随着我国矿产资源深部开采进程的加速,绿色矿山建设对充填技术提出了“高强度、低成本、低碳化”的多元需求。胶结尾砂充填技术是目前在矿山回填领域应用较为广泛的充填手段之一,然而传统水泥基胶结材料存在成本高昂与碳排放量大的双重瓶颈。针对上述问题,本文通过多尺度试验系统地探究多元增强材料(纤维、废石以及3D打印聚合物晶格)对充填体力学性能及破坏机理的影响,减少水泥的使用从而降低充填成本,提高尾砂的利用率并改善充填体的力学性能。同时探索不同材料的最佳类型、最佳含量以及最佳单元体形状,为实现采矿方面的多元需求提供理论支持。本文主要研究内容和结论如下: (1)通过单轴压缩强度(UCS)试验、应力-应变曲线分析、破坏行为研究及扫描电子显微镜(SEM)试验,系统探究纤维类型和含量对充填体力学性能和破坏机理的影响。结果表明,纤维改善了充填体的力学性能。其中,玻璃纤维对充填体强度的提升效果最好,聚丙烯腈纤维对充填体韧性的提升效果最好。综合考虑聚丙烯纤维为最佳纤维类型。随着纤维含量的增加,UCS先增大后减小,最佳含量为0.6%。 (2)通过UCS试验、应力-应变曲线分析、破坏行为研究及SEM试验,系统探究废石含量和粒径大小对充填体力学性能和破坏机理的影响。此外,基于应力-应变曲线计算了充填体的能量密度,分析了废石含量和粒径大小对充填体能量特性的影响。结果表明,废石的掺入改善了充填体的力学性能,增加了其能量密度。随着废石含量的增加,UCS逐渐增大,最佳含量为50%;随着废石粒径大小的增加,UCS先增大后减小,最佳粒径大小为3-7mm。 (3)对不同材料类型和单元体形状的3D打印聚合物晶格(3DPPL)作用下的充填体进行三点弯曲试验和SEM试验,分析充填体的抗弯强度和挠度、应力-挠度曲线及破坏模式的变化。此外,采用数字图像相关(DIC)技术获取了样品表面的应变分布情况,记录充填体加载过程裂纹产生-扩展的全过程。结果表明,3DPPL改善了充填体的力学性能。其中,白色树脂对充填体强度的提升效果最好,透明树脂对充填体挠度的提升效果最好,黑色尼龙提升效果最差甚至削弱其强度,最佳单元体形状分别为菱形和八角形。综合考虑3DPPL对充填体弯曲性能的影响,白色树脂提升效果最好。