錨桿作為巷道支護體系中的受拉構件，錨固段和自由段深入圍巖，錨頭裸露，其工作環境見圖1。

錨桿的工作環境決定了其易受pH、侵蝕介質、溶解氧濃度、溫度、濕度等因素影響。如陜西省彬長礦區高家堡煤礦，其回采巷道支護錨桿在高溫高濕的硫化氫礦井環境中發生了嚴重的腐蝕現象，見圖2。

有效支護的錨桿在應力和腐蝕環境耦合作用下易發生應力腐蝕開裂。針對應力腐蝕，CHEN等分析了錨桿在礦井環境中的應力腐蝕行為，發現錨桿應力腐蝕開裂現象僅發生在特定的應力環境中，這主要是因為錨桿所處應力環境復雜，原巖應力、擾動應力等外加應力之間可能存在耦合作用，使錨桿基體金屬無法產生局部應力集中。

褚曉威等開展了高礦化度礦井水環境中錨桿應力腐蝕試驗，發現拉應力參與了應力腐蝕裂紋孕育擴展全過程，其與局部腐蝕協同作用使錨桿金屬晶面產生應力集中，促進應力腐蝕裂紋形核并快速擴展；而壓應力會阻礙金屬錨桿產生局部應力集中，減弱錨桿應力腐蝕敏感性。

針對礦井環境酸堿度對錨桿腐蝕速率的影響，HASSELL等開展了不同pH環境下的錨桿腐蝕試驗，結果表明錨桿腐蝕速率在pH>4的環境中變化較小，在pH≤4的環境中變化較大；出現該現象的原因是近中性和堿性環境中僅有少量H+，錨桿表面氧化膜不易被破壞，可以持續發揮保護作用；而酸性環境中H+含量較高，錨桿表面氧化膜易受H+破壞，使錨桿基體金屬大面積暴露于腐蝕環境中，從而加快錨桿腐蝕速率。

石林等研究了Cl-、SO42-對錨桿腐蝕形態的影響，發現Cl-、SO42-因半徑較小而具有強穿透性，易破壞錨桿表面氧化膜，誘導點蝕形核發展。此外，Cl-、SO42-的穿透破壞作用隨著礦井水鹽度的增大而增大，錨桿在高鹽度礦井水環境中更易發生局部腐蝕。

謝飛等研究了溶解氧環境下的錨桿腐蝕行為，發現存在一個臨界溶解氧濃度使錨桿單位腐蝕量達到峰值，這主要是因為在高溶解氧濃度環境下錨桿表面金屬易氧化形成氧化膜，這層氧化膜可對腐蝕環境起到屏障作用，從而減緩錨桿腐蝕速率。

曹琛等分析了不同溫度環境下的錨桿腐蝕行為，發現當溫度≤40 ℃時，錨桿表面氧化膜穩定，錨桿腐蝕速率受溫度變化的影響較?。划敎囟?gt;40 ℃時，錨桿表面氧化膜破裂，錨桿腐蝕速率在侵蝕介質和溶解氧的共同作用下急劇升高。

腐蝕機理

礦井腐蝕環境中金屬錨桿主要經歷3個腐蝕過程：

① 礦井水附著于金屬錨桿表面發揮電解質作用，誘導金屬錨桿發生電化學腐蝕；

② 礦井水中侵蝕介質破壞金屬錨桿表面氧化膜，誘導金屬錨桿點蝕形核生長；

③ 礦井圍巖應力與腐蝕環境協同作用，誘導金屬錨桿應力腐蝕開裂。

01

電化學腐蝕 

圖3 錨桿電化學腐蝕機理

在侵蝕介質作用下，金屬錨桿基體裸露，錨桿電化學腐蝕得以繼續進行。由于此過程中的陰極反應消耗了大量氧氣，因此在中性或堿性環境中的錨桿腐蝕亦被稱為吸氧腐蝕。

圖5 吸附模型示意圖

圖6 局部破壞模型示意圖

點蝕生長機理模型見圖7。點蝕形核后，錨桿表面進一步腐蝕形成閉塞電池，一部分形核中心因處于封閉體系中逐漸消失，其余形核中心進一步發育形成小型點蝕坑。小型點蝕坑內Fe3+和Fe2+水解使孔內環境呈酸性，導致坑內金屬再鈍化電位升高。同時，Cl-經錨桿表面氧化膜大量轉移至小型點蝕坑內，提高了點蝕坑內溶液的導電性，使點蝕坑內金屬處于電位為負的活性狀態，而點蝕孔外金屬因環境中離子濃度的降低處于電位為正的鈍化狀態，進而形成以蝕坑內金屬為負極、蝕坑外金屬為正極的腐蝕原電池。此原電池具有小負極-大正極的面積比結構，會極大加速點蝕坑內金屬腐蝕,促使點蝕快速生長。

圖7 點蝕生長機理模型

03

 應力腐蝕 

滑移溶解模型和擇優溶解模型見圖8。金屬錨桿陽極溶解產生微裂紋，微裂紋尖端金屬溶解形成腐蝕產物膜，在圍巖應力或錨桿金屬基體滑移剪切作用下腐蝕產物膜發生脆性斷裂，導致應力腐蝕裂紋沿錨桿滑移剪切面形核發展。然而，該模型的應力腐蝕裂紋擴展機理還有待進一步研究，其無法解釋金屬錨桿晶面或解理面應力腐蝕裂紋擴展現象。

