针对煤层回采顶板垮落法产生的采煤固废堆放量大、长壁胶结充填开采中采充失衡等问题，内蒙古察哈素煤矿31采区采用连采连充巷式胶结充填采煤工艺，采用―隔三采一‖的回采方式及―三强一弱‖的充填模式。充填材料配比对充填成本与效果具有重要影响，针对原胶结充填材料中水泥消耗大、粉煤灰消纳少的问题，基于泰波理论确定矸石最佳粒径级配系数为n=0.5，在此基础上，利用响应面法(RSM)优化材料配比。基于RSM-BBD (Box–Behnken design)设计13组试验，建立充填体3、7及28d单轴抗压强度与水泥质量分数X1、粉煤灰质量分数X2、固料质量分数X3及3因素交互作用(水泥与粉煤灰交互作用X1X2、水泥与固料质量分数交互作用X1X3、粉煤灰与固料质量分数交互作用X2X3)的回归模型，模型P值均小于10-4，模型可靠性强。试验结果表明：不仅单一因素对强度影响显著，且各因素的交互作用也对强度有一定的影响。强度随X1与X3的增加而增大，随X2的增加先增大后减小，X1对前期影响最显著，X3对后期影响最显著，X2对强度影响随龄期增长逐渐显著。X2X3对7 d强度影响显著，X1X2对28 d强度影响显著，X1X3对3、7和28 d强度均有显著影响。在X1X3对7、28 d强度的交互影响中，水泥含量与质量浓度会相互促进两者对强度的增强作用，而在其交互影响中，一因素的增加会对另一因素的影响效果起抑制作用。基于RSM确定合理配比为X3取78%～79%,X2取19%～20%；高强度充填时X1取9%～10%，低强度充填时X1取8%。察哈素煤矿303工作面共采出煤炭16.8万t，消纳矸石16.22万t，粉煤灰消纳增加量与水泥消耗减小量均达到1万t以上，大大节省了粉煤灰处理费用与水泥成本，具有良好的环境效益与经济效益。