摘要：巷道底板锚固孔钻进时存在排渣困难、锚固孔成孔效率低、卡钻等问题，通过理论分析和实验室试验的方法，研究巷道底板岩层钻进时钻渣粒径分布特征。理论分析表明岩层被钻进后，形成钻渣的粒径存在多种分布规律，常用描述钻渣分布规律的函数有3种。通过实验室试验可知，采用现场常用的钻头施工锚固孔时，发现在钻进初期产生的钻渣粒径较大，钻渣颗粒的粒径主要集中在0.1~1.5mm，粒径小于0.1mm和大于1.5mm钻渣颗粒分布相对较少，实验室实验结果表明钻渣粒径分布符合正态分布规律。
关键词：巷道底板钻进;钻渣粒径;粒径分布规律
0引言
锚杆(索)支护技术简化了传统支护工艺，在巷道围岩控制中具有显著的技术和经济优势，因此在国内外获得了广泛应用。锚杆(索)支护在控制巷道围岩方面取得许多显著的成果，使得巷道顶板下沉量和两帮移近量可以控制在一定安全范围内，为煤矿安全生产提供了保障。随着我国对煤炭的需求量不断加大，开采深度逐渐增加，巷道围岩应力也随着增大，软岩特征更为显著。造成巷道底鼓现象较为严重，对巷道的稳定产生重大隐患。国内外的许多专家学者对治理巷道底鼓做了大量研究，发现巷道底板锚杆(索)支护有助于治理巷道底鼓。底板孔的钻进是实现锚杆(索)治理底鼓的重要环节，底板钻进排渣是底板锚固孔成孔亟待解决的问题。目前巷道底板锚固孔钻进常用底板锚杆钻机配合B19钻杆或麻花钻杆进行钻孔。
通过高压风吹孔或高压水冲孔进行排渣，这种方式随着钻进深度的增加钻渣容易积聚堵塞，导致钻机推进困难;麻花钻杆钻孔时，在钻杆转动的作用下，通过其螺旋通道可实现排渣，但随着钻孔深度的增加，钻渣在重力等因素作用下，会造成钻渣在螺旋通道内堆积长度增加发生卡钻现象，从而导致排渣困难，钻进速率降低。由上可知造成排渣困难和卡钻现象，岩石钻渣尺寸与排渣通道尺寸不匹配是很重要的一部分原因。因此研究巷道底板钻渣形成特征对巷道底板钻进排渣具有重要意义。
1岩石钻渣粒径分布规律理论分析
钻渣的粒径是指在钻进过程中岩层破碎后形成钻渣颗粒尺寸的大小，其尺度决定泥渣混合流是否有效排出，对巷道底板锚固孔高效高质形成有着重要影响。钻渣颗粒尺寸有着不同的表达方式，其中球形颗粒可以用直径尺寸大小来直观表达，不规则颗粒的尺寸根据不同研究目的进行确定，一些简单的研究也可以只表示几个关键方向的尺寸。巷道底板岩层钻进后形成的钻渣颗粒大多为不规则的形状，很难计算出钻渣尺寸的大小，常用的方法是选用合适尺寸的筛框来筛选一定尺寸范围内的钻渣颗粒，通过不同尺寸的筛框将不同粒径钻渣进行分组。
岩层钻进后形成不同粒径的钻渣，其粒径尺寸的分布存在着多种分布规律。钻渣粒径分布的函数表达式也有很多种，常用下述3种函数来描述钻渣粒径分布的特征。
2不同类型岩石实验室钻渣生成实验方案
2.1钻进实验目的
为进一步确定底板钻渣粒径分布规律，通过钻机对不同岩性的岩石进行垂直向下钻进，模拟巷道底板锚固孔钻进，收集钻进产生的钻渣，并对钻渣粒径进行分析。
2.2钻渣生成实验方案
在实验室对泥岩、砂岩、灰岩和砂质泥岩4种类型岩石试件采用钻机进行钻进实验，试件尺寸加工为20cm×20cm×20cm。每种岩性的岩石试件分为1组，每组设定5个试件，共进行4组20次钻进实验。钻进试验选用工业台钻，采用常规矿用钻进锚固孔的PDC两翼钻头，钻头直径为φ28mm，通过连接件夹持在工业台钻上，并将岩石试样固定于钻机平台上进行钻进。将钻渣收集并进行分组编号，放置于有机玻璃板上进行烘干和晾晒，以便后续钻渣的筛选。
2.3钻渣筛分
钻渣筛分时，使用0.1、0.5、1.5、2.5mm标准筛框，将其固定于S49标准检验筛。S49标准检验筛能够实现水平、垂直、倾斜的三次元运动，通过网格的孔径使钻渣充分筛选分组，并对各组进行称重测量。
3不同类型岩石钻渣粒径分布规律分析
对每组实验不同尺寸范围的钻渣质量统计，如表1所示。
根据表1数据结果，得出不同类型岩石钻渣粒径分布质量柱状图，如图1所示。对不同岩性的岩石试件钻进后，粒径在0.1～1.5mm的钻渣颗粒分布较多，而粒径大于1.5mm、小于0.1mm分布较少。钻进时发现，钻进初始阶段产生的钻渣粒径较大，随着钻头钻入产生的钻渣粒径相对较小，产生这种现象的原因可能是由于钻渣颗粒不能及时排出，受到钻具和孔壁的反复研磨，使得钻渣颗粒的粒径相对较小。
基于以上实验室获得数据，可得到各类型岩石形成的钻渣颗粒质量在不同粒径区间所占百分比，如表2所示。
根据表2数据结果，可得出各类型岩石在不同粒径区间钻渣质量占其总质量的百分比，如图2所示。
由图2可知，钻渣粒径在<0.5~0.1mm内的占比最大，钻渣粒径在<1.5~0.5mm内的占比次之，且在4种岩性的分布规律相似，粒径位于0.1~1.5mm的钻渣为83.5%~88.1%。其他粒径占比较少，为11.9%~16.5%。因此，采用常规矿用PDC两翼钻头钻进砂岩、砂质泥岩、泥岩和灰岩时，钻渣的粒径分布规律符合正态分布。
综上所述，煤巷巷道底板常见的4类岩石在PDC两翼钻头作用下，0.1~1.5mm的钻渣粒径占比最大，开发该尺寸区间的钻具能够完成底板锚固孔的排渣，为排渣钻杆和钻头参数的选择和确定提供了基础参考。
4结语
(1)岩石被钻进破碎后，其钻渣颗径的分布规律有多种函数表达式，其中对数正态分布、加庭-舒曼分布及罗申-拉莫勒分布函数最具代表性。实验表明，在常规矿用PDC两翼钻头作用下，煤矿巷道底板常见的4类岩石破碎产生的钻渣粒径分布符合正态分布规律。
(2)实验室模拟巷道底板锚固孔钻进发现，4类岩石在钻进初期产生的钻渣粒径较大。但纵观整个钻进过程，钻渣粒径主要集中在0.1~1.5mm，钻渣颗粒小于0.1mm和大于1.5mm相对较少。
(3)基于实验室结果可知，开发钻渣粒径在0.1~1.5mm的钻具能够有效完成巷道底板锚固孔的钻进排渣，为排渣钻杆和钻头参数的选择和确定提供了依据。——论文作者：王子升
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