近年来,我国对矿山企业绿色矿山的建设逐渐加快步伐,促进了矿业开发与自然生态环境的和谐发展。作为绿色矿山建设的关键技术,全尾砂充填具有工艺简单、降低成本、保护环境等优势,能有效解决尾矿堆积和采空区稳定等生态安全问题。然而,矿山实际用于充填的全尾砂料浆往往低于设计浓度,且其中残留于浓密过程添加的絮凝剂对料浆内部结构的影响甚大,全尾砂料浆的管道输送特征与之前大相径庭,相关研究内容鲜见。本文基于室内试验、理论分析等研究方法,对添加和未添加阴离子聚丙烯酰胺(APAM)的全尾砂料浆开展粒径测试、扫描电镜(SEM)测试和核磁共振(NMR)测试,综合采用计算机图像处理技术与分形理论,分析了探明APAM强化絮网结构对料浆内部结构的作用机理。并通过恒定剪切流变试验,揭示了APAM对料浆宏观流变性能的影响规律和机理,本文主要研究内容以及成果如下:(1)基于某铜矿全尾砂的物理化学特性测试结果,通过开展全尾砂絮凝沉降试验得到了全尾砂料浆沉降浓缩的最佳方式。室内絮凝沉降试验结果表明相对分子质量为1×10~7的APAM作为絮凝剂沉降效果最佳,并在定量试验中进一步确定了APAM的浓度为1‰,单耗为20g/t。(2)粒度测试结果表明:添加APAM后,相同静置时间下各分层粗颗粒含量差值减小,66%浓度料浆和76%浓度料浆中都出现了底层粗颗粒含量小于中下层(10分层、15分层)的现象,静置30、40min,66%浓度料浆15分层粗颗粒含量分别为含量分别为60.89%、61.87%,而76%浓度料浆中层粗颗粒含量随着静置时间线性增加,在整个静置过程该分层粗颗粒含量最大,尤其是在30min和40min时粗颗粒含量分别为51.32%、51.78%,远大于其他分层。桥连作用形成的强化絮网结构更容易干涉粗颗粒尾砂的沉降,粗颗粒在沉降过程被这些网状结构捕获并分散在料浆体系中,造成粗颗粒在垂向分布上更加均匀。(3)依据SEM测试结果,未添加APAM时,尾砂及水泥颗粒在料浆中无序排列,部分细颗粒尾砂通过压缩双电层的作用(自絮凝作用)堆积形成絮团。此时,颗粒之间没有稳定的结构,颗粒间存在大量的孔隙,细颗粒分布在粗颗粒周围。添加APAM后,高分子链上的活性基团吸附在颗粒表面,并经过相互交叉、搭接等变化形成结构稳定性较强的絮网结构,增强了颗粒的凝聚作用,料浆内部颗粒间孔隙减小。此外,未添加与添加APAM料浆在不同静置时间的发育程度并不相同,具有明显的分形特征,添加APAM后料浆的分形维数和结构系数有所增加,且在76%浓度料浆中添加APAM后料浆结构演化特征更加明显。随着静置时间增加,两组料浆的结构系数增幅有所降低,但自絮凝作用形成的絮网结构仍然低于APAM强化后的絮网结构。(4)依据NMR测试结果,T₂谱从左到右的三个峰依次对应料浆中吸附水、絮团水和自由水中氢核的核磁共振信号。随着静置时间从0min增加至40min,添加APAM后的料浆各层位料浆孔隙分布更加均匀,自由水弛豫时间出现明显左移的现象,而吸附水和絮团水弛豫时间变化较小。随着剪切速率由10s^-1增加至50s^-1,未添加与添加APAM料浆中(1)号峰面积分别由7.455、7.022下降至6.848、6.490,减小率分别为5.8%、7.6%,(2)号峰面积分别减小51.3%、40.1%,(3)号峰面积分别减少94.4%、100.0%。APAM降低了水分的活跃性,自由水迅速向更稳定水分迁移,料浆中部分游离的自由水逐渐转换为絮团水。静置时间与剪切强度可以促进料浆内部自由水与絮团水的转换,而APAM进一步提高了料浆中吸附水、自由水的迁移能力。(5)恒定剪切作用下的流变参数测试结果表明:未添加与添加APAM料浆都具有明显的剪切变稀特性。随着剪切时间的增加,两组料浆的表观黏度和切应力均逐渐减小,并在一定时间趋于平衡值,且添加APAM后料浆的表观黏度和切应力大于未添加APAM的料浆。APAM改变了料浆的性质,料浆表观黏度增大而雷诺数减小,流体流动向层流发展,料浆稳定性增强。随着剪切速率的增加,未添加与添加APAM料浆表观黏度和切应力的相对变化值逐渐减小,高剪切速率作用下APAM高分子对料浆流变性能的影响程度降低。在实际充填中可增加含残留APAM全尾砂料浆的搅拌速率以充分破坏絮网结构从而降低黏度的影响程度,减少料浆在输送过程的能耗损失。