我國每年新掘巷道長度約12000 km，其中近80%屬于回采巷道，其穩(wěn)定性對于保證煤炭資源順利開采至關重要。自20世紀90年代起，錨桿支護技術以其顯著的技術及經濟優(yōu)越性在我國巷道圍巖控制中得到廣泛應用，經過近30 a的發(fā)展，取得了眾多卓越的成果。

泥質軟巖廣泛存在于我國西部礦區(qū)侏羅紀、北部礦區(qū)白堊紀及中東部礦區(qū)石炭二疊紀地層中，泥質軟巖作為一種典型的工程圍巖，其主要成分為伊利石、高嶺石及蒙脫石等黏土礦物，具有強度低、易風化、穩(wěn)定性差、水?巖相互作用明顯及巷道圍巖控制難度大等特點。近年來，有關學者在泥質軟巖巷道(圍巖多為泥巖、黏土巖、泥頁巖等)穩(wěn)定控制方面取得了重要進展，形成了以錨桿(索)支護技術為主，裂隙區(qū)域注漿、被動型鋼支架及分次支護技術為輔的泥質軟巖控制技術。在巷道錨固施工過程中，鉆打錨固孔是進行錨桿(索)支護的必要步驟，錨固孔孔徑一般為28～32 mm。部分泥質圍巖在成孔時，通過調整鉆進速度、水壓等可以實現(xiàn)“濕鉆”成孔，但對于泥質軟巖而言，在“濕鉆”時由于鉆渣泥化現(xiàn)象顯著，孔深較大時，泥化后的鉆渣難以排出易黏附于鉆頭切削部位。這不僅大大降低成孔效率，也會降低成孔質量(如偏離軌跡或孔徑不合格)影響錨桿安裝和錨固效果，甚至會出現(xiàn)抱鉆、卡鉆現(xiàn)象，嚴重時還可能導致鉆具彎折或斷裂，威脅作業(yè)人員生命安全。

泥質鉆渣吸水泥化過程

高嶺石黏粒與其他礦物膠結形成了黏土膠結體，黏土膠結體是泥質巖體主要組成部分。高嶺石黏粒由若干層硅氧四面體和鋁氧八面體構成的晶層結構組成，晶層表面氫原子易被與其緊鄰晶層表面電負性較強的氧原子吸引形成氫鍵，連接力較強，分子或離子難以進入晶層之間，高嶺石黏粒微觀結構如圖1所示。由于晶層間氫鍵的存在，使高嶺石泥質鉆渣與水的反應主要在高嶺石晶層表面進行。

圖1高嶺石黏粒的微觀結構

利用FEI Quanta 250 FEG型場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀測微觀狀態(tài)下泥巖鉆渣與水作用前后形貌變化，于粒徑<0.5 mm的鉆渣中隨機選取2組相同質量鉆渣樣品，其中一組作為對照組，未進行任何處理；另一組則作為試驗組，進行了加水處理。待試驗組中的鉆渣與水充分作用后，將其充分干燥。然后對2組樣品分別進行了噴金處理。鉆渣對水的吸附過程及細觀形貌觀測結果如圖2所示。

圖2含高嶺石泥質鉆渣吸水泥化過程

圖2中，在微觀尺度層面，由于高嶺石形成過程中發(fā)生同晶置換，使晶層表面帶永久負電荷。當高嶺石黏粒遇水時，水分子的偶極性使氫原子易與高嶺石晶層表面電負性較強的氧原子結合形成氫鍵，同時，吸附在晶層表面的水分子之間也會通過氫鍵連接，該過程即為水分子的吸附過程。當第1層水分子被高嶺石黏粒吸附后，其外側氧原子呈負電性，繼續(xù)與第2層水分子的氫原子以氫鍵形式結合，最終形成多層水分子“水膜”。高嶺石黏粒不斷吸水擴層，使鉆渣顆粒體積不斷膨脹，同時伴隨鉆渣內部非泥質礦物的溶解，高嶺石黏粒間距變小，并通過外側“水膜”相互吸附，構成“水橋”，使得多個高嶺石黏粒能夠在遇水后聚集，形成更大的團聚體。

