Experimental study on performance of rubber-fly ash-based mine floor fissure grouting material
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摘要:
目前针对千米深井高水压、易突水等难题，提出了“疏水降压、注浆加固”矿井防治水技术，这要求注浆材料具有“高强度、强稳定、易流动、低成本”等性能。“高强度”可以通过添加纳米增强材料来达到；“强稳定”可以通过优选易固结、难分散原材料，调整拌和条件来实现；“稳流动”可以通过调整添加原料粒径，增加界面摩擦性来实现；“低成本”可以选用现存亟待处理的大规模工矿固废产物，辅以少量添加剂来实现。针对存在的上述问题，以注浆加固煤层底板为目标，以大规模利用工矿废弃物为方向，通过利用废弃轮胎橡胶颗粒、粉煤灰与黏土为主体材料，辅以少量外加剂，采用正交试验方法，对固废注浆充填材料的基础性能开展试验研究。分析了不同橡胶颗粒掺量与外加剂的影响，得出了其对注浆结石体的流动度、力学性能、矿井水环境下稳定性、抗渗性能与微观结构性能的影响。研究结果表明：当橡胶颗粒掺量为20%、粉煤灰掺量65%、黏土掺量15%，纳米二氧化硅掺量为固体粉料掺量的1%时，注浆浆体的流动度为293 mm，注浆结石体的28 d抗压强度为11.7 MPa，结石体的抗渗压力为0.8 MPa，所得试验结果能够满足现场注浆加固需求，对大规模底板裂隙注浆加固具有科学的参考价值，也对规模化利用固废产物提供了参考。
Abstract:In response to the current challenges of high water pressure and easy conduction in kilometer deep wells, we propose the “hydrophobic pressure reduction, slurry reinforcement” mine water control technology, which requires slurry materials with “high strength, strong stability, easy flow, low cost” and other properties. “High strength” can be achieved by adding nano-reinforced materials. “Strong stability” can be achieved by preferentially selecting easy-to-consolidate and difficult-to-disperse raw materials and adjusting the mixing conditions. “Stable flow” can be achieved by adjusting the particle size of added raw materials and increasing the interfacial friction. “Low cost” can be achieved by using existing large-scale industrial and mining solid waste products that are in urgent need of treatment, supplemented by a small amount of additives. In view of the above problems, this paper aims at reinforcing the coal seam floor with slurry, and takes the large-scale utilization of industrial and mining wastes as the direction. By using waste tire rubber particles, fly ash and clay as the main materials, supplemented with a small amount of admixtures, the orthogonal test method is used to carry out experimental research on the basic performance of solid waste slurry filling materials. The effects of different rubber particle admixtures and admixtures were analyzed in the paper, and their effects on the flowability, mechanical properties, stability in mine water environment, impermeability and microstructural properties of the grouted stone body were derived. The research results show that when rubber particles are mixed with 20%, fly ash with 65%, clay with 15%, and nano-silica with 1% of solid powder, the flow of the grouted slurry is 293 mm, the 28 d compressive strength of the grouted stone body is 11.7 MPa, and the seepage pressure of the stone body is 0.8 MPa, and the obtained test results can meet the demand of field grouting reinforcement, which is useful for The obtained test results can meet the demand for on-site grouting reinforcement, which has scientific reference value for large-scale bottom slab fracture grouting reinforcement and also provides reference for large-scale utilization of solid waste products.
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Keywords:
- solid waste /
- floor water inrush /
- grouting reinforcement /
- grouting material /
- experimental study
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0. 引 言
锚固支护是世界公认安全高效的煤矿支护方式之一[1]。然而，复杂地质条件下矿井中pH、污染气体、侵蚀介质等环境因素易导致锚固材料腐蚀失效[2]。锚固材料过早失效是诱发围岩失稳、巷道变形等矿井安全事故的重要原因。因此，开展煤矿环境腐蚀倾向性评价研究具有重要的现实意义。
煤矿环境腐蚀倾向性是煤矿环境能否导致锚固支护材料腐蚀失效的自然属性，其受环境腐蚀因素种类及含量影响。如何选定用于表征煤矿环境腐蚀倾向性的环境腐蚀因素，对此国内外学者进行了大量、深入的研究。吴赛赛等[3]调研了多个煤矿锚杆腐蚀情况及其环境特征，发现pH是导致锚杆腐蚀的主要环境因素之一；ANDERMAAT等[4]探究了Mount Isa矿锚固结构的服役环境，指出pH、Cl−、${\mathrm{SO}}_4^{2-} $、DO是诱导锚固材料腐蚀失效的主要环境因素；潘继良等[5]通过研究深井岩体锚固结构腐蚀失效现象，发现地下水、矿井大气、微生物、围岩体等均会对锚固材料产生腐蚀劣化作用；CRAIG等[6]现场调研了澳大利亚12座煤矿锚杆服役环境，指明应力、地下水和微生物是导致锚杆腐蚀的重要因素；WU等[7]研究了深井岩层锚杆的腐蚀状态及其工作环境，发现温度、湿度亦会影响锚杆腐蚀进展。
上述研究对于了解煤矿环境腐蚀因素具有重要意义。然而，煤矿环境复杂多变，不同煤矿或同一煤矿不同巷道之间的环境腐蚀因素千差万别，基于固定的环境腐蚀因素构建具有广泛适用性的环境腐蚀倾向性评价体系是煤矿环境腐蚀特性评价研究的重要问题之一。MANQUEHUAL等[8]以pH、侵蚀离子、溶解氧为主要环境腐蚀因素构建了锚杆腐蚀深度预测体系，实现了对地下工程腐蚀环境中锚杆使用寿命的宏观估计。黎慧珊等[9]基于环境腐蚀效应和锚杆索腐蚀特征构建了锚杆索健康评价体系，实现了对煤矿腐蚀环境下锚杆索健康状况的综合评价。然而，上述2种煤矿腐蚀特性评价体系均为基于锚固材料腐蚀特征的被动评价，无法在锚固支护前对煤矿环境进行腐蚀倾向性评估。
鉴于此，笔者依据锚杆服役条件对煤矿环境进行划分，确定pH、矿井温度、围岩渗透性等主要环境腐蚀因素，构建煤矿环境腐蚀倾向性评价指标体系，应用层次分析−熵值组合赋权法量化各评价指标价值权重，采用模糊综合评价方式设计煤矿环境腐蚀倾向性多参量耦合评价方法，并结合工程实际对该评价方法进行验证。本研究有助于矿山企业明确煤矿井下环境腐蚀特性，为矿井锚固支护设计提供参考。
1. 煤矿环境分析
锚杆作为锚固支护结构的关键部位，其自由段和锚固段深入围岩，端头与巷道中支护结构物相连。基于锚杆不同部位工作条件可将煤矿环境划分为水环境、大气环境和围岩环境3部分，如图1所示。
1.1 煤矿水环境
