充填体在服务期内不仅会受到上覆岩层复杂多变的应力作用,而且会受到富含腐蚀性离子的矿井水的侵蚀,发生水化反应,致使充填材料的强度劣化,影响长期稳定性能,降低充填体的承载能力,缩短服务年限,甚至引起安全事故。因此,有必要研究充填材料在腐蚀性矿井水环境中的性能变化规律。本文以矸石胶结充填材料为研究对象,制备不同质量浓度充填材料,以不同p H值硫酸溶液模拟酸性矿井水,采用试验和理论分析相结合的方法,研究酸腐蚀环境中矸石胶结充填材料的单轴抗压强度、超声波波速、质量演化规律及机理、荷载作用下的徐变特性、硫酸根离子在充填材料内的扩散规律和在材料内掺入氢氧化钡试剂改善抗酸腐蚀性能,通过XRD和SEM分析不同情况下后充填材料微观结构及成分变化。主要的研究内容及结论如下:(1)试验研究了不同质量浓度充填材料在p H=4溶液中、质量浓度为80%试件在不同p H值(p H=3、4、5、6)溶液中浸泡不同龄期的单轴抗压强度、超声波波速、质量演化规律,并以抗压强度为指标评价损伤度,建立了和质量浓度、p H值和腐蚀龄期之间的关系式。结果表明:试件质量浓度越低、浸泡溶液p H值越小,试件质量、抗压强度、超声波波速随腐蚀龄期延长变化规律越明显。随着腐蚀龄期增加,试件质量呈现先降低后增加再降低的趋势,试件抗压强度、超声波波速呈现先增加后减小的趋势,损伤度呈逐渐增大的趋势。通过XRD和SEM测试表明腐蚀前期主要水化产物为硅酸钙凝胶和钙矾石胶结填充试件内部孔隙,腐蚀后期钙矾石遭到分解,伴有二水石膏的生成,二水石膏吸水膨胀,破坏试件内部结构,从而导致材料内部的晶体结构遭到破坏。(2)试验研究了荷载作用下不同质量浓度充填材料在p H=4溶液中、质量浓度为80%试件在不同p H值(p H=3、4、5、6)溶液中浸泡不同龄期的徐变特性,以试验数据为基础修正了B3徐变模型,应用文献中数据对模型进行验证,用B3徐变模型计算了不同质量浓度、不同p H值等参数对荷载作用下矸石胶结充填材料的预测徐变值。结果表明:腐蚀溶液中荷载作用下试件徐变随着腐蚀龄期的延长呈先快速增加后缓慢增加的趋势。且溶液p H值越小,试件质量浓度越低,徐变增加越快。腐蚀龄期0～3000天,荷载作用下试件徐变随腐蚀龄期延长呈线性增长的趋势,在p H=3溶液中试件在腐蚀龄期2000天后迅速增加。(3)试验研究了不同质量浓度充填材料在p H=4溶液中、质量浓度为80%试件在不同p H值(p H=3、4、5、6)溶液中浸泡不同龄期硫酸根离子在试件内的扩散规律,建立了硫酸根离子扩散预测模型。结果表明:硫酸根离子在矸石胶结充填材料内含量随着腐蚀龄期的增加呈先快速增加后缓慢增加的趋势。溶液的p H值越小,试件质量浓度越低,试件内硫酸根离子浓度含量越多,试件内硫酸根离子浓度随着腐蚀深度的增加呈逐渐减小的趋势。硫酸根离子扩散系数均随着腐蚀龄期的延长呈先快速降低后缓慢降低的趋势。当腐蚀龄期超过3个月,预测值与试验值吻合效果较好,可以有效预测任意时间的矸石胶结充填材料内硫酸根离子浓度含量。(4)通过试验研究模拟酸性矿井水环境下矸石胶结充填材料掺入氢氧化钡后对质量、单轴抗压强度、超声波波速、硫酸根离子扩散规律等性能指标的影响,采用SEM和XRD分别分析充填材料微观形貌和成分变化,探讨掺入氢氧化钡改善矸石胶结充填材料性能规律及机理,结果表明:掺有氢氧化钡试件腐蚀反应速率减缓,腐蚀引起试件的质量、强度、波速变化幅度均降低,试件内硫酸根离子含量随着腐蚀龄期延长逐渐小于未掺试件,掺量为2 kg/m~3试件浸泡后改善效果最显著。掺入试件中的钙矾石与石膏等腐蚀产物的含量均降低,内部结构更加完整,随着硫酸钡沉淀的生成量逐渐增多,抑制了钙矾石的生成,进一步延缓了腐蚀反应的进行。