随着经济发展对矿产资源需求的日益增大,导致矿井开采深度逐步增大,并且在环境保护、资源回收以及安全生产等各种标准不断严格要求的背景下,充填采矿法因其具有控制地表沉降、固废利用等优点,在金属矿山中得到广泛应用。然而,由于充填工艺和料浆泌水特性,常导致进路充填接顶效果不理想,随着矿山开采规模的扩大,采场顶板暴露面积增大,给矿山安全生产带来隐患。本文以白象山铁矿为工程背景,深入分析矿山充填不接顶的影响因素,通过引入发泡剂来解决矿山充填不接顶现状。基于充填材料为研究对象,分别开展膨胀性充填材料配合比优化和基本力学特性试验,结合损伤力学理论和数值分析,对膨胀性充填体的力学损伤演化规律以及充填体对采场地层控制的影响进行了系统研究。主要工作和研究成果如下:(1)膨胀性充填材料试验与配合比优化。对白象山铁矿充填不接顶的两大影响因素进行分析,基于充填材料基本性质和料浆流动性及膨胀性等试验,揭示了发泡剂具有提高料浆的流动性、膨胀性以及浓度,减少泌水率等优点,并为后续研究膨胀充填体的基本力学特性奠定基础。(2)膨胀性充填体基本力学特性。基于配比后的膨胀性充填体,开展不同受力状态下的基本力学特性试验,揭示了膨胀性充填体的力学特性随养护龄期、质量浓度、灰砂比和发泡剂添加量等因素变化的演化规律,并且得到充填体的基本物理力学参数。(3)膨胀性充填体强度参数与损伤分析。基于膨胀性充填体力学特性试验的研究,对膨胀性充填体的损伤力学演化规律进行深入分析,结合损伤力学的理论基础,通过构建膨胀性充填体损伤本构模型,并对充填体的损伤参数进行分析,揭示了膨胀性充填体在不同受力状态下的损伤演化规律。(4)膨胀性充填体对采场地层控制影响分析。基于矿山地表沉降影响因素的分析,建立相关力学模型,揭示了充填不接顶高度对地表沉降和顶板稳定性的影响。开展膨胀性充填体对采场稳定性影响的数值分析,揭示了进路充填不同充实率、接顶率和强度等因素影响下对采场稳定性的演化规律。