煤矿水环境主体为地下水与开采用水共同形成的矿井淋水，其作为锚固材料腐蚀的主要反应载体对煤矿环境腐蚀倾向性具有重要影响。研究表明矿井淋水中pH、Cl−、${\mathrm{SO}}_4^{2-} $、DO等环境因素均可直接影响锚固材料腐蚀过程[10]。pH与腐蚀速率呈负相关：当pH>8时，碱性环境可诱导锚固材料钝化减缓腐蚀进展；当4<pH≤8时，腐蚀速率随pH变化较小；当pH≤4时，酸性环境可溶解锚固材料表面氧化膜致使腐蚀加剧[11]。Cl−、${\mathrm{SO}}_4^{2-} $可穿透破坏矿井淋水中${\mathrm{CO}}_3^{2-} $、Ca2+、Mg2+等离子在锚固材料表面沉积而成的盐类物质保护层和锚固材料钝化膜，导致腐蚀加剧并诱发点蚀形核发展[12]。随着Cl−、${\mathrm{SO}}_4^{2-} $质量浓度增大，此穿透破坏作用愈加强烈，局部腐蚀逐渐成为主要腐蚀形态，锚固材料承载能力显著劣化[13]。DO作为氧化性物质直接参与电化学腐蚀阴极反应，可促进锚固材料氧化溶解，表明溶解氧质量浓度与腐蚀速率呈正相关[14]。我国煤矿地下水系发育且多透水性顶板，流动性地下水逐渐成为煤矿水环境溶解氧的主要来源，煤矿矿井淋水溶解氧质量浓度平均可达5.00 mg/L，溶解氧已成为影响煤矿环境腐蚀倾向性的主要环境因素之一。
1.2 煤矿大气环境
裸露于巷道中的锚杆端头及锚固支护结构物主要受到温度、湿度、污染气体等大气环境因素的腐蚀作用。温度对金属材料腐蚀起促进作用，其与腐蚀速率呈指数函数关系[15]。我国煤矿工程中，东部矿井地温梯度约为0.01～0.03 ℃/m，西部矿井地温梯度约为0.03～0.05 ℃/m。随着煤矿开采逐渐向深部发展，温度对锚固支护材料的腐蚀促进作用愈加明显。伴随温度提升，煤矿大气湿度亦逐渐增大。空气水分是金属腐蚀及侵蚀介质离子化的主要载体，大气湿度增加必然加速锚固材料腐蚀[16]。然而，腐蚀速率并非正相关于大气湿度，研究表明饱和湿度环境下锚杆腐蚀速率仅为永久浸泡和干湿交替环境的20%[17]。我国煤矿大气湿度平均为70%，如此潮湿环境中，除大气湿度自身的促腐蚀作用，污染气体（SO2、Cl2、NO2等）的溶解亦会加快锚固材料腐蚀速率，特别是SO2、Cl2等酸性气体，其溶解可降低锚固材料表面薄液膜酸度，加速腐蚀进展[18]。
1.3 煤矿围岩环境
围岩作为锚固支护结构的组成部分直接影响煤矿环境腐蚀倾向性。一方面，围岩中天然节理、断层等构造和采动所致裂缝均可为腐蚀介质渗透接触锚固材料提供通道[19]；另一方面，围岩中矿物成分溶解可改变锚固材料服役环境。研究表明硫化物是围岩中对腐蚀影响最大的矿物成分[20]。潮湿空气中，硫化物可被氧化生成硫酸，在锚固支护结构局部形成酸性环境，促进锚固材料电化学腐蚀。此外，硫酸盐、氯盐等盐类矿物在锚固材料表面薄液膜中的水解增加了环境盐度，在加速锚固材料电化学腐蚀速率的同时易诱发点蚀形核发展[21]。硫酸盐溶液腐蚀试验显示：${\mathrm{SO}}_4^{2-} $侵蚀下，锚固材料力学性能快速退化，锚固结构稳定性大大降低，点腐蚀取代均匀腐蚀成为主要腐蚀形态[22]。
1.4 煤矿环境腐蚀因素
经分析研究煤矿水环境、大气环境、围岩环境，发现煤矿井下存在温度、湿度、pH、Cl−等多种可对金属锚固材料产生腐蚀劣化效果的环境因素。综合考虑各环境因素赋存特征及腐蚀作用机制，结合工程经验及前人研究，提取出9种煤矿主要环境腐蚀因素。其中，煤矿水环境存有4种，分别为pH、Cl−、${\mathrm{SO}}_4^{2-} $、DO；煤矿大气环境存有3种，分别为矿井温度、矿井湿度、污染气体；煤矿围岩环境存有2种，分别为围岩渗透性、围岩体含硫矿物。
2. 环境腐蚀因素权重分析
权重是评价模型中反映各评价指标相对重要程度的关键参数。指标赋权方法主要分为主观赋权、客观赋权两类。主观赋权因过度依赖工程经验判断而缺乏一定客观性，客观赋权因忽略指标间相关性而难以结合实际工程[23]。本文模型结合主观赋权和客观赋权，采用层次分析−熵值组合赋权法对各主要环境腐蚀因素进行定性−定量分析，使其权重同时反映主观经验和客观数据。
2.1 评价指标及分级
煤矿环境腐蚀倾向性多元评价指标是衡量煤矿环境能否导致锚固支护材料腐蚀失效的基础，是多元评价理论应用于煤矿环境系统分析的结果。综合考虑煤矿水环境、大气环境、围岩环境中可导致井下金属材料腐蚀劣化的各项因素，建立煤矿环境腐蚀倾向多元评价指标体系，如图2所示。该评价指标体系为2层层次结构，共划分为3个一层指标和9个细化指标。其中，一层指标T={T1，T2，T3}={水环境腐蚀倾向，大气环境腐蚀倾向，围岩环境腐蚀倾向}；细化指标包含：T1={T11，T12，T13，T14}={pH，Cl−，${\mathrm{SO}}_4^{2-} $，DO}，T2={T21，T22，T23}={矿井温度，矿井湿度，污染气体含量}，T3={T31，T32}={围岩渗透性，含硫矿物含量}。
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图 2 煤矿环境腐蚀倾向性多元评价指标体系Figure 2. Multivariate evaluation index system for corrosion tendency in coal mine environment借鉴大气腐蚀性标准GB/T 19292.1—2018，依据单位面积锚固材料年平均腐蚀深度将煤矿环境腐蚀倾向性划分为Ⅰ（很低）、Ⅱ（低）、Ⅲ（中等）、Ⅳ（高）、Ⅴ（很高）5个等级，见表1。
表 1 煤矿环境腐蚀倾向性分级标准Table 1. Classification standard for corrosion tendency of coal mine environment等级 腐蚀倾向性 年平均腐蚀深度/µm Ⅰ 很低 <50 Ⅱ 低 50～150 Ⅲ 中等 150～250 Ⅳ 高 250～350 Ⅴ 很高 ≥350 2.2 层次分析法
层次分析法是一种依据专家评价及评分量化进行多准则决策的主观赋权方法。依据多元评价指标体系对煤矿环境腐蚀倾向与评价指标构建层次结构。其中，煤矿环境腐蚀倾向性为目标层，评价指标为因素层。
2.2.1 煤矿水环境指标主观权重
应用比例标度法和同行业专家评审意见对水环境腐蚀倾向T1中各因素指标（T11～T14）构建煤矿环境腐蚀倾向指标判断矩阵，如下：
$$ {{\boldsymbol{R}}_1} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} 1&{0.33}&2&{0.5} \\ 3&1&4&2 \\ {0.5}&{0.25}&1&{0.5} \\ 2&{0.5}&2&1 \end{array}} \right] $$ 对该判断矩阵最大特征值λmax=
4.0458 所对应特征向量进行归一化处理记为WZ1=（0.16444698 ，0.47167762 ，0.10774507 ，0.25613032 ），此过程为层次单排序。对层次单排序结果进行一致性检验。通过式（1）计算一致性指标CI。$$ {C_{\mathrm{I}}}{\text{ = }}\dfrac{{{\lambda _{{\mathrm{max}}}}{{ - }}n}}{{n{{ - 1}}}} $$ (1) 式中：n为判断矩阵阶数。
以0为标准，CI值越接近0，表示层次单排序结果越具有一致性。判断矩阵的一致性指标CI为
0.01526667 ，表明通过该判断矩阵所得层次单排序结果具有可接受的一致性。引入平均随机一致性指标RI对CI的结果进行评估。由文献可知，当判断矩阵阶数为3、4时，RI取值为0.52、0.89[24]。
引入检验系数CR对判断矩阵的一致性进行验证，以保证决策结果可靠性。CR定义为一致性指标CI与随机一致性指标RI的比值，如式（2）所示。当CR<0.1时，判断矩阵通过一致性检验，反之则未通过。
$$ {C_{\mathrm{R}}}{\text{ = }}\dfrac{{{C_{\mathrm{I}}}}}{{{R_{\mathrm{I}}}}} $$ (2) 判断矩阵一致性检验系数CR=
0.01715356 <0.1，表明该判断矩阵适用一致性矩阵特性。因此，层次单排序结果即为煤矿水环境中各因素指标主观权重WZ1：$$ \begin{gathered} {\boldsymbol{W}}_{{\mathrm{Z}}1}=({\boldsymbol{W}}_{{\mathrm{Z}}11}, {\boldsymbol{W}}_{{\mathrm{Z}}12},{\boldsymbol{W}}_{{\mathrm{Z}}13},{\boldsymbol{W}}_{{\mathrm{Z}}14})=\\ (0.164\;446\;98, 0.471\;677\;6, 0.107\;745\;07, 0.256\;130\;32) \end{gathered} $$ 2.2.2 煤矿大气环境指标主观权重
应用比例标度法和同行业专家评审意见对大气环境腐蚀倾向T2中各因素指标（T21～T23）构建大气环境腐蚀倾向指标判断矩阵，如下：
$$ {{\boldsymbol{R}}_2} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} 1&{0.5}&{0.5} \\ 2&1&{0.5} \\ 2&2&1 \end{array}} \right] $$ 对该判断矩阵最大特征值λmax=
3.0536 所对应特征向量进行归一化处理记为WZ2=（0.19579258 ，0.31081996 ，0.49338746 ）。通过式（1）、式（2）计算得CI=0.0268 、CR=0.04620689 <0.1，则该判断矩阵适用一致性矩阵特性，大气环境腐蚀倾向指标主观权重WZ2：$$ \begin{gathered} {\boldsymbol{W}}_{{\mathrm{Z}}2}=({\boldsymbol{W}}_{{\mathrm{Z}}21}, {\boldsymbol{W}}_{{\mathrm{Z}}22},{\boldsymbol{W}}_{{\mathrm{Z}}23})=\\ (0.195\;792\;58. 0.310\;819\;96, 0.493\;387\;46) \end{gathered} $$ 2.2.3 煤矿围岩环境指标主观权重
