矸石充填采煤法是实现“三下”开采的重要技术手段,是控制覆岩破坏及地表沉陷的有效途径。矸石充填体的压实力学特性与其对覆岩的控制效果密切相关。本文以唐山矿风井工业广场煤柱区5煤层F5001矸石充填工作面为背景,采用室内试验、现场实测、数值模拟等方法,分别从矸石物理力学特性、采空区矸石压实特性、夯实矸石空间分布形态、充填矸石覆岩控制效果等方面进行了系统研究。主要研究结论如下:(1)采用室内试验方法研究了矸石基础物理特性和压实力学特性;充填矸石颗粒密度约为2.903×103kg/m3,堆积密度约为1.807×103kg/m3,含水率约为3.95%,碎胀系数约为1.607;极限压缩状态下轴向应变约为0.24,轴向应力约为28.1MPa,残余碎胀系数为1.22;侧限条件下矸石硬化函数近似为指数函数形式,压缩模量随轴向应变增加具有“孔隙压密-颗粒破碎-密实硬化”的三个阶段性特征。(2)采用现场实测的方法获取了采空区内的矸石压实特性,对矸石变形参数进行了修正;搭建了采空区在线监测系统,提出了“清-固-控”的传感器保护方案;采空区顶板沉降量和充填体应力值均在工作面推进约100m后达到稳定,稳定值约为425.50 mm和2.87 MPa;工程条件下硬化函数近似为指数函数形式,提出了矸石压缩模量和变形模量的修正系数,F5001工作面修正系数取值范围为0.5616～0.8462,考虑矸石极限压缩率的情况下上限降低为 0.6351。(3)采用现场实测和数值模拟相结合的方法分析了夯实作用下矸石密实度区域分布特征;夯实机完成一次夯实过程作用到矸石上的侧压力约为0.57MPa,夯实行程增大可有效增强采空区矸石的密实程度,侧压大于0.6MPa时压实作用效果明显;夯实机加载过程中,逐渐形成加载端底部至固定端顶部“密实区-过渡区-松散区”的三区分布。(4)采用数值模拟的方法分析了不同充填条件下矸石对采空区顶板的控制效果;充填率由60%提高为100%时,顶板塑性破坏高度降低58.75%,最大沉降量减小83.9%,应力峰值减小6.7MPa,应力集中系数减小0.33;充填矸石增加10.0%的初始压缩率,可使顶板塑性破坏高度降低60%,最大沉降量减小29.5%,应力峰值减小7.0MPa,应力集中系数减小0.35,采空区充填率和初始密实度的提高对顶板破坏和覆岩变形的控制效果明显。