在分析总结现有研究成果的基础上,本文通过理论分析和现场试验相结合,借助相似模拟实验、离散元数值计算等方法,对煤矿采空区高掺量粉煤灰注浆渗流加固机理及其应用等进行了深入研究。为了深入研究高掺量粉煤灰水泥注浆材料性能,在实验原材料的配比设计实验的基础上,分析研究了高掺量粉煤灰-水泥注浆材料不同参数条件下的性能,结果表明,水固比和速凝剂掺量对注浆材料的凝结时间、抗压强度、流动度、结石率等有显著影响；同时,利用ESEM技术从形貌上定性分析体系水化产物的生成和粉煤灰活性的激发状态,采用XRD技术可探测晶体结构及峰强变化的特征分析水化产物的组成及变化,利用MIP技术分析不同注浆材料组成的孔结构,进而解释了其对宏观物理力学性能的影响；注浆材料电学性能分析结果表明,以分析注浆材料电学特征作为无损、非破坏评价注浆材料性能的技术手段是科学可行的。在高掺量粉煤灰水泥注浆材料性能研究的基础上,为进一步研究注浆材料在采空区的渗流特征和规律,本文采用平面应力的物理相似模拟实验进行了模拟研究。实验结果表明,在采空区中矸石堆积相对规则的垮落区,受孔隙分布特征的影响,浆液在这类区域浆液渗流迹线分布呈现“脊椎式”；在采空区中矸石堆积不规则的垮落区,受孔隙分布特征的影响,浆液在这类区域的渗流迹线分布呈现“絮网式”；通过分析浆液的渗流迹线发现,同时也发现受浆液的两相(水、固)物质渗透不协调、水泥粉煤灰矿物盐类电解和矸石堆积体孔隙特征等共同因素的作用,浆液在采空区矸石孔隙内流动过程中存在明显的阻滞效应；另外,浆液通过对采空区矸石堆积体“脊椎式”或“絮网式”嵌锁加固形成注浆固结体,改变了矸石堆积体的形态,提高了采空区介质的完整性及其强度,在浆液扩散影响范围内形成一个“类矿柱”体。在注浆材料性能和渗流特征规律研究的基础上,为进一步优化注浆参数,应用平面应力问题的理论模型,通过离散元分析软件-UDEC3.1的二维数值模拟,优化分析了注浆压力、水灰比和固相比三个控制参数。结果表明,影响注浆效果最显著的是注浆压力,其次是水灰比,再次是固相比；并且通过采空区注浆效果主要影响因素对比优化分析,本文认为水泥粉煤灰浆液注浆主要参数选择注浆压力1.0 MPa、水灰比1：1.2-1：1.4、固相比3：7的参数组合其技术效果相对较好。论文在试验研究的基础上,通过分析注浆加固之后采空区介质体的特点,提出了“固结体+矸石体+岩梁体”协作支撑系统或采空区介质体协作支撑系统,并通过构建采空区介质体支撑系统原理图,分析了采空区介质体的力学作用机制和协作支撑系统稳定条件,本文认为注浆加固形成的固结体对矸石体的侧向约束作用和对上覆岩层压力的竖向支撑作用,是保证整个协作支撑系统稳定的关键。本文在实验研究和理论分析的基础上,于安泰坑口选煤厂下伏采空区治理工程中进行了注浆实践。实践表明：依据本文研究结论所进行的现场试验设计,浆液渗流性能良好,浆液的加固效应所形成的固结体,提高了采空区矸石体的完整性、改善了其受力环境和承载能力,现场试验取得良好的效果。