应用比例标度法和同行业专家评审意见对围岩环境腐蚀倾向T3中各因素指标（T31、T32）构建围岩环境腐蚀倾向指标判断矩阵，如下：
$$ {{\boldsymbol{R}}_3} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} 1&{0.5} \\ 2&1 \end{array}} \right] $$ 对该判断矩阵最大特征值λmax=2所对应特征向量进行归一化处理记为WZ3=（
0.75001976 ，0.24998024 ）。由于二阶矩阵本身即具有完全一致性，则围岩环境腐蚀倾向指标主观权重WZ3：$$ \begin{gathered} {\boldsymbol{W}}_{{\mathrm{Z}}3}=({\boldsymbol{W}}_{{\mathrm{Z}}31}, {\boldsymbol{W}}_{{\mathrm{Z}}32})=(0.750\;019\;76, 0.249\;980\;24) \end{gathered} $$ 2.3 熵值法
熵值法是一种依据数据统计及离散分析进行信息量判断的客观赋权方法[25]。在信息理论中，“熵”用于表示某一指标因素的随机性、混淆程度及离散程度，熵值越小则表示该指标因素变异程度越大，提供信息量越多，权重越大[26]。
通过调研我国彬长矿区高家堡煤矿已出现锚固材料腐蚀现象的5条巷道巷内各细化指标参数，应用熵值法确定煤矿水环境、大气环境、围岩环境各细化指标客观权重。所调研巷道K={K1，K2，K3，K4，K5}={北翼回风巷、西翼集中辅运巷、西区回风巷、3403运输巷、3407运输巷}。
2.3.1 煤矿水环境指标客观权重
构建水环境腐蚀倾向指标评估矩阵如下：
$$ {{\boldsymbol{R}}_4} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {8.54}&{484.446}&{1363.1}&{2.3} \\ {7.029}&{174.193}&{841.729}&{5.7} \\ {6.788}&{104.071}&{935.09}&{1.4} \\ {7.344}&{88.086}&{298.278}&{7.2} \\ {8.17}&{162}&{1250}&{7.4} \end{array}} \right] $$ 通过式（3）计算煤矿水环境各细化指标T1j下，被评对象Ki归一化数值。
$$ {P_{i{{j}}}}{\text{ = }}\dfrac{{{K_i}{T_{{\text{1}}{{j}}}}}}{{\displaystyle \sum \nolimits_{i{\text{ = 1}}}^i {K_i}{T_{{\text{1}}{{j}}}}}} $$ (3) 通过式（4）计算煤矿水环境各细化指标T1j熵值。
$$ {e_{{j}}}{{ = - }}\dfrac{{\text{1}}}{{{\text{ln}}i}}\mathop \sum \limits_{i{\text{ = 1}}}^i {P_{i{{j}}}}{\text{ln}}{P_{i{{j}}}} $$ (4) 通过式（5）计算煤矿水环境各细化指标T1j偏差度。
$$ {g_{{j}}}{{ = 1 - }}{{\mathrm{e}}_{{j}}} $$ (5) 通过式（6）对煤矿水环境各细化指标T1j偏差度进行归一化处理，计算得煤矿环境腐蚀倾向性评价指标客观权重。
$$ {\boldsymbol{W}} = \dfrac{{{g_{{j}}}}}{{\displaystyle\sum\nolimits_{k{\text{ = 1}}}^n {g_k}}} $$ (6) 水环境腐蚀倾向指标客观权重WK1：
$$ \begin{gathered} {\boldsymbol{W}}_{{\mathrm{K}}1}=({\boldsymbol{W}}_{{\mathrm{K}}11},{\boldsymbol{W}}_{{\mathrm{K}}12},{\boldsymbol{W}}_{{\mathrm{K}}13},{\boldsymbol{W}}_{{\mathrm{K}}14})=\\ (0.196\;616\;59, 0.413\;463\;99, 0.152\;275\;72, 0.237\;643\;71) \end{gathered} $$ 2.3.2 煤矿大气环境指标客观权重
构建大气环境腐蚀倾向指标评估矩阵如下：
$$ {{\boldsymbol{R}}_5} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {35}&{85}&{4.41 \times {{10}^{ - 3}}} \\ {24}&{62}&{7.92 \times {{10}^{ - 4}}} \\ {31}&{53}&{1.85 \times {{10}^{ - 4}}} \\ {29}&{64}&{8.27 \times {{10}^{ - 4}}} \\ {32}&{67}&{3.38 \times {{10}^{ - 3}}} \end{array}} \right] $$ 通过式（3）—式（6）计算得大气环境腐蚀倾向指标客观权重WK2：
$$ \begin{gathered} {\boldsymbol{W}}_{{\mathrm{K}}2}=({\boldsymbol{W}}_{{\mathrm{K}}21},{\boldsymbol{W}}_{{\mathrm{K}}22},{\boldsymbol{W}}_{{\mathrm{K}}23})=\\ (0.231\;073\;22, 0.316\;869\;47, 0.452\;057\;31) \end{gathered} $$ 2.3.3 煤矿围岩环境指标客观权重
构建围岩环境腐蚀倾向指标评估矩阵如下：
$$ {{\boldsymbol{R}}_6} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {8.54}&{484.446} \\ {7.029}&{174.193} \\ {6.788}&{104.071} \\ {7.344}&{88.086} \\ {8.17}&{162} \end{array}} \right] $$ 通过式（3）—式（6）计算得围岩环境腐蚀倾向指标客观权重WK3：
$$ \begin{gathered} {\boldsymbol{W}}_{{\mathrm{K}}3}=({\boldsymbol{W}}_{{\mathrm{K}}31},{\boldsymbol{W}}_{{\mathrm{K}}32})=(0.716\;598\;93, 0.283\;401\;07) \end{gathered} $$ 2.4 组合赋权
为使权重同时反映主观权重信息和客观权重信息，采用最小鉴别信息原理计算煤矿环境腐蚀倾向性评价指标组合权重Wij，构建目标函数如式（7）所示。
$$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{\text{min}}\left\{ {J\left( W \right)} \right\}{\text{ = }}\displaystyle\sum \limits_{j{\text{ = 1}}}^n \left( {{W_j}{\text{ln}}\dfrac{{{W_j}}}{{{W_{{\mathrm{Z}}j}}}}{\text{ + }}{W_j}{\text{ln}}\dfrac{{{W_j}}}{{{W_{{\mathrm{K}}j}}}}} \right)} \\ {{\text{s}}{\text{.t}}{\text{. }} \displaystyle\sum \limits_{j{\text{ = 1}}}^n {W_j}{\text{ = 1 , }}{W_j} \geqslant {\text{0}}} \end{array}} \right. $$ (7) 求解该目标函数得煤矿水环境、大气环境、围岩环境各细化指标的组合权重Wij，如式（8）所示。
$$ {{\boldsymbol{W}}_{{{i}}j}}{\text{ = }}\dfrac{{\sqrt {{W_{{\mathrm{Z}}j}}{W_{{\mathrm{K}}j}}} }}{{\displaystyle \sum \nolimits_{j{\text{ = 1}}}^n \sqrt {{W_{{\mathrm{Z}}j}}{W_{{\mathrm{K}}j}}} }} $$ (8) 煤矿环境腐蚀倾向性各细化指标组合权重分布如下。
$$\begin{gathered} {\boldsymbol{W}} _{ \rm{H} {1}} {=( {\boldsymbol{W}} _{ \mathrm{11}} \mathrm{,} {\boldsymbol{W}} _{ \mathrm{12}} \mathrm{,} {\boldsymbol{W}} _{ \mathrm{13}} \mathrm{,} {\boldsymbol{W}} _{ \mathrm{14}} }) =\\ (0.180\;494\;27, 0.443\;283\;81, 0.443\;283\;81, 0.247\;647\;55) \end{gathered}$$ $$ \begin{gathered} \boldsymbol{W} _{ \rm{H} \mathrm{2}} {=( \boldsymbol{W} _{ \mathrm{21}} {,} \boldsymbol{W} _{ \mathrm{22}} \mathrm{,} \boldsymbol{W} _{ \mathrm{23}} }) =\\ (0.212\;957\;51, 0.314\;206\;16, 0.314\;206\;16) \end{gathered} $$ $$ \boldsymbol{W} _{ \rm{H} \mathrm{3}} {=( \boldsymbol{W} _{ \mathrm{31}} \mathrm{,} \boldsymbol{W} _{ \mathrm{32}} }) =(0.733\;643\;09, 0.266\;356\;91) $$ 2.5 一层指标权重
