金川镍矿是一座埋藏深、地应力高、矿体厚大和围岩破碎不稳固的大型难采硫化铜镍矿床,采用机械化下向分层水平进路胶结充填采矿法,不仅能提高资源回采率和降低矿石的损失与贫化,而且还可实现安全高效开采。充填体是下向分层胶结充填法采矿的人工假顶,为在其下采矿人员提供作业空间。为了保证井下安全回采,进路胶结充填体需要达到较高强度和整体稳定性。为了缩短相邻进路的回采周期,金川镍矿采用进路式隔二采一的回采方式。因此对充填体早期强度提出较高要求。金川镍矿目前采用棒磨砂骨料和水泥胶凝材料及1：4高灰砂比与78%高浓度充填工艺,充填成本高达147元/m3,这在国内外并不多见。由于近年国际镍价持续低迷,由此给金川镍矿采矿经济效益带来巨大压力。因此,降低采矿成本,尤其是充填成本,已经成为金川镍矿亟待解决的技术难题。本文以金川集团公司重大科研项目“新型充填胶凝材料开发与固体废弃物利用研究”为依托,针对金川矿区及周围可以利用的固体废弃物,以酒钢低活性矿渣为主要材料,研究开发低成本早强型新型充填胶凝材料,并以此为突破口,研究高浓度充填料浆管道输送特性,实现金川矿山低成本安全高效充填法开采及固体废弃资源化物利用。通过理论分析、实验室试验及工业充填试验,获得以下研究成果：(1)通过探索性试验、胶凝材料筛选试验、配方调整试验以及BP神经网络模型预测与优化分析,获得早强型低成本充填胶凝材料的最优配比为：水泥熟料3%、脱硫石膏5%、外加剂1.5%、矿用早强剂1.5%和矿渣微粉89%；其3d、7d和28d充填体抗压强度分别达到2.01MPa、4.04MPa和5.89MPa,完全满足金川镍矿充填体强度要求,可降低胶凝成本12.21元/m3。(2)以堆积密实度理论研究河砂-棒磨砂混合粗骨料的堆积密实度与充填体强度关系。结果表明：混合充填集料堆积密实度是影响胶结充填体强度的重要因素。在相同胶砂比和浓度条件下,混合料的堆积密实度从0.585增加到0.709,胶砂比为1：4和1：5的3d、7d和28d充填体强度分别提高了38.22%、13.91%、24.49%和28.95%、6.32%、37.61%。确定河砂粗骨料理想添加量为50%,由此可节约充填骨料成本21.06元/m3,节约充填总成本32.09元/m3。(3)开展了废石-棒磨砂混合骨料低成本充填胶凝材料充填体强度试验,试验结果表明：废石不能单独作为充填骨料,可与棒磨砂混合用于井下充填；当废石粗骨料添加量为30%,胶砂比为1：4时,料浆浓度80%的3d和7d抗压强度分别为1.74MPa和4.78MPa；胶砂比为1：5时,料浆浓度为82%的3d和7d抗压强度分别为1.85MPa和4.49MPa,完全满足矿山设计强度要求。由此可节约骨料成本13.61元/m3,实现矿山废石的资源化利用。(4)采用XRD和SEM分析技术,揭示了低成本充填胶凝材料水化机理。分析结果发现：该种胶凝材料主要的水化产物是团絮状的水化硅酸钙凝胶(C-S-H)、短棒状的钙矾石(AFt)及少量硫铝酸钙(C4AH13)晶体。掺加少量熟料有助于提高水化速度,易于提高充填体3d强度。水泥熟料和脱硫石膏水化产物的复合激发作用,促进了矿渣微粉中活性成分的水化反应。最终C-S-H凝胶将钙矾石包裹在其中,形成结构非常密实的胶凝体。(5)开展了废石-棒磨砂混合骨料的低成本充填胶凝材料充填料浆流动性研究。结果表明：当料浆质量浓度在80%～82%时,坍落度介于27～28cm之间,流动性好,分层度在20mm以下,泌水率在12%左右,料浆呈现出较好的稳定性,能够满足金川矿山高浓度自流输送;其流变曲线为一条不通过原点的下弯曲型曲线,符合H-B模型的屈服膨胀塑性体;回归分析获得料浆初始屈服应力τo为51.66Pa,黏度系数η为4.53Pa·s；料浆雷诺数Re在137.74～246.56之间,远小于2100,表明充填料浆在管道中流动呈层流状态。(6)采用FLUENT软件对废石-棒磨砂混合骨料的低成本充填胶凝材料充填料浆,在井下长距离充填阶梯管道输送进行了数值模拟。结果表明：低成本充填胶凝材料可以适用于金川矿山高浓度自流充填系统,实现稳定输送,为在金川矿山现场工业化充填提供理论依据。(7)利用低成本充填胶凝材料工业产品,进行工业现场室内试验和半工业充填试验。结果表明：地表人工进路和井下充填进路充填体的3d、7d和28d平均强度分别为2.23MPa、2.83MPa、5.03MPa和1.83MPa、3.90MPa、 5.29MPa,达到金川镍矿充填体强度设计指标(R3d≥1.5MPa、R7d≥2.5MPa、 R28d≥5MPa)。因此,研发的低成本充填胶凝材料可以代替水泥应用于金川矿山充填法采矿,实现金川矿山安全、高效和低成本开采,从而提高金川矿山充填采矿经济效益和社会效益。