我國每年新掘巷道長度約12000 km，其中近80%屬於回采巷道，其穩定性對於保證煤炭資源順利開采至關重要。自20世紀90年代起，錨杆支護技術以其顯著的技術及經濟優越性在我國巷道圍岩控製中得到廣泛應用，經過近30 a的發展，取得了眾多卓越的成果。

泥質軟岩廣泛存在於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，泥質軟岩作為一種典型的工程圍岩，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、穩定性差、水−岩相互作用明顯及巷道圍岩控製難度大等特點。近年來，有關學者在泥質軟岩巷道(圍岩多為泥岩、黏土岩、泥頁岩等)穩定控製方麵取得了重要進展，形成了以錨杆(索)支護技術為主，裂隙區域注漿、被動型鋼支架及分次支護技術為輔的泥質軟岩控製技術。在巷道錨固施工過程中，鑽打錨固孔是進行錨杆(索)支護的必要步驟，錨固孔孔徑一般為28～32 mm。部分泥質圍岩在成孔時，通過調整鑽進速度、水壓等可以實現“濕鑽”成孔，但對於泥質軟岩而言，在“濕鑽”時由於鑽渣泥化現象顯著，孔深較大時，泥化後的鑽渣難以排出易黏附於鑽頭切削部位。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)影響錨杆安裝和錨固效果，甚至會出現抱鑽、卡鑽現象，嚴重時還可能導致鑽具彎折或斷裂，威脅作業人員生命安全。

泥質鑽渣吸水泥化過程

高嶺石黏粒與其他礦物膠結形成了黏土膠結體，黏土膠結體是泥質岩體主要組成部分。高嶺石黏粒由若幹層矽氧四麵體和鋁氧八麵體構成的晶層結構組成，晶層表麵氫原子易被與其緊鄰晶層表麵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。由於晶層間氫鍵的存在，使高嶺石泥質鑽渣與水的反應主要在高嶺石晶層表麵進行。

圖1高嶺石黏粒的微觀結構

利用FEI Quanta 250 FEG型場發射掃描電子顯微鏡觀測微觀狀態下泥岩鑽渣與水作用前後形貌變化，於粒徑<0.5 mm的鑽渣中隨機選取2組相同質量鑽渣樣品，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。待試驗組中的鑽渣與水充分作用後，將其充分幹燥。然後對2組樣品分別進行了噴金處理。鑽渣對水的吸附過程及細觀形貌觀測結果如圖2所示。

圖2含高嶺石泥質鑽渣吸水泥化過程

圖2中，在微觀尺度層麵，由於高嶺石形成過程中發生同晶置換，使晶層表麵帶永久負電荷。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麵電負性較強的氧原子結合形成氫鍵，同時，吸附在晶層表麵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後，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，使鑽渣顆粒體積不斷膨脹，同時伴隨鑽渣內部非泥質礦物的溶解，高嶺石黏粒間距變小，並通過外側“水膜”相互吸附，構成“水橋”，使得多個高嶺石黏粒能夠在遇水後聚集，形成更大的團聚體。

在細觀尺度層麵，由於鑽渣表麵高嶺石黏粒對水的吸附作用，使鑽渣同樣被“水膜”包覆，同時隨著非泥質礦物的不斷溶解以及鑽渣顆粒的吸水膨脹，鑽渣顆粒間距縮小，極易被彼此“水膜”間範德華力捕獲，使彼此聚集，最終形成宏觀尺寸下可目視的黏聚體。如圖2中泥質鑽渣掃描電鏡圖像所示，鑽渣未吸水前，在放大2000倍條件下，可見單個鑽渣顆粒，顆粒平均間距約為28μm，在鑽渣吸水後，整個鏡頭下未見鑽渣顆粒間存在的明顯間隙，顆粒發生顯著聚集，間距變小甚至消失。

泥化鑽渣黏附機理分析

由於被“水膜”包覆的鑽渣顆粒(高嶺石及其他礦物)受鑽頭旋轉及鑽進液衝刷影響，不斷與鑽頭表麵接觸，鑽頭在成孔過程中，會與岩石、鑽進液產生強烈摩擦作用，使鑽頭表麵電子發生轉移，導致鑽頭表麵帶正電荷，經Zeta電位測試可知鑽渣顆粒“水膜”即液渣混合物呈負電性(詳見3.4節)，兩者會發生靜電力作用(圖3)。Fe可表示為

圖3靜電力及界麵張力作用下泥化鑽渣黏附鑽具

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

式中：${Q}_{{mathrm{c}}}$為鑽渣顆粒“水膜”所帶電量，C；${Q}_{{mathrm{d}}}$為鑽頭“水膜”所帶電量，C；$varepsilon$為空間介電常數，$varepsilon=8.85times{10}^{-12}$C/(V·m)；d為鑽渣顆粒“水膜”與鑽頭表麵各自帶電中心的距離，m。

鑽頭受鑽進液潤濕影響，其表麵同樣被“水膜”包覆，被“水膜”包覆的鑽渣顆粒與鑽頭表麵的“水膜”接觸後，兩者會形成一整體，在鑽頭−水接觸界麵處的“水膜”會搭接成彎月麵，則在鑽頭表麵、水分子層、空氣三相界麵交界點O處，可列出界麵張力極限平衡方程

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

式中：${sigma}_{{mathrm{S-G}}}$為鑽頭−空氣界麵張力，N/m；${sigma}_{{mathrm{S-L}}}$為鑽頭−水界麵張力，N/m；${sigma}_{{mathrm{L-G}}}$為水−空氣界麵張力，N/m；θ為鑽頭−水界麵的浸潤角。

由於鑽頭表麵被水持續浸潤，因此有

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

式(1)表明，包裹鑽渣顆粒的“水膜”與鑽頭表麵“水膜”形成的整體受彎月麵處界麵張力作用，被不斷沿鑽頭表麵方向“拉扯”，使鑽渣顆粒被界麵張力“綁縛”於鑽頭表麵(圖3)。但僅依靠界麵張力顯然無法抵抗鑽具高速旋轉產生的離心力，靜電力與界麵張力的共同作用導致了泥化鑽渣黏附於鑽具表麵，且靜電力對液渣混合物的黏附發揮了重要作用。

綜上所述，鑽頭在破岩過程中，含高嶺石類泥質鑽渣吸水泥化後受自身“水膜”與鑽頭表麵產生的靜電力以及與鑽頭表麵“水膜”形成整體結構的界麵張力的共同作用造成了鑽渣黏附，靜電力在黏附過程中發揮了重要作用。因此，削弱含高嶺石鑽渣對水的吸附作用，抑製鑽渣泥化進程，可降低鑽渣對鑽具的黏附程度。