采用层次分析法分析一层指标（水环境腐蚀倾向，大气环境腐蚀倾向，围岩环境腐蚀倾向）对煤矿环境腐蚀倾向性的影响权重。同上述3.2节分析，对煤矿环境腐蚀倾向指标体系中3个一层指标构建煤矿环境腐蚀倾向一层指标判断矩阵，如下：
$$ {{\boldsymbol{R}}_7} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} 1&2&{0.33} \\ {0.5}&1&{0.2} \\ 3&5&1 \end{array}} \right] $$ 对该判断矩阵最大特征值λmax=
3.0037 所对应特征向量进行归一化处理记为W=（0.22967309 ，012203129，064829562）。通过式（1）、式（2）计算得CI=0.00185 、CR=0.00318966 <0.1，表明该判断矩阵适用一致性矩阵特性，煤矿环境腐蚀倾向一层指标权重W：$$ \begin{gathered} \boldsymbol{W} =( \boldsymbol{W} _{ \mathrm{1}} \mathrm{,} \boldsymbol{W} _{ \mathrm{2}} \mathrm{,} \boldsymbol{W} _{ \mathrm{3}} )=\\ (0.648\;295\;62,0.229\;673\;09,0.122\;031\;29) \end{gathered}$$ 3. 煤矿环境腐蚀倾向性分析
3.1 环境腐蚀因素隶属度研究
将pH、Cl−、${\mathrm{SO}}_4^{2-} $、DO、矿井温度、矿井湿度、污染气体体积分数、围岩渗透系数、含硫矿物质量分数对煤矿环境腐蚀倾向的影响程度分别用pH影响指数、Cl−影响指数、${\mathrm{SO}}_4^{2-} $影响指数、DO影响指数、温度影响指数、湿度影响指数、气体影响指数、渗透影响指数、硫矿影响指数表示，采用模糊数学和工程经验相结合的方法研究上述指标对煤矿环境腐蚀倾向性的归属程度。
1）pH影响指数。应用煤矿水环境pH值的算数值IpH表征煤矿环境酸碱程度。结合工程经验与试验研究，引入pH影响指数μ1表示煤矿环境酸碱程度IpH对煤矿环境腐蚀倾向性隶属度，如式（9）所示。
$$ {\mu _{\text{1}}}{\text{ = }}\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{{1, }}\qquad{I_{{\text{pH}}}}{\text{ \lt 2}}} \\ {{{ - 0}}{\text{.133}}{I_{{\text{pH}}}}{\text{ + 1}}{{.267, \;\;2}} \leqslant {I_{{\text{pH}}}}{\text{ \lt 8}}} \\ {{{ - 0}}{\text{.05}}{I_{{\text{pH}}}}{\text{ + 0}}{\text{.6, }}\quad{I_{{\text{pH}}}} \geqslant {\text{8}}} \end{array}} \right. $$ (9) 2）Cl−影响指数。煤矿水环境中Cl−主要源于地下水，然而地下水中离子多种多样，不同离子间相互作用会对锚杆腐蚀速率产生不同影响，引入环境含氯水平$I_{{\mathrm{Cl}}^- }$反映Cl−对煤矿环境腐蚀倾向性影响准则。$I_{{\mathrm{Cl}}^- }$定义为Cl−质量浓度与矿井水溶解性总固体TDS的比值，如式（10）所示。
$$ {I_{{\text{C}}{{\text{l}}^{{ - }}}}}{{ = }}\dfrac{{{\omega _{{\text{C}}{{\text{l}}^{{ - }}}}}}}{{{{T_{\mathrm{DS}}}}}} $$ (10) 根据工程经验及已有研究，引入Cl−影响指数μ2表示Cl−对煤矿环境腐蚀倾向性隶属度，如式（11）所示。
$$ {\mu _{\text{2}}}{\text{ = }}\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{\text{1}}{\text{.5}}{I_{{\text{C}}{{\text{l}}^{{ - }}}}}{\text{, }}\quad{I_{{\text{C}}{{\text{l}}^{{ - }}}}}{\text{ \lt 0}}{\text{.1}}} \\ {{\text{5}}{\text{.667}}{I_{{\text{C}}{{\text{l}}^{{ - }}}}}{{ - 0}}{{.417, \quad 0}}{\text{.1}} \leqslant {I_{{\text{C}}{{\text{l}}^{{ - }}}}}{\text{ \lt 0}}{{.25}}} \\ {{\text{1, }}\quad\quad {I_{{\text{C}}{{\text{l}}^{{ - }}}}} \geqslant {\text{0}}{\text{.25}}} \end{array}} \right. $$ (11) 3）${\mathrm{SO}}_4^{2-} $影响指数。煤矿水环境中${\mathrm{SO}}_4^{2-} $亦主要来源于地下水。引入环境含硫水平$I_{{\mathrm{SO}}_4^{2-}} $反应${\mathrm{SO}}_4^{2-} $对煤矿环境腐蚀倾向性影响准则。$I_{{\mathrm{SO}}_4^{2-}} $定义为${\mathrm{SO}}_4^{2-} $质量浓度与矿井水溶解性总固体TDS的比值，如式（12）所示。
$$ {I_{{\text{S}}{\text{O}}_{\text{4}}^{{{2 - }}}}}{{ = }}\dfrac{{{\omega _{{\text{S}}{\text{O}}_{\text{4}}^{{{2 - }}}}}}}{{{{T_{\mathrm{DS}}}}}} $$ (12) 结合工程经验及已有研究，引入${\mathrm{SO}}_4^{2-} $影响指数μ3表示${\mathrm{SO}}_4^{2-} $对煤矿环境腐蚀倾向性隶属度，如式（13）所示。
$$ {\mu _{\text{3}}}{\text{ = }}\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{\text{0}}{\text{.75}}{I_{{\text{S}}{\text{O}}_{\text{4}}^{{{2 - }}}}}{\text{, }}\qquad {I_{{\text{S}}{\text{O}}_{\text{4}}^{{{2 - }}}}}{\text{ \lt 0}}{\text{.2}}} \\ {{\text{2}}{\text{.835}}{I_{{\text{S}}{\text{O}}_{\text{4}}^{{{2 - }}}}}{{ - 0}}{{.417, \;\;\; 0}}{\text{.2}} \leqslant {I_{{\text{S}}{\text{O}}_{\text{4}}^{{{2 - }}}}}{\text{ \lt 0}}{\text{.5}}} \\ {{\text{1, }}\qquad {I_{{\text{S}}{\text{O}}_{\text{4}}^{{{2 - }}}}} \geqslant {\text{0}}{\text{.5}}} \end{array}} \right. $$ (13) 4）DO影响指数。DO作为氧去极化腐蚀的主要参与者，煤矿环境腐蚀倾向性随着矿井水环境溶解氧质量分数增大持续增强[27]。应用DO质量分数IDO表示煤矿水环境含氧能力，根据工程经验及已有研究，引入DO影响指数μ4表示DO对煤矿环境腐蚀倾向性的隶属度，如式（14）所示。
$$ {\mu _{\text{4}}}{\text{ = }}\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{\text{0}}{\text{.043}}{I_{{\text{DO}}}}{\text{, }}\quad {I_{{\text{DO}}}}{\text{ \lt 4}}} \\ {{\text{0}}{\text{.138}}{I_{{\text{DO}}}}{{ - 0}}{{.383, \quad 4}} \leqslant {I_{{\text{DO}}}}{\text{ \lt 10}}} \\ {{\text{1, }}\quad{I_{{\text{DO}}}} \geqslant {\text{10}}} \end{array}} \right. $$ (14) 5）温度影响指数。应用矿井大气温度算数值It表示煤矿环境中各分子热运动剧烈程度，根据工程经验及已有研究[28]，引入温度影响指数μ5表示矿井大气温度对煤矿环境腐蚀倾向性的隶属度，如式（15）所示。
$$ {\mu _{\text{5}}}{\text{ = }}\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{\text{0}}{\text{.013}}{I_{\text{t}}}{\text{, }}\quad{I_{\text{t}}}{\text{ \lt 20}}} \\ {{\text{0}}{\text{.05}}{I_{\text{t}}}{{ - 0}}{{.75,\quad 20}} \leqslant {I_{\text{t}}}{\text{ \lt 35}}} \\ {{\text{1, }}\quad{I_{\text{t}}} \geqslant {\text{35}}} \end{array}} \right. $$ (15) 6）湿度影响指数。应用矿井相对湿度算数值IRH表示煤矿大气环境干湿程度，根据工程经验及已有研究[29]，引入湿度影响指数μ6表示矿井相对湿度对煤矿环境腐蚀倾向性的隶属度，如式（16）所示。
