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长壁膏体充填开采是一种重要的开采工艺，可有效改善矿区环境，降低开采对水资源、土地资源的破坏，有效保护地面建筑物的安全使用，本论文针对我国西北地区地面风积砂分布广泛、煤炭资源丰富的特点，研究了风积砂膏体充填材料的力学性能、长壁膏体充填开采充填步距、不同充填率覆岩破坏特征、顶板位移控制因素等相关问题，特别是对膏体充填步距进行了较深入的探讨，着重对长壁充填开采岩层移动及地表沉陷的关键问题进行了相关基础研究。
论文采用理论分析、实验室试验、物理模拟和数值分析、现场工程实际应用等方法开展了相关研究，针对风积砂膏体长壁充填开采的具体问题，主要对以下内容进行了研究:
(1)以弹性地基梁理论为基础，建立了长壁充填开采直接顶弹性地基岩梁简化力学模型，推导得出了顶板不同区域的位移方程和支撑力方程。同时，把顶板岩梁力学模型进行了等效转化，在此基础上根据充填体随充填时间延续强度逐渐增强的力学性能，结合顶板位移方程，推导得出了顶板的最大跨距，以及顶板最大跨距、控顶距和充填步距间的数学关系式，进而得出了最大充填步距。
(2)按照初凝充填体能够自立稳定的条件，以及在覆岩压力和自重作用下呈现塑性区和弹性区共同承载的受力特性，采用威尔逊约束理论和SMP应力屈服准则，推导得出了充填体的最小充填步距理论计算公式。通过榆阳煤矿长壁充填开采实例分析，计算得出了该条件下的充填步距的理论值为2.83～9.5m，从而确定了该矿的合理充填步距。
(3)研究了长壁充填开采条件下，不同充填率的覆岩破坏范围、岩层位移规律和应力演化特性，采用数值模拟和相似模拟相结合的方法，研究得出覆岩破坏程度和裂隙发育范围与充填率密切相关，充填率较高时，裂隙发育分布于低位岩层中，岩层位移集中发生在直接顶及其邻近岩层，覆岩比较完整，呈现整体弯曲变形;充填开采也会在工作面前后煤柱出现不同程度的应力集中，充填率高时，应力集中系数小，影响范围较小;充填率低时，应力集中系数大，影响范围较大。同时对垮落法开采和完全充填开采进行了对比研究分析，得到覆岩破坏与工作面推进距离之间的关系以及地表移动变形规律:垮落法开采时，在达到最大破坏高度前，覆岩破坏范围与工作面推进距离呈线性相关，工作面前方煤壁压剪破坏严重，工作面顶板呈现张拉应力破坏区，并最终垮落，形成垮落带;完全充填法开采时，覆岩拉剪破坏只存在于直接顶和煤层底板中，并未波及老顶覆岩，地表及覆岩随着充填体的承载作用渐强，呈整体缓慢下沉移动特征。研究分析得到，充填率与地表移动变形值之间存在非线性对应关系:地表下沉系数与充填率成幂函数关系，水平变形和倾斜最大值与充填率之间呈对数函数关系。
(4)分析了长壁充填开采顶板覆岩位移和地表沉陷的主要影响因素，充填开采顶板位移主要由采空区充填前的覆岩顶板下沉位移、充填体欠接顶量和充填料浆膏体的析水压缩下沉量三部分组成，充填步距、充填率、充填体的弹性模量、充填体压缩率和压缩量以及覆岩载荷、强度、采深、采厚、煤层倾角等充填体的力学参数和地质采矿条件是影响覆岩下沉位移及地表沉陷变形的主要因素。研究了地表移动变形与井下顶板位移之间的相互关系，通过井上下移动变形协同考虑，可采用调整充填步距的方法控制顶板位移，从而达到保护地面建筑物的目的和效果。
