杆的力学性能逐渐下降最终导致其破坏断裂。为保障矿井巷道稳定，探究锚杆等支护结构在腐蚀环境下的使用寿命具有重要意义。通过现场监测的方式分析锚杆在腐蚀环境下的稳定性往往会消耗巨大的人力物力，且具有现场腐蚀速率过慢、时间成本过高等问题。因此，国内外学者大多采用室内加速腐蚀并结合力学性能试验的方式对锚杆腐蚀失效情况进行客观评价。盐雾试验、浸泡试验、电化学腐蚀试验是当前主要用于探究锚杆等支护结构腐蚀破坏的3种加速腐蚀试验。

（1）盐雾试验适用于评价金属材料及覆盖层的耐蚀性，试验时将试样置于盐雾箱内置物棒与V型槽上，盐水经空压机导入气压雾化从喷雾塔喷出，自然均匀降落于试样表面。

（2）浸泡试验是将试样完全浸泡在特定腐蚀性溶液中，并在规定的时间和温度条件下进行测试。根据试样浸泡位置的不同又可分为全浸试验、半浸试验和间浸试验。试验过程中，随着腐蚀时间的推移，离子浓度、酸碱性逐渐减弱。为保证试验的严谨性，需定期更换腐蚀溶液从而控制试验变量保持不变。

（3）电化学腐蚀试验可分为电解加速腐蚀试验与腐蚀试验过程中的电化学测试。电解加速腐蚀试验的基本原理为通过施加外加电源，‌使得电极电位较高的氧化性离子在阴极放电还原，‌而阳极区电极电位较低的较活泼金属失电子被氧化，‌成为阳离子脱离试样表面，‌形成阳极的腐蚀。电化学测试是通过测量试样在特定电化学环境中的电流和电位变化来评估其耐腐蚀性能的试验方法。

锚杆腐蚀机理分析

锚杆的腐蚀机理大体可分为电化学腐蚀和化学腐蚀。由于井下围岩与水分的混合物形成了电解质环境，锚杆等支护结构腐蚀破坏大多以电化学腐蚀为主。

电化学腐蚀是指锚杆在电解质溶液中受到电流发生电化学反应的过程。由于井下围岩与水分的混合物形成了电解质环境，锚杆等支护结构腐蚀破坏大多以电化学腐蚀为主。电化学腐蚀可分为阴极反应和阳极反应两部分。锚杆在阳极发生溶解，产生电子变成金属离子，阴极反应根据溶液pH值的不同可分为析氢腐蚀和吸氧腐蚀。当溶液呈酸性时，即H浓度较高，H作为去极化剂与阳极释放的电子结合生成H，从而促进锚杆腐蚀。当腐蚀环境呈中性或碱性时，溶液中的O作为去极化剂，与阳极电子结合，吸收电子从而促进锚杆腐蚀。同时由于氧气的还原电位比氢气高，吸氧腐蚀发生比析氢腐蚀更易发生，破坏性也更大。

锚杆防腐效果室内试验研究

随着服役年限的增长，早期支护系统腐蚀失效现象频发，为确保地下开采的安全进行，对支护结构进行防腐格外重要。众多学者根据锚杆的腐蚀破坏机理，开展了大量的防腐试验研究。锚杆与腐蚀性介质接触形成原电池，产生电流才会发生电化学腐蚀，因此将锚杆与腐蚀性介质隔离，使其无法接触即可起到防腐的作用。现阶段大多防腐措施均是将岩体裂隙中的水和空气与锚杆等支护结构进行隔离，避免其接触。具体可分为阴极保护法、涂层防护法、缓蚀剂添加法。

（1）阴极保护法可分为牺牲阳极的阴极保护法和外加电流的阴极保护法。牺牲阳极法是在锚杆表面镀电位比铁低的金属，使两者形成电偶腐蚀原电池，电位更低的作为阳极被腐蚀，而电位相对较高的铁为阴极受到保护。锚杆采取热浸锌防腐是矿山企业最普遍的金属表面防腐技术之一，也是牺牲阳极的阴极保护法的代表。

（2）涂层防护法是涂层通过自身化学特性与锚杆等支护结构良好连接，其主要作用是提供一道物理和化学隔离层，阻止腐蚀介质中的水、氧气、盐分等物质与锚杆表面直接接触，从而阻止腐蚀反应的发生，起到防腐效果。

