我国每年新掘巷道长度约12000 km，其中近80%属于回采巷道，其稳定性对于保证煤炭资源顺利开采至关重要。自20世纪90年代起，锚杆支护技术以其显著的技术及经济优越性在我国巷道围岩控制中得到广泛应用，经过近30 a的发展，取得了众多卓越的成果。

泥质软岩广泛存在于我国西部矿区侏罗纪、北部矿区白垩纪及中东部矿区石炭二叠纪地层中，泥质软岩作为一种典型的工程围岩，其主要成分为伊利石、高岭石及蒙脱石等黏土矿物，具有强度低、易风化、稳定性差、水−岩相互作用明显及巷道围岩控制难度大等特点。近年来，有关学者在泥质软岩巷道(围岩多为泥岩、黏土岩、泥页岩等)稳定控制方面取得了重要进展，形成了以锚杆(索)支护技术为主，裂隙区域注浆、被动型钢支架及分次支护技术为辅的泥质软岩控制技术。在巷道锚固施工过程中，钻打锚固孔是进行锚杆(索)支护的必要步骤，锚固孔孔径一般为28～32 mm。部分泥质围岩在成孔时，通过调整钻进速度、水压等可以实现“湿钻”成孔，但对于泥质软岩而言，在“湿钻”时由于钻渣泥化现象显著，孔深较大时，泥化后的钻渣难以排出易黏附于钻头切削部位。这不仅大大降低成孔效率，也会降低成孔质量(如偏离轨迹或孔径不合格)影响锚杆安装和锚固效果，甚至会出现抱钻、卡钻现象，严重时还可能导致钻具弯折或断裂，威胁作业人员生命安全。

泥质钻渣吸水泥化过程

高岭石黏粒与其他矿物胶结形成了黏土胶结体，黏土胶结体是泥质岩体主要组成部分。高岭石黏粒由若干层硅氧四面体和铝氧八面体构成的晶层结构组成，晶层表面氢原子易被与其紧邻晶层表面电负性较强的氧原子吸引形成氢键，连接力较强，分子或离子难以进入晶层之间，高岭石黏粒微观结构如图1所示。由于晶层间氢键的存在，使高岭石泥质钻渣与水的反应主要在高岭石晶层表面进行。

图1高岭石黏粒的微观结构

利用FEI Quanta 250 FEG型场发射扫描电子显微镜观测微观状态下泥岩钻渣与水作用前后形貌变化，于粒径<0.5 mm的钻渣中随机选取2组相同质量钻渣样品，其中一组作为对照组，未进行任何处理；另一组则作为试验组，进行了加水处理。待试验组中的钻渣与水充分作用后，将其充分干燥。然后对2组样品分别进行了喷金处理。钻渣对水的吸附过程及细观形貌观测结果如图2所示。

图2含高岭石泥质钻渣吸水泥化过程

图2中，在微观尺度层面，由于高岭石形成过程中发生同晶置换，使晶层表面带永久负电荷。当高岭石黏粒遇水时，水分子的偶极性使氢原子易与高岭石晶层表面电负性较强的氧原子结合形成氢键，同时，吸附在晶层表面的水分子之间也会通过氢键连接，该过程即为水分子的吸附过程。当第1层水分子被高岭石黏粒吸附后，其外侧氧原子呈负电性，继续与第2层水分子的氢原子以氢键形式结合，最终形成多层水分子“水膜”。高岭石黏粒不断吸水扩层，使钻渣颗粒体积不断膨胀，同时伴随钻渣内部非泥质矿物的溶解，高岭石黏粒间距变小，并通过外侧“水膜”相互吸附，构成“水桥”，使得多个高岭石黏粒能够在遇水后聚集，形成更大的团聚体。

在细观尺度层面，由于钻渣表面高岭石黏粒对水的吸附作用，使钻渣同样被“水膜”包覆，同时随着非泥质矿物的不断溶解以及钻渣颗粒的吸水膨胀，钻渣颗粒间距缩小，极易被彼此“水膜”间范德华力捕获，使彼此聚集，最终形成宏观尺寸下可目视的黏聚体。如图2中泥质钻渣扫描电镜图像所示，钻渣未吸水前，在放大2000倍条件下，可见单个钻渣颗粒，颗粒平均间距约为28μm，在钻渣吸水后，整个镜头下未见钻渣颗粒间存在的明显间隙，颗粒发生显著聚集，间距变小甚至消失。

泥化钻渣黏附机理分析

由于被“水膜”包覆的钻渣颗粒(高岭石及其他矿物)受钻头旋转及钻进液冲刷影响，不断与钻头表面接触，钻头在成孔过程中，会与岩石、钻进液产生强烈摩擦作用，使钻头表面电子发生转移，导致钻头表面带正电荷，经Zeta电位测试可知钻渣颗粒“水膜”即液渣混合物呈负电性(详见3.4节)，两者会发生静电力作用(图3)。Fe可表示为

图3静电力及界面张力作用下泥化钻渣黏附钻具

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

式中：${Q}_{{mathrm{c}}}$为钻渣颗粒“水膜”所带电量，C；${Q}_{{mathrm{d}}}$为钻头“水膜”所带电量，C；$varepsilon$为空间介电常数，$varepsilon=8.85times{10}^{-12}$C/(V·m)；d为钻渣颗粒“水膜”与钻头表面各自带电中心的距离，m。

钻头受钻进液润湿影响，其表面同样被“水膜”包覆，被“水膜”包覆的钻渣颗粒与钻头表面的“水膜”接触后，两者会形成一整体，在钻头−水接触界面处的“水膜”会搭接成弯月面，则在钻头表面、水分子层、空气三相界面交界点O处，可列出界面张力极限平衡方程

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

式中：${sigma}_{{mathrm{S-G}}}$为钻头−空气界面张力，N/m；${sigma}_{{mathrm{S-L}}}$为钻头−水界面张力，N/m；${sigma}_{{mathrm{L-G}}}$为水−空气界面张力，N/m；θ为钻头−水界面的浸润角。

由于钻头表面被水持续浸润，因此有

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

式(1)表明，包裹钻渣颗粒的“水膜”与钻头表面“水膜”形成的整体受弯月面处界面张力作用，被不断沿钻头表面方向“拉扯”，使钻渣颗粒被界面张力“绑缚”于钻头表面(图3)。但仅依靠界面张力显然无法抵抗钻具高速旋转产生的离心力，静电力与界面张力的共同作用导致了泥化钻渣黏附于钻具表面，且静电力对液渣混合物的黏附发挥了重要作用。

综上所述，钻头在破岩过程中，含高岭石类泥质钻渣吸水泥化后受自身“水膜”与钻头表面产生的静电力以及与钻头表面“水膜”形成整体结构的界面张力的共同作用造成了钻渣黏附，静电力在黏附过程中发挥了重要作用。因此，削弱含高岭石钻渣对水的吸附作用，抑制钻渣泥化进程，可降低钻渣对钻具的黏附程度。