本文充分运用充填采煤学、矿山压力与岩层控制、矿山地质学、岩石力学、弹性力学和材料力学等理论知识,结合实验室实验、数值模拟以及工程实践等手段,对充填开采工作面上覆岩层运动规律进行研究,得到充填开采上覆岩层的控制机理。对充填材料的物理化学性质及抗压特性进行了研究,得到了充填材料的最佳配比。通过数值模拟对散体特征对固体充填材料压实度的影响、不同充填率条件下上覆岩层的运移规律进行研究,再通过理论推导对充填开采上覆岩层的连续曲形梁及其与关键层的破断关系进行了研究,最后通过散状固体改性充填技术的现场应用,分析这种充填方式控制上覆岩层运动和地表沉陷的效果。文章主要研究了以下五个方面的内容:(1)固体充填系统主要包括固体充填材料制备系统、储料系统、固体材料垂直投料系统和工作面充填系统等。各系统之间配合运行才能保证充填工作的正常运转,充填开采的主要设备包括MG200/466WD型双滚筒采煤机、ZZC4800/16/32型四柱支撑掩护式充填液压支架和型号为SGZ764/400、SGZ630/132的刮板输送机。(2)基于充填开采的连续曲形梁理论,研究了充填开采上覆岩层连续曲形梁的有效连续和完全连续条件,解释了连续曲形梁与上覆岩层中关键层的关系,当充填率达到70%以上时,充填工作面上覆岩层可形成有效连续形态的曲形梁,保证了充填效果,促进了充填开采的技术经济性的提升,为科学充填提供了理论依据。(3)利用PFC数值模拟软件分析了颗粒粒径、颗粒摩擦因数、材料孔隙率、法向与切向刚度比值等因素对充填材料压实特性的影响,研究了不同配比下矸石与粉煤灰的压实特性;利用FLAC3D数值模拟软件,对固体充填和注浆改性固体充填不同充填率条件下的上覆岩层运移规律进行了研究,结果表明随着充填率的提高垂直方向位移以及应力集中范围显著减少,上覆岩层的下沉得到有效控制,引起的地表沉陷也显著降低,上覆岩层可形成有效连续的形态,注浆改性固体充填比传统的固体充填具备更好的控制上覆岩层运动的效果。(4)在固体充填实验基础上研究了注浆对散状固体充填材料密实度与弹性模量的补强效果,在实验室条件下对比了水泥浆、粉煤灰浆和高水材料三种注浆材料的注浆效果;花管注浆采用柱面扩散理论,得到了均质浆液注浆扩散半径和注浆量及压力、时间的函数关系表达式。(5)散状固体改性充填技术在邢台矿7608工作面成功应用,通过对工作面、运输巷、运料巷进行矿压观测,得到了支架的工作状态以及支撑效果,对充填体的应力、巷道顶板离层及地表沉陷进行监测,明确了上覆岩层的移动变形特征及地表沉陷情况;采用散状固体改性充填技术后,7608工作面的矿压得到了有效控制,现场实测揭示注浆改性固体充填工作面的开采对地表的铁路、公路、建筑和设施有轻微扰动,不影响正常使用。注浆改性固体充填丰富了充填采煤工艺,为相邻工作面及相似地质条件和充填要求的矿井提供了借鉴,该充填工艺既实现了回收煤炭资源又很好地控制了顶板来压和地表沉降,延长了矿井服务年限,还解决了矸石粉煤灰等固体废弃物的排放处理问题,保护了矿区周边环境,实现了矿井的绿色可持续发展。该技术作为一种复合充填开采技术,有利于推动我国“三下”压煤开采技术的发展,对煤矿充填开采的综合效益的提升具有重要作用。