粉煤灰和矸石为主要材料进行的膏体充填开采是解决“三下”压煤、控制岩层移动及地表沉陷的有效途径。但是,粉煤灰膏体充填材料具有早期强度低、变形量大的缺陷,直接影响地层沉陷的控制效果。针对这一问题,本文以西山煤电兴能电厂排放的粉煤灰、镇城底矿排放的煤矸石和西山水泥厂生产的普通硅酸盐水泥等原材料组成的粉煤灰膏体充填材料作为研究对象。在对原材料测试的基础上,通过试验给出了充填材料的优势配比;分析了充填材料的物理力学特性与流变特性,探讨了充填材料的水化动力学特征与水化机理;采用碱激发和电化学方法进一步对粉煤灰膏体充填材料进行了改性研究,并将其应用于镇城底矿22618工作面充填开采保护地表排灰皮带的实际工程中,通过数值模拟验证了改性效果。研究工作取得的主要成果有如下几点:（1）采用激光粒度仪、X-射线衍射仪、X荧光光谱仪和扫描电子显微镜分别测试了试验用粉煤灰、煤矸石和水泥的粒径分布、矿物组成、化学成分和微观形貌等原材料特性,归纳出试验用粉煤灰为F类低钙粉煤灰,试验用煤矸石为粘土类矸石。通过配比试验对比分析试件的单轴抗压强度、凝结时间、坍落度等性能指标,优化出水泥:粉煤灰:煤矸石为1:3:5（质量比）,固体质量浓度为78%⁸0%为粉煤灰膏体充填材料的优势配比。对其早龄期物理力学性能的测试结果表明,粉煤灰膏体充填材料早龄期的单轴抗压强度与弹性模量随时间的增加呈对数关系增长,随质量浓度的增高而增大,随粉煤灰掺量的增加明显降低。对其流变特性的测试结果表明,充填料浆表现出典型的粘塑性体特征,屈服应力和塑性粘度随质量浓度的增加呈指数关系增长;屈服应力和塑性粘度随细矸石率的变化在不同浓度下呈现不同特点,总体呈线性增长的变化趋势。（2）基于水化热和体积电阻率特性探讨了粉煤灰膏体充填材料水化动力学和水化机理。根据粉煤灰膏体充填材料水化放热速率随时间的变化规律,将其水化放热过程划分为快速反应、诱导、加速、减速和稳定五个阶段。粉煤灰膏体充填材料体积电阻率随时间的变化规律呈现先升高、后降低、再升高的变化特点。利用Krstulovic-Dabic水化动力学模型,计算了水化动力学参数,发现充填材料水化动力过程的变化特征为先由相边界作用控制的结晶成核和晶体生长,再由相边界反应控制向扩散控制过程的转变模式。构建了水化机理描述性模型,将充填材料水化进程划分为溶解期、水泥-粉煤灰水化期和结构形成与发展期。进一步发现了水化反应速率低、界面粘结强度低是导致粉煤灰膏体充填材料早期强度低、变形量大缺陷的主要原因。（3）利用NaOH对粉煤灰膏体充填材料进行了碱激发改性研究。采用光谱检测技术,分析了低钙粉煤灰在不同浓度NaOH溶液作用下Si⁴⁺、Al³⁺和Ca²⁺等活性离子的浸出规律,离子浸出率大小为Si⁴⁺>Al³⁺>Ca²⁺,其中Si⁴⁺和Al³⁺浸出率随NaOH浓度增加而增加,随浸出时间的延长呈对数规律升高;Ca²⁺在NaOH溶液中生成Ca（OH）₂沉淀,其浸出率大小表现为在水中高,在NaOH溶液中低。利用XRD、FTIR和SEM/EDS等表征方法分析了碱激发作用过程中低钙粉煤灰表面化学基团变化规律、水化产物生成特点及颗粒表面微观形貌演化特征,结果表明粉煤灰受到碱侵蚀,石英、莫来石和铝硅酸盐玻璃体等特征衍射峰强度减小;低钙粉煤灰随碱激发时间的延长和碱浓度的增加Si-O和Al-O等化学基团在指纹区出现明显的伸缩振动和弯曲振动吸收峰;在碱激发作用下粉煤灰颗粒表面由平滑变粗糙,水化产物持续生成且不断沉淀于粉煤灰颗粒表面,最终形成致密的水化产物沉淀层。构建了碱激发低钙粉煤灰反应过程及其产物形成机理分析模型,发现碱激发通过表面改性促使颗粒发生溶解、解聚、缩聚-凝胶和扩散4个阶段的变化。碱激发对改变粉煤灰膏体充填材料早龄期物理力学特性的测试结果表明,充填材料强度随NaOH浓度呈先升高后降低的变化特点,在NaOH浓度为0.25mol·L^-1时,试件3d和7d抗压强度相比于未使用NaOH分别增加了39.92%和21.46%。（4）基于电化学基本原理对粉煤灰膏体充填材料进行改性试验与机理研究。粉煤灰膏体充填材料的单轴抗压强度与弹性模量随电位梯度和电化学作用时间的增加呈先增大后减小的变化规律。利用响应面寻优方法确定了NaOH掺量为0.5%、电位梯度为1V·cm^-1、电化学作用时间为180min条件下为电化学改性的最优试验参数。分析了电化学作用对改变粉煤灰膏体充填材料强度和变形的作用效果,发现经电化学改性后,粉煤灰膏体充填材料7d单轴抗压强度在阳极、中间和阴极区域分别增长了63.20%、51.21%和74.39%,弹性模量分别提高了90.12%、75.93%和112.98%。阴极区域的整体改性效果最好,阳极区域次之,中间区域第三。揭示了电化学作用改变粉煤灰膏体充填材料强度与变形的机理是碱激发效应与电动效应协同作用的结果,电解、电渗和电泳等电动效应会对碱激发效应产生强化作用,由此进一步提高充填材料凝结-硬化过程中水化反应速率,增加水化产物生成量,降低充填材料孔隙率和提高密实度等。（5）以镇城底矿22618工作面充填开采保护地表排灰皮带为工程背景,利用FLAC^3D数值模拟软件模拟了未改性和改性粉煤灰膏体充填材料充填开采控制地表沉陷效果,结果表明22618工作面采用长壁垮落法开采将导致地表下沉1500mm,地表最大水平变形为7.48mm/m。充填开采后排灰皮带地表下沉值约为400mm,相比于垮落法开采,地表减沉率达72%。地表最大水平变形降至1.43mm/m,降低了80.8%。充填材料改性后,地表最大下沉值约为210mm,相比于垮落法开采,地表减沉率达86%。地表最大水平变形降至0.67mm/m,降低了91%。相比于未改性粉煤灰膏体充填材料的充填开采,可使地表沉降量减少190mm,地表减沉率进一步增加了14%,水平变形进一步降低了10.2%。