（3）缓蚀剂添加法是指在电解质溶液中添加一些化学成分，抑制锚杆在电解质溶液中电化学腐蚀的发生，从而起到防腐的效果。缓蚀剂的作用机理可分为电化学机理和物理化学机理2类。

井下环境锚杆腐蚀与防腐试验研究关键问题

指出下一步研究的重点方向：深井高应力巷道锚杆腐蚀破坏特征、滨海矿山围岩锚杆溶蚀破坏机制、多参量交互作用下锚杆腐蚀失效行为以及复杂开采条件下防腐锚杆稳定性研究。提出锚杆腐蚀破坏试验模拟研究中的关键技术难题：考虑实际预应力的锚杆加速腐蚀试验技术、滨海矿山围岩—锚固结构溶蚀试验技术、支护结构现场加速腐蚀试验方法和不同腐蚀环境下防腐锚杆耐蚀性试验技术。

原文下载

冯帆,李源浦,蔚登峰,等.地下矿山锚杆腐蚀与防腐蚀试验研究现状及展望[J].金属矿山,2025(4):1-11.

作者简介

冯 帆

山东科技大学教授，博士（后），山东省高校青年创新团队带头人，山东省应急管理专家，山东省科技专家库专家，青岛市C类人才。曾任美国科罗拉多矿业学院EMI实验室助理研究员，山东黄金集团焦家金矿矿长助理（挂职）。兼任山东岩石力学与工程学会副秘书长，中国有色金属学会深地矿建与资源开发专委会委员，中国岩石力学与工程学会采矿岩石力学分会理事，矿业研究与开发理事会理事，《Deep Underground Science and Engineering》《中国矿业大学学报》《应用基础与工程科学学报》《金属矿山》等期刊青年编委，《Frontiers in Built Environment》《Scientific Reports》《现代矿业》期刊编委。主要从事深部岩石力学与工程、深井地压灾害机理与防控、金属矿床绿色开采等方面的教学科研工作。主持国家自然科学基金（面上、青年项目）、山东省高校青创科技支持计划、中国博士后科学基金、山东省应急管理厅项目等纵向课题10项，承担并参与企业委托课题20余项。获山东省科技进步一等奖（R3）、辽宁省科技进步一等奖（R4）、中国岩石力学与工程学会科学技术二等奖（R1）、中国黄金科学协会技术二等奖（R1）、山东省高等学校科学技术二等奖（R1）、绿色矿山科学技术一等奖（R2）等科技奖励17项。在《Int J Rock Mech Min Sci》《J Rock Mech Geo Eng》《Rock Mech Rock Eng》《岩石力学与工程学报》等国内外期刊/会议上发表学术论文77篇，以第一作者/通讯作者发表SCI、EI论文35篇（中科院一、二区期刊16篇，TOP期刊9篇，ESI高倍引论文4篇），出版学术专著2部，授权发明专利35项（首位8项，转化4项）、软件著作权9项（首位5项），参编团体标准1项。获全国高校矿业石油与安全工程领域优秀青年科技人才提名奖、绿色矿山创新贡献个人奖、JCSU最佳论文奖、AIE突出贡献科学论文奖等荣誉。

《金属矿山》简介

《金属矿山》由中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司和中国金属学会主办，主编为中国工程院王运敏院士，现为北大中文核心期刊、中国科技论文统计源期刊（中国科技核心期刊）、中国精品科技期刊（F5000顶尖学术论文来源期刊）、中国百强报刊、RCCSE中国核心学术期刊（A）、中国期刊方阵双百期刊、国家百种重点期刊、华东地区优秀期刊，被美国化学文摘（CA）、美国剑桥科学文摘（CSA）、波兰哥白尼索引（IC）、日本科学技术振兴机构数据库（JST）等世界著名数据库收录。主要刊登金属矿山采矿、矿物加工、机电与自动化、安全环保、矿山测量、地质勘探等领域具有重大学术价值或工程推广价值的研究成果，优先报道受到国家重大科研项目资助的高水平研究成果。根据科技部中国科技信息研究所发布的《2024中国科技期刊引证报告（核心版）》，《金属矿山》核心总被引频次位列26种矿业工程技术学科核心期刊第1位；根据中国知网发布的《中国学术期刊影响因子年报》（2024版），《金属矿山》学科影响力位居73种矿业期刊第9位。

供稿：曾文旭

编排：余思晨

审核：王小兵

利用提供参考依据。

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