在細觀尺度層面，由于鉆渣表面高嶺石黏粒對水的吸附作用，使鉆渣同樣被“水膜”包覆，同時隨著非泥質礦物的不斷溶解以及鉆渣顆粒的吸水膨脹，鉆渣顆粒間距縮小，極易被彼此“水膜”間范德華力捕獲，使彼此聚集，最終形成宏觀尺寸下可目視的黏聚體。如圖2中泥質鉆渣掃描電鏡圖像所示，鉆渣未吸水前，在放大2000倍條件下，可見單個鉆渣顆粒，顆粒平均間距約為28μm，在鉆渣吸水后，整個鏡頭下未見鉆渣顆粒間存在的明顯間隙，顆粒發(fā)生顯著聚集，間距變小甚至消失。

泥化鉆渣黏附機理分析

由于被“水膜”包覆的鉆渣顆粒(高嶺石及其他礦物)受鉆頭旋轉及鉆進液沖刷影響，不斷與鉆頭表面接觸，鉆頭在成孔過程中，會與巖石、鉆進液產生強烈摩擦作用，使鉆頭表面電子發(fā)生轉移，導致鉆頭表面帶正電荷，經Zeta電位測試可知鉆渣顆粒“水膜”即液渣混合物呈負電性(詳見3.4節(jié))，兩者會發(fā)生靜電力作用(圖3)。Fe可表示為

圖3靜電力及界面張力作用下泥化鉆渣黏附鉆具

$${F}_{{mathrm{e}}}=frac{1}{4pivarepsilon}frac{{Q}_{{mathrm{c}}}{Q}_{{mathrmhhp1pbpn}}}{hhp1pbpn^{2}}$$(1)

式中：${Q}_{{mathrm{c}}}$為鉆渣顆粒“水膜”所帶電量，C；${Q}_{{mathrmhhp1pbpn}}$為鉆頭“水膜”所帶電量，C；$varepsilon$為空間介電常數，$varepsilon=8.85times{10}^{-12}$C/(V·m)；d為鉆渣顆?！八ぁ迸c鉆頭表面各自帶電中心的距離，m。

鉆頭受鉆進液潤濕影響，其表面同樣被“水膜”包覆，被“水膜”包覆的鉆渣顆粒與鉆頭表面的“水膜”接觸后，兩者會形成一整體，在鉆頭?水接觸界面處的“水膜”會搭接成彎月面，則在鉆頭表面、水分子層、空氣三相界面交界點O處，可列出界面張力極限平衡方程

$${sigma}_{{mathrm{S-G}}}-{sigma}_{{mathrm{S-L}}}={sigma}_{{mathrm{L-G}}}cosleft(thetaright)$$(2)

式中：${sigma}_{{mathrm{S-G}}}$為鉆頭?空氣界面張力，N/m；${sigma}_{{mathrm{S-L}}}$為鉆頭?水界面張力，N/m；${sigma}_{{mathrm{L-G}}}$為水?空氣界面張力，N/m；θ為鉆頭?水界面的浸潤角。

由于鉆頭表面被水持續(xù)浸潤，因此有

$${sigma}_{{mathrm{S-G}}}-{sigma}_{{mathrm{S-L}}}>0$$(3)

式(1)表明，包裹鉆渣顆粒的“水膜”與鉆頭表面“水膜”形成的整體受彎月面處界面張力作用，被不斷沿鉆頭表面方向“拉扯”，使鉆渣顆粒被界面張力“綁縛”于鉆頭表面(圖3)。但僅依靠界面張力顯然無法抵抗鉆具高速旋轉產生的離心力，靜電力與界面張力的共同作用導致了泥化鉆渣黏附于鉆具表面，且靜電力對液渣混合物的黏附發(fā)揮了重要作用。

綜上所述，鉆頭在破巖過程中，含高嶺石類泥質鉆渣吸水泥化后受自身“水膜”與鉆頭表面產生的靜電力以及與鉆頭表面“水膜”形成整體結構的界面張力的共同作用造成了鉆渣黏附，靜電力在黏附過程中發(fā)揮了重要作用。因此，削弱含高嶺石鉆渣對水的吸附作用，抑制鉆渣泥化進程，可降低鉆渣對鉆具的黏附程度。