$$ {\mu _{\text{6}}}{\text{ = }}\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{\text{0}}{\text{.25}}{I_{{\text{RH}}}}{\text{, }}\quad{I_{{\text{RH}}}}{\text{ \lt 0}}{\text{.6}}} \\ {{\text{2}}{\text{.833}}{I_{{\text{RH}}}}{{ - 1}}{{.55, \quad0}}{\text{.6}} \leqslant {I_{{\text{RH}}}}{\text{ \lt 0}}{\text{.9}}} \\ {{{ - 8}}{I_{{\text{RH}}}}{\text{ + 8}}{\text{.2, }}\quad{I_{{\text{RH}}}} \geqslant {\text{0}}{\text{.9}}} \end{array}} \right. $$ (16) 7）气体影响指数。煤矿大气环境中可对锚固材料产生腐蚀劣化作用的气体主要为CO2、NO2、SO2、NH3、H2S，应用上述5种气体总体积分数ρPG的修正数值IPG（IPG=
100000 ρPG）表示煤矿大气环境中污染气体含量。根据工程经验及已有研究，引入气体影响指数μ7表示矿井污染气体体积分数对煤矿环境腐蚀倾向性隶属度，如式（17）所示。$$ {\mu _{\text{7}}}{\text{ = }}\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{\text{0}}{\text{.175}}{I_{{\text{PG}}}}{\text{, }}\quad{I_{{\text{PG}}}}{\text{ \lt 1}}} \\ {{\text{0}}{\text{.275}}{I_{{\text{PG}}}}{{ - 0}}{{.1, \quad1}} \leqslant {I_{{\text{PG}}}}{\text{ \lt 4}}} \\ {{\text{1, }}\quad{I_{{\text{PG}}}} \geqslant {\text{4}}} \end{array}} \right. $$ (17) 8）渗透影响指数。应用矿井围岩渗透系数数量级的算数值IPC表示流体通过矿井围岩孔隙骨架的难易程度。根据工程经验及已有研究，引入气体影响指数μ8表示矿井围岩渗透系数对煤矿环境腐蚀倾向性隶属度，如式（18）所示。
$$ {\mu _{\text{8}}}{\text{ = }}\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{{ - 0}}{\text{.025}}{I_{{\text{PC}}}}{\text{ + 1, }}\quad{I_{{\text{PC}}}}{\text{ \lt 6}}} \\ {{{ - 0}}{\text{.233}}{I_{{\text{PC}}}}{\text{ + 2}}{{.25, \quad6}} \leqslant {I_{{\text{PC}}}}{\text{ \lt 9}}} \\ {{{ - 0}}{\text{.05}}{I_{{\text{PC}}}}{\text{ + 0}}{{.6, }}\quad {I_{{\text{PC}}}} \geqslant {\text{9}}} \end{array}} \right. $$ (18) 9）硫矿影响指数。硫化物是煤矿围岩环境中可对金属锚固支护材料产生腐蚀作用的主要矿物[30]。采用矿井围岩体中硫化物总质量分数ρSM的修正数值ISM（ISM=100ρSM）表示矿井围岩环境中含硫矿物质量分数。根据工程经验及已有研究，引入气体影响指数μ9表示矿井围岩渗透系数对煤矿环境腐蚀倾向性隶属度，如式（19）所示。
$$ {\mu _{\text{9}}}{\text{ = }}\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{\text{0}}{\text{.058}}{I_{{\text{SM}}}}{\text{, }}\quad {I_{{\text{SM}}}}{\text{ \lt 3}}{\text{.0}}} \\ {{\text{0}}{\text{.551}}{I_{{\text{SM}}}}{{ - 1}}{{.478, \quad 3}}{\text{.0}} \leqslant {I_{{\text{SM}}}}{\text{ \lt 4}}{\text{.5}}} \\ {{\text{1, }}\quad {I_{{\text{SM}}}} \geqslant {\text{4}}{\text{.5}}} \end{array}} \right. $$ (19) 3.2 评价指数及工程判据指标
通过研究煤矿水环境、大气环境、围岩环境及各主要环境腐蚀因素对煤矿环境腐蚀倾向性的权重和隶属度，结合W、WH1～WH3和式（9）—式（19）可得煤矿环境腐蚀倾向性评价指数μ，如式（20）所示，其所对应煤矿环境腐蚀倾向性工程判据指标见表2。
表 2 煤矿环境腐蚀倾向性工程判据指标Table 2. Engineering criteria for corrosion tendency in coal mine environmentμ <0.15 0.15～0.25 0.25～0.35 0.35～0.45 ≥0.45 倾向 很低 低 中等 高 很高 $$ \begin{gathered} \mu {\text{ = }}{{\boldsymbol{W}}_{\text{1}}}\left( {{{\boldsymbol{W}}_{{\text{11}}}}{\mu _{\text{1}}}{\text{ + }}{{\boldsymbol{W}}_{{\text{12}}}}{\mu _{\text{2}}}{\text{ + }}{{\boldsymbol{W}}_{{\text{13}}}}{\mu _{\text{3}}}{\text{ + }}{{\boldsymbol{W}}_{{\text{14}}}}{\mu _{\text{4}}}} \right){\text{ + }}\\ {{\boldsymbol{W}}_{\text{2}}}\left( {{{\boldsymbol{W}}_{{\text{21}}}}{\mu _{\text{5}}}{\text{ + }}{{\boldsymbol{W}}_{{\text{22}}}}{\mu _{\text{6}}}{\text{ + }}{{\boldsymbol{W}}_{{\text{23}}}}{\mu _{\text{7}}}} \right){\text{ + }}\\ {{\boldsymbol{W}}_{\text{3}}}\left( {{{\boldsymbol{W}}_{{\text{31}}}}{\mu _{\text{8}}}{\text{ + }}{{\boldsymbol{W}}_{{\text{32}}}}{\mu _{\text{9}}}} \right) \end{gathered}$$ (20) 式中：W1～W3分别表示水环境腐蚀倾向、大气环境腐蚀倾向、围岩环境腐蚀倾向对煤矿环境腐蚀倾向性的影响权重；W11～W14分别表示pH、Cl−、${\mathrm{SO}}_4^{2-} $、DO对水环境腐蚀倾向的影响权重；W21～W23分别表示矿井温度、矿井湿度、污染气体含量对大气环境腐蚀倾向的影响权重；W31～W32分别表示围岩渗透系数、含硫矿物质量分数对围岩环境腐蚀倾向的影响权重。
3.3 煤矿环境腐蚀倾向性多参量耦合评价方法
基于模糊综合评价方法，设计包含煤矿环境酸碱程度、含氯水平、含硫水平、含氧能力、温度水平、干湿程度、污染气体体积分数、围岩渗透能力、含硫矿物质量分数的煤矿环境腐蚀倾向性多参量耦合评价方法，以期实现对煤矿环境腐蚀特性的准确评估。
具体评价流程如图3所示：① 检测并分析矿井水质、矿井大气、矿井煤岩；② 确定各主要环境腐蚀因素参数，包括pH、Cl−质量浓度、${\mathrm{SO}}_4^{2-} $质量浓度、DO质量浓度、矿井温度、矿井湿度、污染气体体积分数、围岩渗透系数、含硫矿物质量分数，此外还需确定矿井水溶解性总固体用以量化煤矿环境含氯水平和含硫水平；③ 分析各主要环境腐蚀因素赋存特征，确定煤矿环境酸碱程度、环境含氯水平、环境含硫水平、环境含氧能力、大气温度水平、大气干湿程度、污染气体体积分数、围岩渗透能力、含硫矿物质量分数。酸碱程度IpH即为煤矿水环境pH，含氯水平$I_{{\mathrm{Cl}}^-} $和含硫水平$I_{{\mathrm{SO}}_4^{2-}} $可由式（10）、式（12）计算得，含氧能力IDO即为煤矿水环境DO浓度，温度水平It即为煤矿大气温度，干湿程度IRH即为煤矿大气相对湿度，污染气体体积分数IPG即为
100000 ρPG（ρPG为污染气体体积分数和），围岩渗透能力IPC即为围岩体渗透系数数量级，含硫矿物质量分数ISM即为100ρSM（ρSM为含硫矿物质量分数和）；④ 基于各主要环境腐蚀因素赋存特征，经式（9）—式（19）确定pH影响指数、Cl−影响指数、${\mathrm{SO}}_4^{2-} $影响指数、DO影响指数、温度影响指数、湿度影响指数、气体影响指数、渗透影响指数、硫矿影响指数；⑤ 依据各主要环境腐蚀因素影响指数及其对煤矿环境腐蚀倾向性的影响权重，经式（20）计算得出煤矿环境腐蚀倾向性评价指数μ，结合工程判据指标确定环境倾向性等级。![]()
图 3 煤矿环境腐蚀倾向性多参量耦合评价方法Figure 3. Multi parameter coupling evaluation method for corrosion tendency in coal mine environment该方法可评估煤矿环境腐蚀特性，辨识煤矿环境主控腐蚀因素，指导矿山企业针对性防腐支护。
