破碎矸石充填材料内部复杂的组构：颗粒形状、颗粒级配、颗粒配位、颗粒破碎、颗粒运动、力链演化及空隙结构等是影响其宏观物理力学行为的根源，准确把握承载矸石体组构时空演化的内在规律与机制，对实现其承载压缩变形控制起着至关重要的作用。然而，破碎矸石充填材料内部复杂组构的演化属于“看不见、摸不着”的“黑箱”问题，如何实现其内部复杂组构及物理力学过程的透明化并对其进行准确量化表征，进而直观揭示对其宏观物理力学行为起控制作用的内部机制，是解决以上“黑箱”问题和诸多工程实际问题的基础。
　　本文围绕“矸石固废充填材料承载压缩三维组构时空演化及其透明化表征”这一科学问题，通过CT扫描试验、大型三轴压缩试验、颗粒流数值模拟试验等研究手段，并综合运用图像处理、数字化模型三维重建、程序二次开发等技术展开了系统研究。量化分析了矸石随机块体三维形状特征，研究了基于矸石块体真实形状的矸石固废充填材料三轴压缩内部结构演化特征及宏观物理力学行为，重构了矸石固废充填材料承载压缩组构数字化三维模型，实现了承载压缩过程中其内部复杂组构时空演化的透明化表征，建立了矸石固废充填材料承载压缩宏观物理力学行为与内部复杂组构之间的关系。研究成果可为探索地下破碎/裂隙岩体内部复杂的三维组构特征、空隙/裂隙结构，开采引发的岩体结构演化、流体渗流以及岩体灾变破坏等“看不见、摸不着”的物理力学过程或内部机制的定量描述与透明化提供理论和技术支撑。主要创新性成果如下：
　　（1）构建了矸石随机块体真实形状数字化三维模型重构方法，基于Python语言和遗传算法开发了不规则矸石块体三维形状参数提取程序，实现了矸石随机块体三维形状特征量化分析，得到了矸石随机块体各形状指标的频率分布特征及与块体尺寸间的相关关系，提出了基于多形状指标的矸石随机块体分类与形状规则程度综合评价方法。
　　（2）通过大型三轴压缩试验和颗粒流数值模拟方法，系统研究了矸石固废充填材料轴应变、体应变、承载力及空隙率等宏观物理力学行为特征，建立了承载力与围压间的函数关系，阐明了承载矸石固废充填材料级配演化规律及粒径分布特征，揭示了围压、级配、块体形状对其应变硬化及体缩等宏观物理力学行为的影响机理。
　　（3）开发了真实形状矸石块体模型三维边界面程序，建立了基于真实块体形状的矸石固废充填材料大型三轴压缩连续-离散耦合数值计算可视化模型；研制了破碎岩石CT可视化压实仪，重构得到了不同压缩状态下矸石固废充填材料数字化三维结构模型及空隙空间模型，实现了承载压缩中矸石固废充填材料内部三维组构的重建与可视化。
　　（4）对矸石固废充填材料承载过程中空隙结构、空隙分布、块体破碎、块体运动、力链演化等三维组构时空演化特征进行了透明化及量化表征，实现了内部三维组构研究的可视化，得到了块体形状、围压、级配对其内部组构的影响规律，建立了空隙压缩、块体运动配位、块体咬合效应、力链失稳-重构、块体破碎等内部结构性变化与宏观变形间的本质关系，揭示了对其宏观力学行为起控制作用的内部机制。