本发明涉及回填材料领域，公开了一种碳酸化煤矸石基膏体及其制备方法和应用，所述方法包括：(1)向碱性工业固废和水混合得到的浆液中通入第一CO2气进行一级碳酸化反应，分离出沉淀并干燥，得到胶凝分散剂；(2)将煤矸石、水泥、辅助胶凝材料、所述胶凝分散剂和水混合，得到煤矸石基膏体；(3)在搅拌状态下，向所述煤矸石基膏体中通入第二CO2气，进行二级碳酸化反应，再经密封成型、自然养护得到所述碳酸化煤矸石基膏体。采用本发明公开的方法制得的成品膏体质量好，可用于煤矿采空区充填治理，在地下潮湿环境中耐受性良好，可有效避免井下潮湿环境造成膏体的溶蚀以保证强度，同时抑制固废中重金属离子浸出对地下水循环系统的污染。