4. 工程案例
4.1 工程背景
高家堡煤矿位于我国西北部彬长矿区，处于盐类物质广泛分布的地质环境区内。据调研，其北翼回风巷、西翼集中辅运巷、西区回风巷、3403运输巷、3407运输巷巷内锚固材料服役后出现程度不一的腐蚀现象，如图4所示。
4.2 环境腐蚀倾向性综合评价
收集并分析上述5条巷道矿井水质、空气成分、围岩成分，确定巷内环境pH、Cl−质量浓度、${\mathrm{SO}}_4^{2-} $质量浓度、DO质量浓度、溶解性总固体、矿井温度、矿井湿度、污染气体体积分数和、围岩渗透系数、含硫矿物质量分数和，分析结果见表3。
表 3 各煤矿主要环境腐蚀因素参数数据Table 3. Parameter data of main environmental corrosion factors in coal minesK pH Cl−质量浓度/
（mg·L−1）${\rm{SO}}_4^{2-} $质量浓度/
（mg·L−1）DO质量浓度/
（mg·L−1）TDS/
（mg·L−1）温度/
℃湿度/
%ρPG/% 渗透系数 ρSM/% K1 8.540 484.446 1363.100 2.3 2786.465 35 85 4.41×10−3 5.26×10−9 5.54 K2 7.029 174.193 841.729 5.7 2346.991 24 62 7.92×10−4 3.81×10−9 3.48 K3 6.788 104.071 935.090 1.4 2644.823 31 53 1.85×10−4 8.47×10−7 2.93 K4 7.344 88.086 298.278 7.2 1869.976 29 64 8.27×10−4 5.53×10−7 3.66 K5 8.170 162.000 1250.000 7.4 1816.000 32 67 3.38×10−3 6.72×10−6 4.10 按照3.1节中的方法对各主要环境腐蚀因素参数数据进行处理，形成环境酸碱程度、环境含氯水平、环境含硫水平、环境含氧能力、环境温度水平、环境干湿程度、污染气体体积分数、围岩渗透能力、含硫矿物质量分数9项主要环境腐蚀因素量化指标（表4）。
表 4 各煤矿主要环境腐蚀因素赋存特征Table 4. Occurrence characteristics of main environmental corrosion factors in coal minesK IpH $I_{{\mathrm{Cl}}^- }$ $I_{{\mathrm{SO}}_4^{2-}} $ IDO It IRH IPG IPC ISM K1 8.540 0.174 0.489 2.300 35 0.85 4.410 9 5.54 K2 7.029 0.074 0.359 5.700 24 0.62 0.792 9 3.48 K3 6.788 0.039 0.354 1.400 31 0.53 0.185 7 2.93 K4 7.344 0.047 0.160 7.200 29 0.64 0.827 7 3.66 K5 8.170 0.089 0.688 3.500 32 0.67 3.380 6 4.10 依据9项主要环境腐蚀因素量化指标，应用式（9）—式（19）计算pH影响指数、Cl−影响指数、${\mathrm{SO}}_4^{2-} $影响指数、DO影响指数、温度影响指数、湿度影响指数、气体影响指数、渗透影响指数、硫矿影响指数，以表征各巷道主要环境腐蚀因素对该巷道环境腐蚀倾向性的隶属关系（表5）。
表 5 各煤矿主要环境腐蚀因素影响指数Table 5. Influence index of main environmental corrosion factors in coal minesK μ1 μ2 μ3 μ4 μ5 μ6 μ7 μ8 μ9 K1 0.173 0.569 0.969 0.099 1.000 0.858 1.000 0.150 1.000 K2 0.332 0.111 0.601 0.404 0.450 0.206 0.127 0.150 0.439 K3 0.364 0.059 0.587 0.060 0.800 0.132 0.032 0.619 0.173 K4 0.290 0.071 0.120 0.611 0.700 0.263 0.145 0.619 0.539 K5 0.180 0.134 1.000 0.638 0.850 0.348 0.829 0.850 0.781 基于各巷道主要环境腐蚀因素对该巷道环境腐蚀倾向性隶属关系，结合各主要环境腐蚀因素价值权重，通过式（20）计算得各巷道环境腐蚀倾向性评价指数，并结合工程判据指标，确定各巷道环境腐蚀倾向性（表6）。
表 6 各煤矿环境腐蚀倾向性评价结果Table 6. Evaluation results of environmental corrosion tendency in coal minesK K1 K2 K3 K4 K5 评价指数μ 0.546 0.266 0.231 0.304 0.427 腐蚀倾向性 Ⅴ级（很高） Ⅲ级（中等） Ⅱ级（低） Ⅲ级（中等） Ⅳ级（高） 4.3 工业性腐蚀试验验证
于高家堡煤矿北翼回风巷、西翼集中辅运巷、西区回风巷、3403运输巷、3407运输巷5条巷道巷内开展为期100 d的工业性腐蚀试验。
4.3.1 试验材料
锚杆试样选用MSGLD-400/20规格无纵筋等强螺纹钢锚杆，长度为400 mm，共30根。于巷道内顶板及两帮各布置2根锚杆试样。
4.3.2 试验过程
试验前对每根锚杆试样进行质量测定，质量测定仪器选用电子秤，精度为0.01 g。试验100 d后，将5条巷道内各锚杆试样取出，拍摄外观腐蚀照片，并将其放入超声波清洗机中进行除锈，清洗溶液为质量分数10%的乙酸铵溶液（CH3COONH4），温度为25 ℃，清洗时长为10 min，随后将除锈完成的锚杆试样冲洗干净，放入烘干箱中干燥24 h，并对干燥后的锚杆试样进行质量测定。
采用失重法计算锚杆试样年平均腐蚀深度[31]，如式（21）所示。
$$ h{{ = 365\;000}}\dfrac{{{m_1} - {m_2}}}{{S\rho t}} $$ (21) 式中：h为锚杆年平均腐蚀深度，µm；m1为锚杆试样腐蚀前质量，g；m2为锚杆试样腐蚀后质量，g；（质量取值选用巷内6根试验锚杆平均值）；S为锚杆试样表面积，m2；ρ为锚杆试样材料密度，kg/m3；t为腐蚀时间，d。
试验锚杆腐蚀特征及失重数据见表7。由表7可知，锚杆试样在高家堡煤矿北翼回风巷、西翼集中辅运巷、西区回风巷、3403运输巷、3407运输巷5条巷道巷内腐蚀100 d后，其质量分别损失23.7、10.8、6.5、13.1、16.4 g，由失重法计算得其年平均腐蚀深度分别为392.7、178.9、107.7、217.1、271.7 µm。结合煤矿环境腐蚀倾向性分级标准（表1），可知：高家堡煤矿北翼回风巷、西翼集中辅运巷、西区回风巷、3403运输巷、3407运输巷巷内环境腐蚀倾向性分别为Ⅴ级（很高）、Ⅲ级（中等）、Ⅱ级（低）、Ⅲ级（中等）、Ⅳ级（高）。
表 7 试验锚杆腐蚀特征及年平均腐蚀深度Table 7. Corrosion characteristics and annual average corrosion depth of test anchor rodsK 锚杆外观 腐蚀特征 质量损失/g 年平均腐蚀深度/μm K1 
表层崩解，大量不规则腐蚀坑 23.7 392.7 K2 
大量红锈，轴线长片状腐蚀坑 10.8 178.9 K3 
附着红锈，点状腐蚀痕迹 6.5 107.7 K4 
少量红锈，局部较深点状腐蚀坑 13.1 217.1 K5 
表层金属脱落，条状腐蚀坑 16.4 271.7 对比工业性腐蚀试验结果与腐蚀倾向性评价结果，发现二者一致，这表明评价结果可准确反映各巷道环境腐蚀特性。
5. 结 论
1）基于锚杆服役条件，煤矿环境可被划分为水环境、大气环境、围岩环境。确定了pH、Cl−、${\mathrm{SO}}_4^{2-} $、溶解氧（DO）、矿井温度、矿井湿度、污染气体、围岩渗透性、含硫矿物9种煤矿主要环境腐蚀因素。
2）构建了煤矿环境腐蚀倾向性多元评价指标体系，采用层次分析−熵值组合赋权量化了各评价指标在煤矿环境腐蚀倾向性评价体系中的价值权重。
3）提出了“煤矿环境腐蚀倾向性多参量耦合评价方法”。评价过程中，检测煤矿环境并量化各评价指标，利用隶属度函数确定各评价指标影响指数，结合各指标影响指数和权重对煤矿环境腐蚀倾向性进行综合判断。
4）应用煤矿环境腐蚀倾向性多参量耦合评价方法对高家堡煤矿5条巷道进行环境腐蚀倾向性综合评价，评价结果分布于Ⅱ级至Ⅴ级，对比工业性腐蚀试验结果可知该评价方法能准确反映煤矿环境腐蚀特性。
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图 4 不同橡胶颗粒质量分数对浆体流动度的影响
Figure 4. Effect of different rubber particle admixture on the flow of slurry
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图 5 不同橡胶颗粒质量分数注浆结石体的应力–应变曲线
Figure 5. Stress-strain curves of grouting stones with different content of rubber particles
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图 6 不同橡胶颗粒质量分数下结石体抗压强度变化
Figure 6. Uniaxial compressive strength of grouting stones with different amounts of rubber particles
