充填采矿法不仅具有高回采率、低贫化率的显著优势,而且能够有效地控制采空区地压,防止地表沉陷;但存在充填料不足、充填成本高和采矿效益低等问题。金川镍矿是以埋藏深、围岩破碎、地应力高为特点的难开采矿床。通过大量的采矿技术攻关和生产实践,该最终选择了下向分层胶结充填采矿法。目前主要使用的胶凝材料为水泥,充填骨料为棒磨砂,采用高浓度、高灰砂比料浆充填,其充填成本之高国内外不多见,使企业面临巨大的经济压力。降低采矿成本是金川镍矿最迫切问题。甘肃省翁福集团每年排放大量的磷石膏废渣。磷石膏废渣的大量堆存,不仅占用了大量土地资源,还严重威胁了磷石膏堆场附近的地下水、地表水以及环境的安全。因此,利用磷石膏和废石固体废弃物,开发低成本和高强度的新型充填胶凝材料,不仅可以降低充填采矿成本,而且还实现固体废弃物的资源化利用,实现绿色无废开采,从而保护矿山环境,实现金川企业的可持续发展。根据前期大量探索试验,以磷石膏、矿渣作为主要原料,以生石灰、NaOH和芒硝为复合激发剂,开发的新型胶凝材料配比大致范围为:生石灰4%~6%,NaOH为2%~4%,芒硝1.5%~2.5%,磷石膏为30%~40%。以棒磨砂为充填骨料,采用正交试验与极差分析,确定了新型胶凝材料的最优配比:生石灰4%,磷石膏35%,NaOH为3%,芒硝为2%,矿渣为54%。当胶砂比1:4,浓度80%,其充填体3d、7d、28d抗压强度分别达到2.17MPa、4.35MPa、8.97MPa,满足金川镍矿对充填体强度要求。根据SEM分析,揭示出新型胶凝材料的水化反应的主要产物是水化硅酸钙凝胶(C-S-H)和钙矾石(AFt)。开展了新型胶凝材料棒磨砂料浆的流变特性的试验研究。试验结果表明,新型胶凝材料的充填料浆流变特性与水泥料浆的流变特性不存在本质上的差异。新型胶凝材料的充填料浆仍属于宾汉体,满足金川镍矿对充填料浆自流输送的流动性的要求。利用Fluent软件进行料浆在管道中输送的数值模拟,模拟结果揭示了充填料浆在管道输送过程中的流动状态,清楚的观察到充填料浆的速度及压力分布情况。新型胶凝材料充填料浆在管道中呈现层流状态,并存在流核(柱塞流),利用金川矿区现有自流充填系统,可以实现自流充填。