煤矿充填开采是解决地表环境破坏、提高工作面安全性的一种方法。其中,充填材料的性能是影响充填质量的关键因素。燃煤发电产生的粉煤灰成本低,配合水泥、砂石等材料能够提供一定的强度,同时也起到废物利用、保护自然环境的作用。为了继续改善粉煤灰膏体性能,本文对已应用于魏强煤矿的粉煤灰充填材料进行性能提升。通过室内实验、数值模拟等方法,利用添加剂继续改善粉煤灰膏体材料的工作及力学性能,并对其中性能较好的三组配比进行煤矿充填开采模拟,检验材料的充填效果。研究结论如下:对粉煤灰膏体部分原材料的矿物成分及含量进行测定,并对其水化反应进行分析,得到了水泥及粉煤灰水化反应对膏体强度的影响机理。水泥水化过程主要是硅酸钙、铝酸钙、铁铝酸钙遇水发生反应生成凝胶物质,膏体材料粘结性增强,后期强度随硅酸钙胶凝物质的增加而增大。粉煤灰配合水泥的水化作用生成胶凝产物水化硅酸钙和铝酸钙,提升膏体早期强度与凝结速度。通过单因素实验研究了不同添加剂(早强剂、膨胀剂、减水剂和速凝剂)对粉煤灰膏体材料工作特性(坍落度、泌水率、膨胀率及凝结时间)及力学特性的影响,得到最优参数为:早强剂掺量2%时,3d强度达到2.63MPa,膨胀剂掺量为5%时,膨胀率为1.08%,减水剂掺量为1.0%时,坍落度达到238mm,速凝剂掺量3%时,膏体初凝时间155 min,终凝时间 255 min。根据多因素正交试验综合分析四种不同添加剂对于试件的五个考察指标的影响,并得到三组最优配比组合。U1配比试件早期强度最具优势,养护3d的强度为2.91MPa。U2配比试件后期强度、流动性及膨胀性最好,养护28d的强度为7.73MPa,膏体坍落度最大值为250mm,膨胀率为1.02%。U3配比的试件膏体凝结时间最短,为140min。对三组最优配比组合的试件的密度特征、压剪拉强度、变形特征及破坏特征进行了研究。试件养护过程中水化反应放热,部分水分散失,导致试件28d的密度普遍小于3d密度。对三组配比进行强度实验后发现,U2组配比强度最具优势,抗压强度及抗拉强度分别是8.64MPa和0.87MPa,峰值应变率为2.6%。针对三组最优配比组合材料进行井下充填数值模拟,选用薛庙滩煤矿30303工作面为模拟背景,对地表线路压煤进行充填开采模拟,确定不同材料的受力及变形特征。