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图 7 不同纳米二氧化硅质量分数下结石体抗压强度变化
Figure 7. Uniaxial compressive strength changes of different nano-silica content
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图 8 橡胶颗粒质量分数为20%时注浆结石体单轴压缩试验结果
Figure 8. Test condition of compressive strength of grouting stone body when the content of rubber particles is 20%
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图 9 不同橡胶颗粒质量分数的注浆结石体微观结构
Figure 9. Microstructure of grouted stone body with different rubber particle admixture
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图 10 矿井水养护条件下注浆结石体稳定性测试结果
Figure 10. Stability test results of grouted stone bodies under mine water conservation conditions
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图 11 注浆结石体养护龄期对矿井水PH的影响
Figure 11. Influence of maintenance age of slurry crusts on mine water PH
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图 12 注浆结石体养护龄期对结石体抗压强度的影响
Figure 12. Influence of the maintenance age of grouted concretions on the compressive strength of concretions
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图 13 橡胶颗粒掺量对抗渗压力的影响
Figure 13. Effect of different rubber particle content on osmotic pressure
表 1 橡胶颗粒化学组成成分
Table 1 Chemical composition of rubber particles
类别 质量分数/% 橡胶烃 丙酮抽取物 灰分 炭黑 其他氧化物 PC胶粉 45.8 18.4 4.1 26.2 6.54 PC+LC胶粉 47.6 14.6 6.2 32.7 7.22 TB胶粉 56.1 14.5 6.8 29.3 6.13 注：PC为乘用车轮胎；LC为载重汽车轮胎；TB为大型乘用汽车轮胎。 
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表 2 粉煤灰的化学成分
Table 2 Chemical composition of fly ash
组成 Al2O3 CaO Fe2O3 MgO SiO2 SO3 烧失量 质量分数/% 25.67 4.16 4.87 1.56 54.14 0.85 8.75
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密度/(g·cm−3) 1.07～2.4 堆积密度/(g·cm−3) 1.0～1.3 比表面积/(cm2·g−1) 1500~5000 45 μm方孔筛残留物质量分数/% ≤12 需水量/% ≤95 28 d抗压强度比/% 37～85
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表 3 黏土的化学成分
Table 3 Chemical composition of clay
组成 Al2O3 CaO Fe2O3 MgO SiO2 K2O 杂质 质量分数/% 35.38 1.96 2.04 0.34 49.86 2.08 8.34
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表 4 固废注浆材料试验配比设计
Table 4 Solid waste grouting material test ratio
水平 影响因素 橡胶掺量/% 纳米SiO2掺量/% 1（对照组） 0 0 2 5 3 10 1 4 15 5 20 2 6 25 注：纳米二氧化硅掺量为固体粉料总质量的比值，不占注浆料配比质量。
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表 5 现有注浆材料渗透系数对比
Table 5 Comparison of permeability coefficient of existing grouting materials
注浆材料 不同养护时间渗透系数/(10−10 m·s−1) 1 d 7 d 14 d 28 d 水泥 37.6 8.5 1.2 0.88 水泥–黏土–粉煤灰 33.8 6.5 1.4 0.96 水泥–黏土–粉煤灰(K12) 43.5 10.7 2.2 1.21 黏土–粉煤灰–废弃
橡胶颗粒(Nano silica)38.6 9.4 1.7 0.92
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[1] 张耀辉,熊祖强,李西凡,等. 复杂水文地质条件下矿井水害综合防治技术研究[J]. 煤炭科学技术,2021,49(3):167−174. ZHANG Yaohui,XIONG Zuqiang,LI Xifan,et al. Study on technology of mine water disater prevention and control in underground mine under complex hydrogeological conditions[J]. Coal Science and Technology,2021,49(3):167−174.
[2] 张党育. 深部开采矿井水害区域治理关键技术研究及发展[J]. 煤炭科学技术,2017,45(8):8−12. ZHANG Dangyu. Research and development on key technology of mine water disaster regional control in deep mine[J]. Coal Science and Technology,2017,45(8):8−12.
[3] SHAO Jianli,ZHANG Wenquan,WU Xintao,et al. Rock damage model coupled stress–seepage and its application in water inrush from faults in coal mines[J]. ACS Omega,2022,7(16):13604−13614. doi: 10.1021/acsomega.1c07087
[4] 虎维岳,周建军. 煤矿水害防治技术工作中几个易混淆概念的分析[J]. 煤炭科学技术,2017,45(8):60−65. doi: 10.13199/j.cnki.cst.2017.08.011 HU Weiyue,ZHOU Jianjun. Discussion on some confused key concepts used in mine water disater control and protection[J]. Coal Science and Technology,2017,45(8):60−65. doi: 10.13199/j.cnki.cst.2017.08.011
[5] 李 涛,高 颖,张 鹏,等. 深部带压开采黏土基底板注浆材料改性研究[J]. 金属矿山,2019(12):173−177. LI Tao,GAO Ying,ZHANG Peng,et al. Study on Modification of Grouting Material with Clay-based Plate in Deep Mining under Pressure[J]. Metal Mine,2019(12):173−177.
[6] 金 青,王艺霖,崔新壮,等. 拉拔作用下土工合成材料在风化料-废弃轮胎橡胶颗粒轻质土中的变形行为研究[J]. 岩土力学,2020,41(2):408−418. doi: 10.16285/j.rsm.2019.0387 JIN Qing,WANG Yilin,CUI Xinzhuang,et al. Deformation behaviour of geobelt in weathered rock material-tire shred lightweight soil under pullout condition[J]. Rock and Soil Mechanics,2020,41(2):408−418. doi: 10.16285/j.rsm.2019.0387
[7] 陈立庚. 废旧轮胎橡胶颗粒/水泥复合声屏障研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2019. CHEN Ligeng. Study on the noise barriermanufactured by the wastetyre crumb rubber and cementcomposites[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2019.
