充填开采可有效缓解遗弃资源浪费、矿山开采过程引起的地表沉陷等问题,是实现矿山绿色开采的重要手段,充填材料的研发与应用是采矿行业研究的热点问题之一。本文以西北地表广泛赋存的天然砂为骨料,将其与普通硅酸盐水泥、微硅粉等凝胶材料混合成浆,掺入复合型发泡剂制成的泡沫,制备出高砂高泡水泥基充填材料,围绕料浆的流动性、触变性及固结体微观孔隙特征、力学性能展开系统研究,主要研究成果如下:(1)结合高砂高泡水泥基充填材料的特征,研究了天然砂、水泥及微硅粉等主要原材料的物化性能,分析了凝胶材料水化反应过程,掌握了HTQ-1复合型发泡剂物理发泡的优点,揭示了泡沫的形成及破坏机理,根据材料强度原理等,计算得到了合理的材料配比范围。研究了该材料泡沫料浆的流变性能及触变性能,建立了屈服应力、粘度系数及剪切速率与剪切应力的计算模型,确定了泡沫料浆的凝结时间及影响因素;明确了料浆流变特征的影响因素,水胶比增加使得自由水含量增多,稀释了凝胶材料的絮凝结构,降低了骨料颗粒及其之间的摩擦阻力,触变性降低,流变性能增加;光滑泡沫的掺入能提升浆体流动性。(2)研究了高砂高泡水泥基充填材料固结体的气孔形成机理,阐述了充填材料的制备,分析了该材料固结体孔隙特征及其影响因素。随着砂胶比的增加,固结体孔隙率、气孔平均孔径、孔径方差及圆度值均呈增大趋势,砂胶比对泡沫掺入量较大试件孔隙特征的影响更加显著;水胶比为0.6时,形成的气孔较为均匀;泡沫与料浆混合时搅拌时间、搅拌速率的增加均可减小固结体平均孔径、方差及孔隙率。(3)研究了高砂高泡水泥基充填材料固结体的力学性能,分析了强度影响因素及固结体的破坏特征。砂胶比的增加,减小了固结体强度,降低了固结体脆性,基体试件、密度等级800 kg/m3、1000 kg/m3试件的强度分别降低了35.4%、57.8%、53.1%,砂胶比对泡沫掺入量较大试件力学性能的影响更为显著;碱性环境可提升固结体强度,酸性环境固结体腐蚀作用较强,可降低材料强度。(4)对高砂高泡水泥基充填材料充填效果进行了数值分析,空区充填能使巷道围岩的应力分布得到改善,有效控制了巷道围岩变形;使用该材料进行了局部空区充填试验,验证了其充填效果的有效性。研究成果可为高砂高泡水泥基充填材料的应用及矿山安全、高效、绿色开采提供参考和借鉴。