随着国民经济发展及矿产资源开采深度增加,深立井钻井法凿井技术在动力传递、井帮稳定、井壁下沉等环节,均面临着越来越难以克服的技术难题,为此需开展竖井掘进机施工技术研究。竖井掘进机法凿井中,工作面下切削的岩屑易原位堆积,反重力上排的难度大,易覆盖工作面,造成反复破碎,影响破岩乃至整个凿井的速度与效率。鉴于此,针对竖井掘进机现有流体洗井与机械排渣方式的不足,以及干旱缺水等地区竖井掘进机法施工可能面临的泥浆配制困难等特点,论文提出了竖井掘进机泡沫洗井技术,分析提出了影响洗井流场的基本参数,进而综合采用数值模拟、模型试验方等法,开展了竖井掘进机泡沫洗井流场及排渣效率的研究。首先,为满足大直径深井洗井排渣的需要,选取4种发泡剂和3种稳泡剂,以发泡能力和稳定性为评价指标,研制了洗井泡沫配方PMXJ(0.8%K12+0.2%BS-12+0.1%CMC),掌握了泡沫的粘性、耐温性与稳定性之间的关系。研究结果表明:泡沫的粘性和耐温性对稳定性有较大影响,可通过增加基液粘度提高泡沫粘度;在试验温度范围内(20℃～60℃),泡沫均表现出一定的耐温性,可满足工程需要。通过室内试验,探究了发泡时影响泡沫发生器产泡性能的因素。分析得出:改变气液流量均能提高泡沫流量,且提高气体流量效果更佳;发泡时气液比不易过大,不同气液流量所对应的最佳气液比范围也不同。其次,采用FLUENT软件,仅考虑单相流条件下,通过对单因素分析,研究了刀盘与井底夹角、井底净空高度、排渣管内径、射流口倾角、射流口内径等硬件参数对流场特征及参数(排渣管内压力、流速及井底流场压力、流速、漫流层分布及覆盖面积等)的影响程度及影响规律。结果表明:各因素对流场的影响均并非单调线性,而是存在某一峰值,且各参数间相互制约;其中引射流仅影响排渣管内流场而对井底流场近乎无影响。根据单因素分析结果从中选出最优的参数,并针对影响较大的因素进行了正交试验分析,为后续研究泡沫洗井排渣效率奠定基础。而后,基于泡沫洗井系统硬件参数的优化,将岩屑视作离散相,模拟岩屑从井底产生被流体携带至井口的过程,以排渣率、累计排渣量、岩屑排出速率为分析指标,研究了排渣高度、泡沫粘度、岩屑粒径、泡沫流量对排渣效果的影响规律。结果表明:排渣高度在10m～50m范围内变化泡沫排渣效率几乎不变;岩屑粒径增大则泡沫排渣能力逐渐无法满足要求;泡沫注入流量对排渣效率影响较大,增大流量能明显提高洗井排渣效果;泡沫粘度对排渣效率有一定影响,适当增加其粘度可大幅提高排渣效率,但若粘度过高则泡沫稳定性下降进而导致泡沫排渣效率降低。最后,针对数值模拟所发现的各因素对泡沫洗井排渣效率的影响规律,在合理的相似缩比条件下,开展了泡沫洗井排渣效率模型试验研究,以一定时间内泡沫排渣率为核心指标,探究了刀盘转速、泡沫流量、泡沫气液比、泡沫粘度、岩屑粒径五个因素对于泡沫洗井排渣效率的影响并与验证数值模拟结论的准确性。结果表明:排渣率随刀盘转速增大而增大,但刀盘转速不宜过大;注入气液比在一定范围内增加能够有效提高排渣效率,过高则排渣率无明显变化;增加注入流量,排渣效率有明显提升,试验中流量增加至4m~3/h后排渣率增加效应逐渐减弱;随着岩屑粒径增大,混合流体速度逐渐下降,说明泡沫的携渣能力及粘度无法满足排渣需求;随着粘度增加,排渣效率先增后减,当添加稳泡剂至基液粘度大于17.5 m Pa?s后,由于稳泡剂对基液发泡能力有抑制作用,泡沫排渣能力大幅下降。与前对比得出,实验结果与模拟结果拟合度较好,说明数值计算结果可靠。该论文共有图106幅,表格24个,参考文献98篇。