РАЗДЕЛ 2
ШАХТНЫЕ И ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОРРОЗИИ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ АРОЧНОЙ КРЕПИ В УСЛОВИЯХ АГРЕССИВНОГО ДЕЙСТВИЯ ШАХТНЫХ ВОД
2.1. Общие положения
Начало научного изучения коррозии было положено работами великого русского естествоиспытателя М. В. Ломоносова, которому принадлежит открытие в 1748 г. закона сохранения массы. Эксперименты, послужившие основанием закона, были выполнены с металлами, подвергавшимися прокаливанию в запаянном сосуде. Прибавление в весе металлов (коррозионное взаимодействие) обнаружилось только тогда, когда в сосуд впускался воздух. В 1773 г. опыты были повторены французским химиком Лавуазье, который установил, что окисление металла есть соединение его с кислородом.
Большое значение для развития теории коррозии имели работы Холла (1819 г.) и Деви (1824 г.), которые показали, что в отсутствии воздуха железо и медь не корродируют.
Исключительное значение для обоснования электрохимического механизма коррозии имели работы выдающихся учёных Дэви и Фарадея, установивших законы электролиза.
Новый этап в развитии и оформлении самостоятельного раздела науки о коррозии металлов связан с именами В.А. Кистяковского, Н.А. Изгарышева, Ю.Р. Эванса, Г.В. Акимова, А.Н. Фрумкина, Г.Г. Улига, Н.Д. Томашова и многих других исследователей [42].
В процессе эксплуатации крепь горной выработки соприкасается непосредственно с породами, химически активными водами и рудничной атмосферой. В результате, конструкции подвергаются различным видам коррозии. Различают следующие виды коррозии: атмосферная, подводная, подземная, водородная, кислородная, газовая.
Атмосферная коррозия протекает интенсивно при повышенных температуре воздуха (до 50?С), скорости его струи, обдувающей крепь со всех сторон, и 100% относительной влажности. Подводная коррозия - коррозия металла, погруженного в воду. Это элементы крепи, прилегающие к водоотливным канавкам и подтопленным выработкам, крепи водосборников, трубопроводов и т. д. Наличие в воде солей и кислот ускоряет процесс. Подземная коррозия возникает при воздействии на металл пород почвы и забутовки. Водородная, и газовая коррозии не характерны для металлоконструкций в горных выработках [30].
В условиях шахт коррозия металла также классифицируется по характеру разрушения. Наиболее опасной является неравномерная коррозия (рис. 2.1).
Рис 2.1. Классификация коррозии по характеру разрушения
Четкое представление процесса коррозии невозможно без рассмотрения материала конструкции, испытывающей коррозионное разрушение в результате эксплуатации. В качестве металла для крепления горных выработок в течение многих лет, благодаря своим конструкционным свойствам, используется сталь.
Сталь - это сложный сплав железа с углеродом (0,01...2%) и другими элементами. Нелегированная сталь кроме железа, углерода, кремния, марганца, серы и фосфора может содержать азот и водород, а также местные или случайные примеси (медь и мышьяк - из отдельных руд, хром и никель - из возврата, поступающего в шихтовые материалы, алюминий - из комплексных раскислителей и т.п.). Сталь воспринимает закалку, в результате которой ее физико-механические свойства резко изменяются, поддается ковке, прокатке. Обычно в технических сортах стали содержится до 1,1% марганца, до 0,4% кремния, до 0,08% фосфора и столько же серы, до 0,02% кислорода. Нежелательные для стали примеси фосфора и серы регламентируются стандартами.
По способу получения различают мартеновскую сталь и конвертерную. Для производства профилей проката крепи в Украине используется мартеновская Ст.5 или Ст.5пс Алчевского МК и комбината "Азовсталь" (группа А по ГОСТ 380-88). Термическая обработка для нужд крепления выработок не применяется [30]. Поверхность металла химически неоднородна, что обусловлено наличием окалины, ржавчины, формовочной земли, остатков сварных флюсов, масляных и других загрязнений, различиями в степени термического и механического воздействия на отдельные участки, а также возможными различиями в химическом составе, что имеет место в районе сварного шва. Все это приводит к ускорению развития коррозийного процесса.
Особенно опасным следует признать присутствие окисных пленок (окалины), которые активны с электрохимической точки зрения. Окалина образуется в процессе нагревания стальных заготовок перед прокаткой и состоит из безводных окислов FеО, Fе3О4 и Fе2О3 [36]. Окалина, образующаяся при прокате стальных крепей (T<=500град.), почти не содержит FеО, а поэтому в химическом отношении она оказывается более стойкой и обладает защитными свойствами. Однако защитное действие окалины может проявиться только в случае ее полной непрерывности. Последнее условие практически невыполнимо, так как при превращении железа в Fе2О3 происходит увеличение объема в 2,16 раза, следствием этого является наличие внутренних напряжений в слое окалины, которые в свою очередь обусловливают появление трещин, пузырей и разрывов в слое окалины. Разрывы образуются также при механических и термических воздействиях. Благодаря несплошности окалины стальное сооружение, находящееся в контакте с электролитом, подвергается усиленной местной коррозии, так как поверхность, покрытая окалиной, оказывается катодом, а металл в дне трещины анодом.
Ржавчина в отличие от окалины образуется в присутствии влаги при Т? 100°С, а поэтому состоит в основном из гидратированных окислов железа. В общем виде химический состав ржавчины выражается формулой [37,38]:
(FеО)n*(Fе2O3)m*(Н2О)k, (2.1)
В слое ржавчины обычно обнаруживаются растворимые соли железа и других катионов. Благодаря рыхлой структуре ржавчины на поверхности дольше задерживается влага, появившаяся в результате дренирования шахтных вод, а поэтому скорость коррозии повышается.
В результате агрессивного действия шахтных условий на отдельных частях металлической крепи попавшая вода накапливается, образуя застойные зоны (участки), что приводит к быстрому