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随着国民经济发展,资源开采的深度越来越大,立井开拓是深部固体矿产资源开采的最主要开拓方式,而深立井建设成为是其首要环节。钻井法作为一种高度机械化的建井方法,随着井深增大面临越来越多的难以克服的技术难题,在此背景下,国内外高度重视竖井掘进机技术,并开展了相关研究。竖井掘进机施工过程中,洗井排渣一直是难以解决的关键技术难题。为此,本论文研究提出了适用于竖井掘进机的液体洗井排渣系统,并通过数值模拟与模型实验的方法,先后开展了洗井系统硬件参数优化、洗井流场变化规律等问题的研究。首先针对竖井掘进机洗井排渣面临的关键技术难点,研究提出了更具针对性、适用性的竖井掘进机液体洗井排渣方案:通过在掘进机迎头增设密封盘形成能容纳具有一定压力洗井液体的密封舱;通过在刀盘上增设径向射流,提高钻井液的径向流速;通过在排渣管内设置引射流,提高钻井液上返流速。基于此方案,建立了洗井系统的简化模型,并对影响洗井流场的参数进行了初步分析。其次,采用纯流场数值模型,以漫流层分布形态、系统能量损耗等为主要评价指标,对刀盘形状、井底净空高度、射流口参数及引射流口参数等,开展了优化研究,得到了洗井排渣系统较优的参数组合,为后续研究奠定了基础。而后,基于流固耦合模型,以携岩率及清岩率为洗井效果的主要评价标准,对钻井液的密度、粘度以及流量对洗井效果的影响展开了研究。研究表明:钻井液密度与清岩率呈线性正相关,携岩率与钻井液密度大小亦为正相关但增幅渐缓;钻井液流量与清岩率为正相关但增幅逐渐增大,携岩率规律相同;钻井液粘度对清岩率及携岩率,则呈现随粘度增大,清岩率与携岩率均先减小后增大的规律。最后,设计了竖井掘进机洗井系统模拟实验台,并通过模型实验台对钻头转速及流量对洗井效果的影响进行研究。同时,将物理模拟实验结果与数值模拟计算结果对比,检验数值模拟及物理实验结果的可靠性。研究表明:清岩率与携岩率随着转速增加逐渐提高,但增幅逐渐降低;清岩率与携岩率随流量变化规律相同。在物理模拟转速为4r/min,排渣管内流速为1.4m/s时,可以将井底岩屑完全带出。此外,物理模拟中流量对携岩率及清岩率的影响规律与数值模拟所得规律一致;在相近工况下,携岩率以及清岩率误差在30%左右,认为结果可靠。