我国采煤沉陷区分布广泛与地上工程建设用地紧张的矛盾日益突出,利用采煤沉陷区土地进行工程建设是缓解这一矛盾的有效途径,在采空区上方实施工程建设已是大势所趋。在采空区上方地表进行工程建设是一个复杂的系统问题,而采空区覆岩稳定性评价是采空区上方地表工程建设的重要一环。虽然采空区覆岩稳定性评价方法较多,但对于采空区覆岩岩体结构类型探测方法、荷载作用下采空区覆岩失稳力学机理及判据,以及基于采空区覆岩失稳的地表沉陷预计等关键科学问题缺乏深入研究。针对上述问题,借助物理探测方法和相似/数值模拟实验研究手段,引入矿山岩层控制理论（砌体梁、关键层等）,对采空区覆岩岩体结构类型探测方法、荷载在覆岩中的传递及附加应力计算、荷载作用下长壁采空区覆岩失稳判据,以及基于采空区覆岩失稳的地表残余变形预测等问题开展了研究,并进行了工程实例应用。主要研究成果如下:（1）以工程实例探索研究了EH-4电导率成像系统和井间地震波层析成像技术在采空区覆岩岩体结构类型探测中的应用,得出:（1）利用EH-4或井间地震并结合钻探,能查明采空区覆岩岩体完整岩层、较完整岩层、碎裂岩层和散体结构等层位和范围,可以较好地确定采空区覆岩岩体结构类型。（2）实例研究表明可以采用物探结合钻探的方法对采空区覆岩结构进行分类,在工程应用上可以作为采空区覆岩稳定性分析基础。（2）利用相似材料模型实验研究了地表荷载作用在采空区中央和边界正上方采空区覆岩变形破坏及地表残余沉陷规律,结果表明:（1）当采空区深厚比较大（地表荷载影响不到采空区垮裂覆岩）,在采空区中央正上方地表持续加载,覆岩离层被压实闭合,垮裂带岩层没有明显变化,在模型条件下加载至1.17 MPa时覆岩稳定,地表最大下沉保持在640 mm不再增大。当深厚比较小时,地表荷载的附加应力作用在采空区已破损覆岩上,会加速覆岩的变形破坏,进而在地表产生新的较大变形,在模型条件下加载到0.3 MPa时,地表最大下沉达到2430 mm。（2）在浅部采空区边界上方地表持续加载,采空区边界残留空洞上方发育纵向裂缝,随着荷载的增大覆岩沿纵向裂缝整体性断裂,直至切冒到地表,地表变形表现出明显的不均匀性和不连续性。（3）老采空区覆岩残留空隙主要包括:岩层结构已平衡在无外因扰动下将长期存在的离层、垮裂带内破损岩层虽经历长时间压实但仍存在的裂隙、开采边界覆岩未完全垮落而形成的空洞。地表荷载作用下采空区残留空隙二次压缩或失稳是采空区尤其浅部采空区地表产生新的较大变形的根本原因。（3）采用FLAC3D数值模拟实验分析方法,探讨了地表荷载不同作用位置和大小、采空区不同顶板管理方法、不同覆岩性质及不同采深条件下,覆岩破坏及地表残余变形规律,分析地表荷载对采空区覆岩稳定性的影响,结果表明:（1）地表荷载位于采空区中央时的荷载周围的地表残余变形,要小于位于采空区边界时的;荷载位于采空区中央时对覆岩造成的二次破坏范围要大于荷载位于采空区边界时。（2）在地表同一位置施加荷载,不同大小的荷载影响深度不同,浅部采空区覆岩的变形破坏和残余变形量与地表荷载大小成正比,荷载越大,采空区覆岩受到二次破坏越严重,地表残余变形量越大。（3）受地表施加的荷载影响,留设煤柱稳定的条件下,采用全部垮落法管理顶板形成的采空区地表的残余变形量远大于条带法和房柱式开采采空区;采用全部垮落法管理顶板形成的采空区覆岩比条带和房柱形成的采空区覆岩更易发生破坏。（4）受地表施加荷载影响,浅部采空区覆岩内变形破坏程度按岩性由大至小排列的顺序为软弱、中硬、坚硬;覆岩内的高应力分布增加了突然破坏的可能性。（5）受地表施加荷载影响,留设煤柱稳定的条件下,采空区覆岩内变形破坏程度按顶板管理方法由大至小为全部垮落法、条带法及房柱式开采方法;从地表最大残余下沉及采空区覆岩变形破坏程度角度考虑,不同顶板管理方法对浅部采空区覆岩变形的影响大于不同覆岩性质。（6）固定地表荷载和采厚,随采深减小,采空区覆岩破坏程度和地表下沉量增加。有如下规律（模型条件下）:当U₁>1.2时（U₁为采空区深度与采空区垮落裂缝带高度和地表施加荷载影响深度之和的比值）,随U₁增大,地表荷载作用下采空区地表下沉值基本不变,下沉约380 mm,覆岩塑性区也基本不变;当0.8<U₁<1.2时,随U₁增大,地表荷载作用下采空区地表下沉基本呈线性减小趋势;当U₁<0.8时,地表荷载作用下采空区覆岩和地表下沉突然增加,但之后随U₁减少地表下沉量变化不明显,采空区覆岩塑性区破坏明显增加。（4）基于物探、相似材料模拟和数值模拟研究结果对地表荷载作用下采空区覆岩失稳机理进行了分析:地表荷载作用下长壁垮落法开采采空区覆岩失稳机理主要为垮落带岩块的压密,裂缝带破断岩体结构的失稳;部分开采采空区覆岩失稳机理主要为煤柱失稳,以及采空区空洞逐层垮落或突然失稳。借鉴土力学地基中的附加应力计算的布辛尼斯克解析解,基于双层介质采用能量守恒方法对采空区地质条件下地基中的附加应力进行了研究,推导了基于双层介质的集中荷载作用下、竖向均布荷载（矩形基础和圆形基础）作用下的竖向附加应力计算公式。借鉴“砌体梁”结构力学模型的关键块分析方法,建立了地表荷载作用下长壁采空区覆岩稳定性的关键岩块受力分析模型,推导了地表荷载作用下长壁采空区覆岩结构关键岩块受力计算公式。基于“砌体梁”结构关键岩块的“S一R”稳定理论,建立了地表荷载影响下长壁采空区覆岩中“砌体梁”结构的“S一R”稳定性判据模型,并推导了滑落和回转失稳判别公式。该判据通过分析地表工程建设地基中的附加应力作用于长壁采空区覆岩结构是否失稳来判别采空区覆岩的稳定性。（5）提出了基于地表荷载作用下长壁采空区覆岩稳定性的地表沉陷预计方法。地表荷载作用下长壁采空区地表残余沉陷在采用概率积分法进行预测时,地表残余下沉系数的选取应充分考虑地表荷载大小和作用位置、垮落带岩块的压密,以及裂缝带破断岩体结构的失稳等,按照垮落带垮落岩体压密区和裂缝带破断岩体结构可能失稳区进行分区计算。推导并建立了长壁采空区垮落岩体压密区、采空区覆岩结构滑落失稳和回转失稳时地表残余下沉系数计算公式。（6）利用论文的研究成果对辽宁省北票市某住宅小区受采煤影响的地基稳定性进行了评价,建设方根据评价结论建造了楼房并交付业主使用,目前状况良好,验证了论文提出的荷载作用下采空区覆岩稳定性评价的基本理论和方法。