对于露天地下联合开采的矿山,露天与地下的开采会相互制约相互影响。地下开采爆破产生的震动冲击波及采动过程中产生的岩体移动甚至失稳现象不仅对地下采场造成影响,还会对露天采场的边坡、采矿设施及建筑物的安全构成极大威胁。本文以永平铜矿为工程背景,为保证露天开采和地下开采顺利进行,以矿山初步设计及现有采区的实验数据为基础,以室内岩石力学实验、理论分析和数值模拟为研究手段对矿山的充填材料进行了优化,并应用非线性数学方法对矿岩材料及采场整体的破坏机理和稳定性进行了研究。主要研究内容如下:(1)对永平矿区地质进行了调查研究,从矿区地层、地质构造、矿体特征及地应力特征几个方面分析了矿区地质环境特征;(2)对矿区的主要矿岩(灰岩、混合岩、矿石)的物理力学参数在实验室内进行了测定。实验内容包括:密度和含水率等基本物理性质参数测定、抗压试验、劈裂拉伸试验及剪切试验。通过实验室数据的折减计算出岩体力学参数,为后续的破坏机理分析及三维数值模拟建模建立基础;(3)对永铜矿全尾砂材料进行现场取样,对全尾砂的粒度、物理化学参数在实验室内进行了测定分析;为了研究复合胶结材料的最优配比,基于MSE准则设计了均匀实验方案,通过二次多项式逐步回归法得出不同龄期的强度回归方程并得出最优解,利用通径分析法分析了单个因子对最终强度的影响程度,最后对回归模型的可靠性进行了验证并对胶结充填体的强度做了对比研究;(4)为了探究岩石内纵波波速与岩石所处应力状态间的关系,在弹性介质波动理论基础上建立了矿区典型岩石试样及胶结充填体试样在受载条件下纵波波速与应力之间的数学模型,并基于试验数据对单轴受载下岩石试样的纵波波速与轴向应力关系模型进行了验证;(5)基于突变理论对岩石加载过程中的声弹特性进行了计算分析,得出了不同岩石的纵波波速在轴向加载过程中的关键突变点,并以计算分析数据为基础对岩石受载损伤的机理进行了研究;(6)在尖点突变理论基础上,对尖点突变势函数的泰勒4次和5次两种展开形式的判别式进行了推导,基于FISH语言对能量判据在FLAC3D中进行了二次开发。针对永平铜矿分段空场嗣后充填法二步骤回采结束后形成的充填体-顶板系统进行了建模并采用强度折减与尖点突变相结合的方法对系统的安全系数进行了验算。