[8] 龚亦凡,陈 萍,张京旭,等. 废弃橡胶颗粒对再生骨料砂浆技术性能改良[J]. 硅酸盐学报,2021,49(10):2305−2312. doi: 10.14062/j.issn.0454-5648.20210043 GONG Yifan,CHEN Ping,ZHANG Jingxu,et al. Improvement of engineering properties of recycled aggregate mortar by amending waste rubber particles[J]. Journal of the chinese ceramic society,2021,49(10):2305−2312. doi: 10.14062/j.issn.0454-5648.20210043
[9] SU Haolin,YANG Jian,LING T C,et al. Properties of concrete prepared with waste tyre rubber particles of uniform and varying sizes[J]. Journal of Cleaner Production,2015,91:288−296. doi: 10.1016/j.jclepro.2014.12.022
[10] 辛 凌,沈 扬,刘汉龙. 单轴压力下RST轻质土变形特性及其细观机理分析[J]. 河海大学学报(自然科学版),2010,38(2):160−164. XIN Ling,SHEN Yang,LIU Hanlong. Deformation characteristics of RST light-weight soil under uniaxial pressure and its fine-scale mechanism analysis[J]. Journal of Hohai University(Natural Sciences),2010,38(2):160−164.
[11] 辛 凌,刘汉龙,沈 扬. 废弃轮胎橡胶颗粒轻质混合土强度特性试验研究[J]. 岩土工程学报,2010,32(3):428−433. XIN Ling,LIU Hanlong,SHEN Yang. Consolidated undrained triaxial compression tests on lightweight soil mixed with rubber chips of scrap tires[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2010,32(3):428−433.
[12] 严捍东,麻秀星,陈秀峰,等. 废橡胶粉对混合砂浆性能影响的研究[J]. 环境工程学报,2008(3):418−423. YAN Handong,MA Xiuxing,CHEN Xiufeng,et al. Effect of waste rubber powder on properties of blending mortar[J]. Chinese Journal of Environment Engineering,2008(3):418−423.
[13] 刘方成,姚玉文,补国斌,等. 胶–砂粒径比对橡胶砂小应变动力特性的影响[J]. 岩土工程学报,2020,42(9):1659−1668. LIU Fangcheng,YAO Yuwen,BU Guobin et al. Effect of particle size ratio and mix ratio on mechanical behavior of rubber-sand mixtures[J]. Journal of Engineering Geology,2020,42(9):1659−1668.
[14] 刘方成, 吴孟桃, 王海东. 粒径比和配比对橡胶砂力学性能的影响研究[J]. 工程地质学报, 2019, 27(2): 376−389. LIU Fangcheng, WU Mengtao, WANG Haidong. Effect of particle size ratio and mix ratio on mechanical behavior of rubber-sand mixtures[J]. Journal of Engineering Geology, 2019, 27(2): 376−389.
[15] LO PRESTI Davide,FECAROTTI Claudia,T CLARE Adam,et al. Toward more realistic viscosity measurements of tyre rubber–bitumen blends[J]. Construction and Building Materials,2014,67:270−278. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2014.03.038
[16] 王 海,黄选明,朱明诚,等. 露天矿煤层裂隙注浆材料性能与帷幕截流技术[J]. 煤炭科学技术,2020,48(11):241−247. WANG Hai,HUANG Xuanming,ZHU Mingcheng,et al. Study on grouting material performance and water-blacking curtain wall technology injection to coal seam in open coal mine[J]. Coal Science and Technology,2020,48(11):241−247.
[17] 苗贺朝,王 海,王晓东,等. 粉煤灰基防渗注浆材料配比优选及其性能试验研究[J]. 煤炭科学技术,2022,50(9):230−239. MIAO Hechao,WANG Hai,WANG Xiaodong,et al. Study on the ratio optimization and performance test of fly ash-based impermeable grouting materials[J]. Coal Science and Technology,2022,50(9):230−239.
[18] 陈礼仪,王 胜. 粉煤灰灌浆材料的研究与应用[J]. 成都理工大学学报(自然科学版),2007(2):206−209. CHEN Liyi,WANG Sheng. Research and application of fly ash grouting material[J]. Journal of Chengdu University of Technology (Natural Science Edition),2007(2):206−209.
[19] 万 志. 劈裂注浆在黄河堤防防渗加固的试验研究[D]. 济南: 山东大学, 2019. WAN Zhi. Experimental investigation on anti-seepage reinforcement effect of fracture grouting in the yellow river embankment[D]. Jinan: Shandong University, 2019.
[20] ZHANG Wenquan,ZHU Xianxiang,XU Shuanxiang. Experimental study on properties of a new type of grouting material for the reinforcement of fractured seam floor[J]. Journal of Materials Research and Technology-JMR& T,2019,8:5271−5282.
[21] 朱先祥. 底板采动裂隙固废注浆材料的基础试验研究[D]. 济南: 山东科技大学, 2020. ZHU Xianxiang. Basic experimental research on grouting mater-ial for mining bottom fissure solid waste[D]. Jinan: Shandong University of Science and Technology, 2020.
[22] 李见波,尹尚先. 近奥灰薄隔水层底板岩体变形破坏机制研究[J]. 煤炭科学技术,2021,49(12):173−179. doi: 10.3969/j.issn.0253-2336.2021.12.mtkxjs202112021 LI Jianbo,YIN Shangxian. Study on deformation and rock failure mechanism of floor rock mass with thin aquifuge near Ordovician limestone[J]. Coal Science and Technology,2021,49(12):173−179. doi: 10.3969/j.issn.0253-2336.2021.12.mtkxjs202112021
[23] 孙亚军,张 莉,徐智敏,等. 煤矿区矿井水水质形成与演化的多场作用机制及研究进展[J]. 煤炭学报,2022,47(1):423−437. doi: 10.13225/j.cnki.jccs.YG21.1937 SUN Yajun,ZHANG Li,XU Zhimin,et al. Multi-field action mechanism and research progress of coal mine water quality formation and evolution[J]. Journal of China Coal Society,2022,47(1):423−437. doi: 10.13225/j.cnki.jccs.YG21.1937
[24] 赵洪宝,刘一洪,刘绍强,等. 考虑动载扰动作用的窄煤柱巷道底板失稳机制[J]. 煤炭科学技术,2022,50(2):56−64. doi: 10.13199/j.cnki.cst.2021-1194 ZHAO Hongbao,LIU Yihong,LIU Shaoqiang,et al. Instability mechanism of narrow coal pillar roadway floor considering dynamic load disturbance[J]. Coal Science and Technology,2022,50(2):56−64. doi: 10.13199/j.cnki.cst.2021-1194
[25] 贺东青,王金歌,王一鸣. 橡胶掺量对CBFRC的物理力学性能影响[J]. 建筑材料学报,2015,18(5):857−860. doi: 10.3969/j.issn.1007-9629.2015.05.025 HE Dongqing,WANG Jinge,WANG Yiming. Effect of crumb rubber proportion on mechanical properties of chopped basalt fiber reinforced concrete[J]. Journal of Building Materials,2015,18(5):857−860. doi: 10.3969/j.issn.1007-9629.2015.05.025
[26] 肖建庄,李 标,张凯建,等. 纳米二氧化硅改性再生混凝土的单轴受压动态力学性能[J]. 同济大学学报(自然科学版),2021,49(1):30−39. doi: 10.11908/j.issn.0253-374x.20261 XIAO Jianzhuang,LI Biao,ZHANG Kaijian,et al. Dynamic mechanical properties of nano-silica modified recycled aggregate concrete under uniaxial compression[J]. Journal of Tongji University(Natural Science),2021,49(1):30−39. doi: 10.11908/j.issn.0253-374x.20261
[27] 程小伟,黄 盛,龙 丹,等. 等离子改性废旧橡胶颗粒增强固井水泥石性能[J]. 石油学报,2014,35(2):371−376. doi: 10.7623/syxb201402020 CHENG Xiaowei,HUANG Sheng,LONG Dan,et al. Improvement of the properties of plasma-modified ground tire rubber filled cement paste[J]. Acta Petrolei Sinica,2014,35(2):371−376. doi: 10.7623/syxb201402020
[28] 顾大钊,李 庭,李井峰,等. 我国煤矿矿井水处理技术现状与展望[J]. 煤炭科学技术,2021,49(1):11−18. doi: 10.13199/j.cnki.cst.2021.01.002 GU Dazhao,LI Ting,LI Jingfeng,et al. Current status and prospects of coal mine water treatment technology in China[J]. Coal Science and Technology,2021,49(1):11−18. doi: 10.13199/j.cnki.cst.2021.01.002
[29] 李林林,朱俊福,靖洪文,等. 高温处理后花岗岩应力作用下渗透特性演化研究[J]. 煤炭科学技术,2021,49(7):45−50. LI Linlin,ZHU Junfu,JING Hongwen,et al. Study on evolution of granite permeability under stress after high temperature exposure[J]. Coal Science and Technology,2021,49(7):45−50.
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