粗骨料充填料浆浓度垂向的不均匀分布,是料浆发生离析的根本原因,由此降低胶结体强度和充填体的整体稳定性,给金川矿山安全、高效生产带来隐患。本文以金川集团公司重大科研项目“粗骨料充填料浆离析机理与控制技术研究”为依托,以龙首矿充填采矿为工程背景,研究揭示粗骨料料浆分层离析浓度分布机理,采用掺加细骨料技术手段,结合新型胶凝材料的开发应用,探索出适用于金川矿山下向分层进路充填法采矿的粗骨料料浆离析控制技术与优化方案,为废石、棒磨砂等粗骨料利用奠定基础,进而降低充填成本、提高充填采矿的经济、环保和社会效益。通过理论分析、室内试验及工业充填试验研究,获得以下研究成果:(1)以扩散理论为基础,考虑到固体颗粒粒径、粒形及密度、料浆密度、屈服应力因素,推导出粗骨料充填料浆浓度垂线分布公式。由此揭示,浓度小于80%的粗骨料料浆的垂线分布曲线随浓度增加而增大,浓度大于80%的分布曲线间距增大,垂线方向不同位置的浓度分布增加幅度较大。(2)基于XRD、扫描电镜、TG-DSC研究结果表明,充填体早期(3d)强度体现在AFt,适量石膏加入,促使AFt生成,同时消耗了部分Ca(OH)2,随着龄期的推移,由于石膏的存在,后期(28d)强度得到更好发展。熟料石膏在三种配比下,充填体3d和28d水化产物失重率,T6为1.03%与5.04%,T7 为 3.93%与 6.38%,T9 为 3.85%与 8.29%。(3)基于激发剂配比对矿渣基胶凝材料影响研究,揭示出由水泥熟料12%,脱硫石膏3%,酒钢矿渣85%组成胶凝材料制备的充填料浆,胶结充填体3d、7d、28d平均抗压强度分别达到2.6MPa、5.5MPa、9.3MPa,为金川镍矿胶结充填体设计强度的1.73倍、2.20倍、1.86倍。(4)两种胶凝材料充填料浆的流变特性研究结果表明,相同浓度的流变曲线变化规律相同,仅在时间持续上有区别,浓度小于80%时,SC制备的料浆剪切应力下降时间晚于CC,浓度为80%、82%时,SC制备的充填料浆浓度分布曲线高于CC。SC制备的料浆扩展度大于CC,流动性优于CC料浆。(5)研究了废石-棒磨砂-粉煤灰、废石-棒磨砂-石灰石粉两种混合骨料的充填特性。粉煤灰掺量为25%-30%,混合骨料体系达到最佳密实状态,胶结充填体抗压强度及料浆坍落度达到最大。石灰石粉掺量大于30%时,充填体强度较大,料浆泌水率不再变化。(6)采用动态自适应概率与适应度竞争交换方式的遗传树结构,建立充填体强度与料浆工作特性模型开展研究,模型计算值与试验值基本吻合,误差范围均在5%以内。(7)基于充填料浆配比智能优化方法,获得混合骨料石灰石粉最优掺量为 12.3%,充填体 3d、7d、28d 抗压强度为 1.9MPa、2.51MPa、6.8MPa,料浆扩展度和泌水率为73cm和6.4%。(8)L管试验表明,粉煤灰作为细骨料添加到骨料中,可以改善料浆的流动性,将原工业生产中的78%～80%的料浆浓度提高到80%～82%,且屈服应力显著降低。(9)现场工业试验表明,未掺石灰石粉与掺石灰石粉两种充填料浆,浓度在76%～80%范围内,两种料浆屈服应力降低幅度分别为20.2%和37.4%,粘度系数增加幅度为10.9%和16.7%;流量由104m3/h增大至113m3/h,两种充填料浆的沿程阻力分别增加8.4%和6.9%。