随着国民经济发展,越来越需要建设深井以开发深部的固体矿产资源,而竖井掘进机法是深井建设的重要发展方向。采用竖井掘进机法进行深井建设时,洗井排渣技术是最大的难点。空气洗井具有节约水资源、降低工程造价、钻进效率较高等明显优势,而且随着我国西部干旱缺水地区固体资源开采及凿井工程的增多,采用空气洗井的竖井掘进机法,将显示出突出的优势。在此背景下,本论文综合采用数值分析、模型试验方法,开展了竖井掘进机空气洗井流场及排渣效率的研究。首先,基于实验室现有的竖井掘进机流体洗井系统,针对空气洗井的特点进行了适当改进,提出了空气洗井系统的主要结构组成,阐述了各组成部分的基本构造、功能、特点及各部分之间的联系;基于洗井系统的基本工作流程,开展了主要参数分析,结合实际工况,推算得到了洗井系统主要参数的取值范围。其次,针对纯空气流场开展了洗井系统“几何参数”的数值模拟优化:通过理论分析和初步数值模拟,建立了较为合理的纯空气流场数值分析模型,并经过对比分析,提出了用于评价纯空气流场优劣的相关指标;进而针对刀盘与井底的夹角、井底净空高度、排渣管直径、射流口内径等八个影响因素,开展了单因素数值分析,获得了七个因素的最优值或其取值范围;在此基础上开展了正交数值分析,得到了两种指标下不同因素对纯空气井底流场影响的显著程度。研究结果表明:对井内流场影响最大的参数为排渣管内径,影响最小的为刀盘与井底夹角和射流口角度。而后,针对携带岩屑颗粒的气固两相流,开展了洗井流场及其排渣效率的数值模拟研究。以排出岩屑的质量速率和总质量、清渣率、输送比等为评价指标,对比分析得到了入口空气流量、排渣高度、岩屑粒径、排渣管内径等参数对洗井排渣效率的影响规律。最后,基于实验室现有的竖井掘进机流体洗井模型实验台,针对空气洗井特点开展了适应性改造;进而针对刀盘转速、入口空气流量、排渣高度等七个因素,开展了相似缩比为1:20的物理模型实验,研究了这七个因素对洗井效率的影响规律,确定了典型参数下各因素的最优值,并将模型实验与数值模拟结果进行了对比分析。该论文有图101幅,表25个,参考文献87篇。