煤炭资源在我国的能源中占主要地位,煤炭的开采利用一方面促进了经济社会的发展,另一方面,煤炭的开采造成了地面的塌陷,破坏了地表的生态环境平衡。为了治理煤矿开采塌陷区,将煤矸石作为塌陷区的土地复垦和充填开采的充填基质,不仅可以消耗大量的煤矸石,减少煤矸石带来的环境污染,而且可以降低地表塌陷的破坏程度。但是煤矸石受外界因素的影响作用较大,极易发生变形,最终导致充填区地表沉降和地表环境产生不同程度改变。因此,煤矸石充填区地表变形特征及其对地表环境的影响是需要研究解决的关键问题之一。论文选取潘集矿区的不同粒径大小煤矸石作为复垦试验的充填基质,构建室外试验模型,探究自然堆存状态下不同类型煤矸石变形沉降机理,并且开展不同块度煤矸石颗粒级配数值模拟实验研究,探究不同级配煤矸石颗粒在不同围压下,煤矸石颗粒的峰值强度变化特征以及煤矸石颗粒体应变与轴向应变之间的变形特征;论文主要取得以下结论:(1)在自然堆存煤矸石级配充填复垦试验中三个试验模型的沉降速率呈现两阶段变化特征,试验前期模型沉降速率呈现弹性变化,沉降速率曲线整体呈现“波浪型”,且前期各监测周期内模型沉降速率较快,随时间的推移后期模型沉降速率趋于平稳的变化过程,试验后期下沉速率最小;在监测周期内三种级配充填模型沉降值变化不同,各试验模型前期沉降值增加较快,呈线性变化,后期沉降值变化较小,趋于稳定变化。(2)降雨和降雪对试验模型沉降速率影响较大。通过对降水前后监测的数据进行分析,降雨和降雪增加了模型矸石堆的荷载,使试验模型短时间内沉降速率增加较明显,并且降雨或降雪量以及降雨持续时间对模型地表沉降变形具有明显的滞后效应。(3)通过对比不同数值分析模型,在三个试验模型沉降的前期,AR模型预测数据误差小拟合效果最好,GM模型预测数据拟合效果较差,预测数据拟合曲线波动较大,主要原因是实测数据量较小,不能够体现数据的整体动态变化趋势。在试验模型沉降后期,各预测分析模型的预测值拟合精度提高。(4)煤矸石压缩变形试验分析表明,不同级配模型其应力-应变及轴向应变-体应变曲线均呈现三个阶段变化趋势。大粒径煤矸石组模型峰值强度小于小粒径煤矸石组模型,主要是因为部分细颗粒填充了粗颗粒之间的空隙,粗细颗粒之间相互接触咬合,增加了抗压强度。并且随轴向应变增加,单一级配煤矸石模型体积变化较大,混合级配方案模型体积变化较小。