为了减少或取消钻采工作面煤柱预留、控制采空区顶板沉陷以及避免垮塌事件的发生,促进钻式采煤机及钻采工艺在薄与极薄煤层中的推广使用,依托于国家高技术研究发展计划(863计划)“薄煤层开采关键技术与装备——极薄煤层钻式采煤机关键技术与装备”项目,研制一种占用空间小、生产效率高、设备构造简单的钻采法充填系统,以弥补传统充填设备由于体积过大、部件沉重而无法应用于钻采采空区的缺点。钻采法充填系统采用气力输送技术将矸石颗粒输送充填至钻采采空区,颗粒间及颗粒与流场间的互作用行为直接影响气力输送充填系统的可靠性、输送效率及充填经济性。为此,本文以矸石颗粒和气力输送流场为研究对象,采用理论分析、仿真模拟和实验相结合的方法,对矸石颗粒气力输送性能和输送流场静压变化特性进行研究,为钻采法气力输送充填工艺和系统的设计提供指导。根据钻采法开采煤层工作面地质条件和五钻头钻式采煤机开采技术,以钻采采空区顶板条件和矸石充填机理为基础,提出了包括井上矸石输送井下工艺、顺槽掘进煤矸分选工艺以及钻采矸石充填工艺在内的钻采法气力输送充填工艺,构建了钻采法气力输送充填系统,进行了气力输送系统和气力充填系统设计,确定了供料装置、增压器、充填喷头以及充填钻头的结构形式,为钻采法气力输送充填系统的设计提供了指导。基于Hertz接触理论与Mindlin-Deresiewicz接触理论,建立了矸石颗粒之间、矸石颗粒与管壁之间无黏连的软球接触理论模型,并根据实际测得的矸石颗粒三轴径参数,获得了不同粒度下矸石颗粒的形状特性指标,建立了基于长短度、扁平度、Zingg指数以及颗粒体积充满度等指标的矸石颗粒形状特性数学模型。以堆积密度、孔隙率、休止角及其与实际实验的误差为评价指标,以颗粒与颗粒、颗粒与管壁间互作用系数为正交试验因素,获得了三种较为准确的矸石颗粒离散元模型及对应的互作用系数,并进行了矸石颗粒碰撞实验和仿真研究,验证了矸石颗粒接触模型及互作用系数的可行性,为颗粒之间及颗粒与管壁间的互作用耦合仿真提供了较真实可靠的颗粒模型与基础参数,并为匹配不规则颗粒的形状特性和物理性质提供了参考方法。采用欧拉法描述流体微元运动状态,获得了流场中气相连续性方程、动量方程以及湍流传输方程。根据颗粒在流场中受到的流体阻力、Saffman升力、Magnus升力等作用力的影响,采用欧拉耦合模型,建立了颗粒相与气相间互相耦合理论模型及仿真方法。在考虑管壁直径、颗粒形状以及雷诺数与流体阻力系数间关系的基础上,获得了带有流场区域修正及颗粒形状修正的粒径法矸石颗粒悬浮速度理论表达式,进行了垂直管道内矸石颗粒悬浮实验与仿真研究,结果表明:矸石颗粒悬浮速度的仿真结果与理论计算结果均符合管壁直径对输送颗粒的影响规律;不同颗粒粒径下的矸石颗粒悬浮仿真结果值与实验结果值相近,而且都略大于理论计算值,验证了基于欧拉模型的CFD与DEM耦合方法实现颗粒相与气相间互相耦合的可行性,并为矸石颗粒气力输送系统中选择合适的流场速度提供了理论及实验依据。依据钻采法气力输送系统实际工况条件,初步设定了气力输送系统的基础参数,并以颗粒喷出平均动能、流体质量流率比和喷射器能耗为评价指标,进行了纯流场条件和颗粒与流场耦合条件下矸石颗粒与流场耦合仿真研究,获得了喷射器较优结构参数以及该结构参数下不同颗粒入料质量流率所对应的喷嘴入口总压推荐值,为钻采法气力输送系统的喷射器结构参数设计提供了参考。在此基础上,为揭示矸石颗粒在不同输送管道内的运动状态,对水平直管、弯管和旋流管中矸石颗粒气力输送过程进行仿真模拟,结果表明:水平直管输送中的矸石颗粒主要分布在管道底部并关于纵向截面对称,输送流场速度越大,越有利于矸石颗粒的水平直管输送;弯管输送中矸石颗粒形成螺旋运动的颗粒束,弯管的最大磨损率随着弯曲半径的增加而减小;旋流管内颗粒速度高于相同气流流量下的水平直管内颗粒速度,且旋流辅管与旋流主管间夹角越小,颗粒速度越大。依据钻采法井下实际工况条件,以气力输送流场中矸石颗粒输送特性以及流场静压变化特性为评价指标,进行了喷射器结构参数对纯流场喷射性能和矸石颗粒喷射性能影响规律的实验研究,获得了与仿真结果相同的喷射器较优结构参数,验证了喷射器仿真结果具有较高的准确性与参考价值。采用较优结构参数的喷射器作为气力输送系统中矸石颗粒的动力源,进行了矸石颗粒短距离水平输送、弯管输送以及旋流输送实验,获得了水平流场、弯管流场和旋流流场中矸石颗粒输送性能和流场静压变化规律,初步证明了矸石颗粒气力输送系统的可行性,验证了水平直管、弯管和旋流管耦合仿真结果的正确性。在此基础上,进行了矸石颗粒长距离气力输送充填实验,获得了气力输送过程中矸石颗粒运动状态与管内流场静压变化关系、颗粒破碎率与颗粒粒径之间关系、管道不同位置安装旋流增压器对颗粒输送时间的影响规律,验证了钻采法气力输送充填系统的可行性,为钻采法气力输送充填工业性试验提供了可靠的实验依据,并对钻采法气力输送充填工艺及系统的设计提供了指导。