我国在一些矿山及周边和岩溶地区形成了大量的采空区,已经成为制约矿山安全发展及采空区上部城市化发展的一个重要难题,存在很大的安全生产风险,亟待合理解决。充填法是治理采空区最直接最有效的方式之一,充填材料是保证充填工程质量的核心,而目前常见的充填材料多以水泥及其替代品为胶结材料,碎石、砂、尾矿等为集料,存在充填成本高、环境污染严重和尾矿高附加值利用率低等问题。同时,铁尾矿大量堆积产生的生态环境问题和安全生产问题日益严重,引起全社会的担忧和广泛关注。因此,采空区的充填治理和铁尾矿的高附加值利用成为亟需解决的关键科学问题。本文针对充填工程需求和铁尾矿的低附加值利用现状,通过调查研究,室内实验和数值模拟分析相结合的方法,研发了铁尾矿基充填材料,对其物理力学性能和工作性能进行了实验分析和数值模拟研究。主要研究内容及成果如下:(1)针对原状铁尾矿活性低,不能直接作为胶结材料的问题,采用机械粉磨和化学激发相结合的方式,研究了铁尾矿的活性激发技术,分析了活化铁尾矿作充填用胶结材料的可行性。研究表明,铁尾矿经机械粉磨30 min并通过270目方孔筛后反应活性指数达到68.1%,氢氧化钠和硅酸钠对铁尾矿的活化效果更佳,利用XRD和SEM-EDS测试技术,从微观角度分析了铁尾矿的活化机理。(2)为确定充填用胶结材料的体系组成,借鉴GB/T12957-2005《用作水泥混合材的工业废渣活性试验方法》,以铁尾矿:矿渣(粉煤灰、煤矸石)=7:3比例制备试块进行固废相容性实验,以结石体抗压强度为评价依据,研究表明,铁尾矿-矿渣二元体系抗压强度最高,即铁尾矿与矿渣的相容性更好,在氢氧化钠掺量为4%时,结石体28 d抗压强度可达6.15 MPa,确定铁尾矿-矿渣二元体系为充填用铁尾矿基胶结材料的主要组成部分,通过XRD和SEM-EDS测试技术从微观角度对水化产物进行了分析阐述。(3)基于协同互补利用理论,提出了胶结材料为铁尾矿-矿渣-熟料三元体系,通过大量配比实验,研究了碱性激发剂种类和掺量、熟料掺量和矿渣掺量对铁尾矿基胶结材料抗压强度的影响,获得了铁尾矿基胶结材料的优选配比为:铁尾矿64%,矿渣30%,熟料6%,碱性激发剂为氢氧化钠,掺量为体系总质量的2%。(4)以铁尾矿基胶结材料为胶凝材料,以原状铁尾矿砂为集料,制备了铁尾矿基充填材料。研究了质量浓度和胶砂比两种因素对材料物理力学性能(泌水率、结石率、体积稳定性和抗压强度)和工作性能(流动度)的作用规律。在满足结石体抗压强度和料浆流动性等性能要求的同时,通过对质量浓度和胶砂比的动态调整,可降低充填成本和提高充填工程适用性。实验结果表明:当料浆质量浓度为70%,胶砂比1:4时,充填料浆的泌水率为4.66%,流动度为188 mm,结石体28 d抗压强度为2.03 MPa,达到多数充填工程的要求。随着养护时间的延长,结石体干缩率逐渐加大,养护7d时结石体体积干缩变化最显著。(5)运用有限差分法数值模拟软件FLAC 3D模拟研究了铁尾矿基充填体的变形规律及采空区充填前后竖向应力和竖向变形的变化,为将铁尾矿基充填材料应用在采空区充填工程中提供了一定的科学依据。