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(guān)重要。自20世紀(jì)90年代起，錨桿支護(hù)技術(shù)以其顯著的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性在我國巷道圍巖控制中得到廣泛應(yīng)用，經(jīng)過近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(qū)侏羅紀(jì)、北部礦區(qū)白堊紀(jì)及中東部礦區(qū)石炭二疊紀(jì)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(qiáng)度低、易風(fēng)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(diǎn)。近年來，有關(guān)學(xué)者在泥質(zhì)軟巖巷道(圍巖多為泥巖、黏土巖、泥頁巖等)穩(wěn)定控制方面取得了重要進(jìn)展，形成了以錨桿(索)支護(hù)技術(shù)為主，裂隙區(qū)域注漿、被動(dòng)型鋼支架及分次支護(hù)技術(shù)為輔的泥質(zhì)軟巖控制技術(shù)。在巷道錨固施工過程中，鉆打錨固孔是進(jìn)行錨桿(索)支護(hù)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)，通過調(diào)整鉆進(jìn)速度、水壓等可以實(shí)現(xiàn)“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(xiàn)象顯著，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?xí)霈F(xiàn)抱鉆、卡鉆現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)還可能導(dǎo)致鉆具彎折或斷裂，威脅作業(yè)人員生命安全。

泥質(zhì)鉆渣吸水泥化過程

高嶺石黏粒與其他礦物膠結(jié)形成了黏土膠結(jié)體，黏土膠結(jié)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(gòu)成的晶層結(jié)構(gòu)組成，晶層表面氫原子易被與其緊鄰晶層表面電負(fù)性較強(qiáng)的氧原子吸引形成氫鍵，連接力較強(qiáng)，分子或離子難以進(jìn)入晶層之間，高嶺石黏粒微觀結(jié)構(gòu)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(yīng)主要在高嶺石晶層表面進(jìn)行。

圖1高嶺石黏粒的微觀結(jié)構(gòu)

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(jī)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(yàn)組，進(jìn)行了加水處理。待試驗(yàn)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。鉆渣對水的吸附過程及細(xì)觀形貌觀測結(jié)果如圖2所示。

圖2含高嶺石泥質(zhì)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(fù)電荷。當(dāng)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(fù)性較強(qiáng)的氧原子結(jié)合形成氫鍵，同時(shí)，吸附在晶層表面的水分子之間也會(huì)通過氫鍵連接，該過程即為水分子的吸附過程。當(dāng)?shù)?層水分子被高嶺石黏粒吸附后，其外側(cè)氧原子呈負(fù)電性，繼續(xù)與第2層水分子的氫原子以氫鍵形式結(jié)合，最終形成多層水分子“水膜”。高嶺石黏粒不斷吸水?dāng)U層，使鉆渣顆粒體積不斷膨脹，同時(shí)伴隨鉆渣內(nèi)部非泥質(zhì)礦物的溶解，高嶺石黏粒間距變小，并通過外側(cè)“水膜”相互吸附，構(gòu)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(tuán)聚體。

在細(xì)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(shí)隨著非泥質(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(jī)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(zhuǎn)及鉆進(jìn)液沖刷影響，不斷與鉆頭表面接觸，鉆頭在成孔過程中，會(huì)與巖石、鉆進(jìn)液產(chǎn)生強(qiáng)烈摩擦作用，使鉆頭表面電子發(fā)生轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致鉆頭表面帶正電荷，經(jīng)Zeta電位測試可知鉆渣顆粒“水膜”即液渣混合物呈負(fù)電性(詳見3.4節(jié))，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

$${F}_{{mathrm{e}}}=frac{1}{4pivarepsilon}frac{{Q}_{{mathrm{c}}}{Q}_{{mathrmug2kmy02aki}}}{ug2kmy02aki^{2}}$$(1)

式中：${Q}_{{mathrm{c}}}$為鉆渣顆粒“水膜”所帶電量，C；${Q}_{{mathrmug2kmy02aki}}$為鉆頭“水膜”所帶電量，C；$varepsilon$為空間介電常數(shù)，$varepsilon=8.85times{10}^{-12}$C/(V·m)；d為鉆渣顆粒“水膜”與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(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(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，靜電力與界面張力的共同作用導(dǎo)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(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(jié)構(gòu)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(jìn)程，可降低鉆渣對鉆具的黏附程度。