金屬錨桿在腐蝕介質中發生化學反應產生微裂紋和H2，氫原子沿金屬晶面擴散產生晶面間局部應力集中，從而導致晶面位錯發射形成塞積群。氫原子和局部應力的軟化作用使應力腐蝕裂紋在晶面位錯塞積處不斷形核，致使滑移面和解理面張開，應力腐蝕裂紋沿位錯晶面擴展。然而，該模型的應力腐蝕裂紋擴展機制還有待完善，不適用于解釋無位錯晶面處應力腐蝕裂紋擴展現象。

金屬錨桿腐蝕形成的腐蝕產物膜吸收了金屬錨桿基體的位錯運動，腐蝕產物膜在位錯應力作用下產生微裂紋。微裂紋沿腐蝕產物膜解理擴展至金屬錨桿基體，致使金屬錨桿基體形成應力腐蝕裂紋。隨后，裂紋尖端金屬受環境腐蝕產生腐蝕產物，裂尖金屬體積膨脹導致裂紋兩側出現壓應力，使得應力腐蝕裂紋快速擴展。然而，該模型有悖于自催化理論，不適用于解釋強酸環境中錨桿應力腐蝕開裂現象。

金屬錨桿裂紋尖端存在由原子鍵能組成的裂尖表面能，可減緩金屬原子鍵斷裂，阻礙錨桿應力腐蝕開裂。微觀上，裂尖表面能表現為由多個原子尺度的微電偶對共同組成的裂尖正負電勢區。在帶電粒子和圍巖應力的共同作用下，裂紋尖端微電偶對受電磁力影響依次分開，裂尖正負電勢區電勢能降低，從而減弱了裂尖表面能對金屬錨桿應力腐蝕開裂的阻礙作用，導致金屬錨桿脆性開裂。然而，該模型忽略了不同帶電粒子之間的相互作用，不適用于解釋多種帶電粒子協同作用下金屬錨桿應力腐蝕開裂現象。

防腐技術研究現狀與展望

礦井腐蝕環境中金屬錨桿腐蝕問題受到了越來越多的關注，科研人員從原材料防腐技術、表面防腐技術和防腐支護體系等3個方面開展了錨桿防腐技術研究。

1

 原材料防腐技術

鉻是原材料防腐技術常用的惰性金屬之一，當金屬錨桿內的鉻元素質量分數達到10.5%時，金屬錨桿表面會形成一層致密的鐵鉻氧化膜屏障，該屏障可以將金屬錨桿與礦井環境隔離，從而降低了礦井腐蝕環境對金屬錨桿的腐蝕作用。

除鉻以外，鎳、鉬等惰性金屬也常被用于提高金屬的防腐耐熱能力，鎳、鉬的加入既可生成氧化膜屏障以提高金屬錨桿的耐腐蝕性能，又可使金屬保持良好的塑性和韌性，使金屬錨桿同時具有良好的防腐性能和力學性能。

2

 表面防腐技術 

與熱鍍鋅工藝相比，熱浸鋅工藝在礦山中的應用更為廣泛。通過將除銹后的金屬錨桿浸入高溫熔化的鋅液中，使金屬錨桿表面附著熱浸鋅層，熱浸鋅層具有更好的抗氯性，在相同的氯離子濃度環境下，熱浸鋅層可使金屬錨桿的使用壽命延長40%。然而，熱浸鋅層與金屬錨桿基體的結合強度較低，易在運輸、施工過程中磨損脫落。

此外，與熱浸鋅層相比，鋅鐵合金滲層具有更好的耐磨性能和更高的金屬結合強度，顯微硬度達220～420 HV0.2，界面拉伸強度達600～700 MPa。然而，熱滲鋅工藝作為錨桿防腐新興工藝，價格相對昂貴，大量使用時的經濟效益較差。

然而，環氧樹脂涂層對處理、運輸和施工過程中的損害十分敏感，涂層的破壞易造成環氧樹脂附著力損失，降低錨桿的耐腐蝕性能。

3

 防腐支護體系 

采用防腐錨桿進行巷道支護以提高巷道支護體系本身的耐腐蝕性能。采用細粉體薄噴料對巷道進行薄噴作業，在巷道表面形成一層致密的細粉體薄噴層，從而將金屬錨桿與礦井腐蝕環境隔離。

4

  防腐技術研究展望 

防腐技術是錨桿腐蝕問題研究的熱點，單因素分析向多因素分析、宏觀研究向微觀研究、理論型向實用型轉變是錨桿防腐技術研究的重要發展方向，具體體現在以下兩個方面：

腐蝕機理研究是防腐技術研究的基礎。礦井環境中部分錨桿腐蝕因素之間存在相互影響，使得金屬錨桿腐蝕機理存在耦合問題，故有必要針對多因素耦合條件下的金屬錨桿腐蝕機理進行研究。我國礦井分布較廣，金屬錨桿宏觀腐蝕形態多樣，為了解不同宏觀腐蝕形態的形成過程及其本質區別，有必要從微觀角度解釋不同宏觀腐蝕形態的形核生長機理。

我國不同礦區的礦井環境差異巨大，錨桿腐蝕形態眾多，故有必要針對不同礦井環境開發指向性防腐技術，針對不同腐蝕形態進行側重性防腐。此外，錨桿防腐技術目前仍處于起步階段，部分防腐技術因存在工藝復雜、程序繁瑣、成本較高等缺點僅具有理論應用可能，需進一步優化以提高實際應用能力，促使錨桿防腐技術由理論型向實用型轉變。