随着国家对矿山环境保护和矿山固体废物资源化的重视,煤矸石作为第一大工业固废,其地面排放与井下充填过程中污染组分的控制亟需研究。煤矸石在地面堆积或大规模充填至采空区时,其内含的重金属元素处于二次富集的状态,在采空区地热、覆岩压力及矿井水的共同作用下重金属元素会不断释放,对地下水环境产生一定的影响。本文从典型矿区煤矸石的重金属元素含量测试实验入手,在分析我国煤矸石产地区域分布及地质年代分布特征的基础上,综合采用现场调研、实验室测试、理论分析、数值模拟等研究方法,对煤矸石重金属元素分布、元素富集成因等地球化学特征以及充填至采空区后在底板中迁移行为进行研究,并结合数值计算预测了重金属元素在底板岩层中的迁移距离。论文的主要研究成果如下:(1)在调研我国典型矿区煤矸石产地区域分布及地质年代分布的基础上,利用ICP-MS及AFS对煤矸石中汞Hg、铅Pb、镉Cd、铬Cr、砷As、铜Cu、锌Zn、锰Mn、硒Se、铍Be等重金属元素含量进行了测试,得到了典型矿区煤矸石重金属元素的本底含量水平。(2)从区域和地质年代的角度对煤矸石中重金属元素含量分布差异性进行了分析,得到了不同重金属元素在不同产矸区和地质年代的平均富集系数,并在样本容量内对区域及地质年代的富集程度进行了排序,从煤矸石全硫含量及地质成因角度对其重金属分布差异性进行了解释,揭示了煤矸石充填材料重金属元素含量分布特征。(3)基于多元统计分析理论,采用相关性分析、因子分析及聚类分析相结合的方法对重金属元素含量进行分析,揭示了煤矸石重金属元素的相关性及簇群规律,并采用Hakanson潜在生态危害指数法得到了样本容量内不同产矸区域、地质年代的煤矸石生态风险特征。(4)基于渗透率应力敏感性试验,运用COMSOL Multiphysics建立了渗流-应力耦合条件下煤矸石重金属元素迁移数值计算模型,以Mn元素为例分析了煤矸石充填至采空区后在不同应力状态、不同岩性条件下重金属元素在底板中的浓度分布及渗流规律,并预测了100年内的重金属元素扩散距离。该论文有图42幅,表20个,参考文献113篇。