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

泥質(zhì)軟巖廣泛存在于我國西部礦區侏羅紀、北部礦區白堊紀及中東部礦區石炭二疊紀地層中，泥質(zhì)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(fēng)化、穩定性差、水?巖相互作用明顯及巷道圍巖控制難度大等特點(diǎn)。近年來(lái)，有關(guān)學(xué)者在泥質(zhì)軟巖巷道(圍巖多為泥巖、黏土巖、泥頁(yè)巖等)穩定控制方面取得了重要進(jìn)展，形成了以錨桿(索)支護技術(shù)為主，裂隙區域注漿、被動(dòng)型鋼支架及分次支護技術(shù)為輔的泥質(zhì)軟巖控制技術(shù)。在巷道錨固施工過(guò)程中，鉆打錨固孔是進(jìn)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(zhì)圍巖在成孔時(shí)，通過(guò)調整鉆進(jìn)速度、水壓等可以實(shí)現“濕鉆”成孔，但對于泥質(zhì)軟巖而言，在“濕鉆”時(shí)由于鉆渣泥化現象顯著(zhù)，孔深較大時(shí)，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(huì )降低成孔質(zhì)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(huì )出現抱鉆、卡鉆現象，嚴重時(shí)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(zhì)鉆渣吸水泥化過(guò)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(zhì)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(jìn)入晶層之間，高嶺石黏粒微觀(guān)結構如圖1所示。由于晶層間氫鍵的存在，使高嶺石泥質(zhì)鉆渣與水的反應主要在高嶺石晶層表面進(jìn)行。

圖1高嶺石黏粒的微觀(guān)結構

利用FEI Quanta 250 FEG型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀(guān)測微觀(guān)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(zhì)量鉆渣樣品，其中一組作為對照組，未進(jìn)行任何處理；另一組則作為試驗組，進(jìn)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(jìn)行了噴金處理。鉆渣對水的吸附過(guò)程及細觀(guān)形貌觀(guān)測結果如圖2所示。

圖2含高嶺石泥質(zhì)鉆渣吸水泥化過(guò)程

圖2中，在微觀(guān)尺度層面，由于高嶺石形成過(guò)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(shí)，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(shí)，吸附在晶層表面的水分子之間也會(huì )通過(guò)氫鍵連接，該過(guò)程即為水分子的吸附過(guò)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(shí)伴隨鉆渣內部非泥質(zhì)礦物的溶解，高嶺石黏粒間距變小，并通過(guò)外側“水膜”相互吸附，構成“水橋”，使得多個(gè)高嶺石黏粒能夠在遇水后聚集，形成更大的團聚體。

在細觀(guān)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(shí)隨著(zhù)非泥質(zhì)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(guān)尺寸下可目視的黏聚體。如圖2中泥質(zhì)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(jiàn)單個(gè)鉆渣顆粒，顆粒平均間距約為28μm，在鉆渣吸水后，整個(gè)鏡頭下未見(jiàn)鉆渣顆粒間存在的明顯間隙，顆粒發(fā)生顯著(zhù)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(jìn)液沖刷影響，不斷與鉆頭表面接觸，鉆頭在成孔過(guò)程中，會(huì )與巖石、鉆進(jìn)液產(chǎn)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(jīng)Zeta電位測試可知鉆渣顆?！八ぁ奔匆涸旌衔锍守撾娦?詳見(jiàn)3.4節)，兩者會(huì )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

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

式中：${Q}_{{mathrm{c}}}$為鉆渣顆?！八ぁ彼鶐щ娏?，C；${Q}_{{mathrmtqq99gw}}$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(jìn)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(huì )形成一整體，在鉆頭?水接觸界面處的“水膜”會(huì )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(diǎn)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(wú)法抵抗鉆具高速旋轉產(chǎn)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(guò)程中，含高嶺石類(lèi)泥質(zhì)鉆渣吸水泥化后受自身“水膜”與鉆頭表面產(chǎn)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(guò)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(jìn)程，可降低鉆渣對鉆具的黏附程度。