膏体充填技术将低浓度尾砂浆进行浓密脱水,浓密后的全尾砂与胶凝材料一起加入到搅拌机,经搅拌成牙膏状膏体,然后输送到采空区充填,有效降低了尾矿库及采空区的致灾风险。搅拌是膏体充填技术重要环节,其目的是使胶凝材料、尾砂及添加剂等物料分散、浸湿及均质,形成稳定、输送性好的膏体,并提高充填体强度。由此可见,搅拌对改善膏体输送性能及充填体力学性能至关重要。然而,膏体充填的研究极少涉及搅拌技术方面。论文以搅拌过程的剪切作用为切入点,结合物理实验、理论分析及数值模拟等手段,研究了搅拌剪切对膏体流变的影响机制,提出了膏体流变特性的搅拌剪切效应,优化了搅拌机叶片参数,最后将成果应用于工程实践,并对现场搅拌质量的表征及监测提出措施。论文主要研究成果如下:(1)建立了搅拌剪切与膏体细观结构关系模型。膏体搅拌与混凝土搅拌的本质差异在于颗粒的粒径,而剪切是分散物料中团聚细颗粒的关键,通过无量纲法量化搅拌过程剪切作用的重要性,并借鉴化工粉体搅拌研究成果,建立了搅拌剪切速率、时间与膏体细观结构中粒径的关系模型。(2)研究了剪切速率对膏体细观结构及化学特性影响,揭示了膏体在剪切作用下细观结构响应机制。通过测试不同搅拌剪切速率下聚集体的平均弦长值,分析了搅拌剪切对细观结构的影响,结果表明当剪切速率小于480s-1时,平均弦长随剪切速率增大而降低,模型与结果相符合;但剪切速率大于480s-1时,高剪切促进了膏体静止时颗粒聚集,模型与测试结果差异较大;结合离子浓度及水化热测试结果,从化学角度分析高剪切下出现颗粒聚集的原因,基于双电层理论探讨了搅拌剪切对细观结构的影响。(3)研究了剪切速率对流变特性影响,提出了膏体流变特性的搅拌剪切效应。开展了搅拌剪切对膏体流变影响测试,结果表明当剪切速率超过第一阈值(240～360s-1)时,出现显著剪切变稀现象;而当剪切速率超过第二阈值(480～600s-1)时,出现剪切增稠现象,其变化趋势吻合细观结构及化学特性测试结果。根据实验结果并以45μm为临界粒径,研究剪切增稠及变稀现象的细观结构变化,得到搅拌过程流变剪切响应系数,建立了流变与剪切速率、时间关系模型,并将搅拌对膏体流变的影响定义为搅拌剪切效应。(4)通过自制的膏体搅拌实验装置开展了叶片剪切性能研究。在理论研究的基础上,构建了扭矩与流变参数关系方程,分析搅拌稳定时间物理意义;通过自制膏体搅拌实验装置开展叶片剪切性能测试,结果表明叶片最佳宽径比为0.3、长宽比为2左右,在实验的配比下膏体最佳搅拌时间为4.5min。(5)应用多相流模型对膏体搅拌进行了模拟。针对膏体搅拌剪切变稀的特征,通过将水、尾砂(含水泥)分别看作初始相及拟流体相,利用Fluent软件中多相流模型对膏体搅拌进行模拟,分析了叶片参数对流场速度及示踪剂浓度分布的影响,其结果与物理实验结果相吻合。这表明将尾砂等细颗粒看成拟流体相适用于膏体搅拌过程的模拟。(6)优化了某铜矿膏体搅拌系统的工艺及设备参数,提出了膏体搅拌质量表征方法。结合某铜矿180m3/h膏体搅拌系统建设工程背景,通过应用本文的研究成果,优化搅拌工艺与设备参数,并提出了搅拌质量表征方法及其监测控制措施。