(5)按照榆阳煤矿的地质采矿条件，分析地面建筑物的结构特性及变形限值条件，建立起了井下顶板位移、充填步距与地面位移变形值之间的数学关系。根据研究成果设计了榆阳煤矿2307工作面充填开采工艺技术参数并设置了地表移动观测站，观测总结了地表移动数据和充填开采地表沉陷规律，理论研究结合工程实践表明，风积砂长壁充填开采可有效降低井下工作面采动影响，能够达到保护地面建筑物安全使用的目的。
论文采用理论分析、实验室试验、物理模拟和数值分析、现场工程实际应用等方法开展了相关研究，针对风积砂膏体长壁充填开采的具体问题，主要对以下内容进行了研究:
(1)以弹性地基梁理论为基础，建立了长壁充填开采直接顶弹性地基岩梁简化力学模型，推导得出了顶板不同区域的位移方程和支撑力方程。同时，把顶板岩梁力学模型进行了等效转化，在此基础上根据充填体随充填时间延续强度逐渐增强的力学性能，结合顶板位移方程，推导得出了顶板的最大跨距，以及顶板最大跨距、控顶距和充填步距间的数学关系式，进而得出了最大充填步距。
(2)按照初凝充填体能够自立稳定的条件，以及在覆岩压力和自重作用下呈现塑性区和弹性区共同承载的受力特性，采用威尔逊约束理论和SMP应力屈服准则，推导得出了充填体的最小充填步距理论计算公式。通过榆阳煤矿长壁充填开采实例分析，计算得出了该条件下的充填步距的理论值为2.83～9.5m，从而确定了该矿的合理充填步距。
(3)研究了长壁充填开采条件下，不同充填率的覆岩破坏范围、岩层位移规律和应力演化特性，采用数值模拟和相似模拟相结合的方法，研究得出覆岩破坏程度和裂隙发育范围与充填率密切相关，充填率较高时，裂隙发育分布于低位岩层中，岩层位移集中发生在直接顶及其邻近岩层，覆岩比较完整，呈现整体弯曲变形;充填开采也会在工作面前后煤柱出现不同程度的应力集中，充填率高时，应力集中系数小，影响范围较小;充填率低时，应力集中系数大，影响范围较大。同时对垮落法开采和完全充填开采进行了对比研究分析，得到覆岩破坏与工作面推进距离之间的关系以及地表移动变形规律:垮落法开采时，在达到最大破坏高度前，覆岩破坏范围与工作面推进距离呈线性相关，工作面前方煤壁压剪破坏严重，工作面顶板呈现张拉应力破坏区，并最终垮落，形成垮落带;完全充填法开采时，覆岩拉剪破坏只存在于直接顶和煤层底板中，并未波及老顶覆岩，地表及覆岩随着充填体的承载作用渐强，呈整体缓慢下沉移动特征。研究分析得到，充填率与地表移动变形值之间存在非线性对应关系:地表下沉系数与充填率成幂函数关系，水平变形和倾斜最大值与充填率之间呈对数函数关系。
(4)分析了长壁充填开采顶板覆岩位移和地表沉陷的主要影响因素，充填开采顶板位移主要由采空区充填前的覆岩顶板下沉位移、充填体欠接顶量和充填料浆膏体的析水压缩下沉量三部分组成，充填步距、充填率、充填体的弹性模量、充填体压缩率和压缩量以及覆岩载荷、强度、采深、采厚、煤层倾角等充填体的力学参数和地质采矿条件是影响覆岩下沉位移及地表沉陷变形的主要因素。研究了地表移动变形与井下顶板位移之间的相互关系，通过井上下移动变形协同考虑，可采用调整充填步距的方法控制顶板位移，从而达到保护地面建筑物的目的和效果。
(5)按照榆阳煤矿的地质采矿条件，分析地面建筑物的结构特性及变形限值条件，建立起了井下顶板位移、充填步距与地面位移变形值之间的数学关系。根据研究成果设计了榆阳煤矿2307工作面充填开采工艺技术参数并设置了地表移动观测站，观测总结了地表移动数据和充填开采地表沉陷规律，理论研究结合工程实践表明，风积砂长壁充填开采可有效降低井下工作面采动影响，能够达到保护地面建筑物安全使用的目的。