随着浅部矿产资源的快速枯竭及新能源产业扩张驱动的战略金属(如锂、稀土)需求激增,全球深部矿山开采深度普遍突破2000米,但传统胶结尾砂充填体在高地应力和动态扰动下暴露出抗弯强度低、峰后韧性差等瓶颈,导致采场失稳风险升高,同时尾矿地表堆存引发土壤重金属污染、土地占用等环境问题,严重影响采场稳定与安全高效生产,因此,尾矿的处理与应用已成为需要关注的问题。 本文以锂长石尾砂为基材,通过纤维增强技术提升胶结尾砂充填体(FCLTB)的力学性能,系统研究纤维类型、掺量及配比参数对抗弯强度、峰后韧性及破坏机制的影响规律。综合采用正交试验设计、微观表征技术与离散元数值模拟,揭示了纤维-基体界面作用机理、多因素耦合效应及裂纹演化动态过程,为深部充填材料设计提供理论支撑。 研究首先通过正交试验量化了纤维类型(玻璃纤维GS、聚丙烯纤维PP、聚乙烯醇纤维PVA)、掺量、灰砂比及固体含量对抗弯性能的影响权重。结果表明,灰砂比(c/t)为主导因素(极差7.04),纤维掺量次之(极差1.95)。玻璃纤维因高模量与光滑表面特性,在掺量0.8%时料浆流动度仅下降15.8%,展现出优异的泵送适应性。 进一步通过复合纤维掺入策略,揭示了刚柔纤维的协同增韧机制:GS纤维(0.2%)与PP纤维(0.4%)复合掺入时,充填体峰后韧性指数提升至0.83,裂纹扩展路径分叉率增加。微观分析表明,GS纤维通过刚性支撑抑制裂纹萌生,而PP纤维通过塑性变形(拉伸后直径缩减至180–210μm)及纤维-基体界面滑移耗散能量,二者协同作用显著延缓断裂面失稳。三点弯曲试验中,复合纤维组(GS-0.2-P-0.4)的峰后挠度达7.17 mm,较单一纤维组提高了30%。 基于PFC2D离散元软件,构建了纤维非均质分布的精细化数值模型,首次揭示了纤维掺入对接触力链重分布及裂纹扩展路径的调控机制。模拟结果表明,纤维桥接力链使底部拉应力区力链密度增加,裂纹扩展速率降低;裂纹尖端形成“应力屏蔽”效应。荷载-挠度曲线模拟结果与试验数据高度吻合(皮尔逊相关系数0.999),峰值荷载误差仅为4.1%。 研究最终提出工程优化配比参数:纤维掺量0.4%–0.6%、灰砂比(c/t)1:6–1:8、固体含量70%。在此条件下,充填体抗弯强度≥1.8 MPa,峰后挠度≥7.0 mm,可有效适应深部高地应力环境。为深部矿山绿色开采与灾害防控提供了重要理论依据与技术范式。