我国中东部人口密集,城镇化程度高,城市建设用地与耕地保护矛盾突出,同时作为我国重要的产煤基地,分布有众多采空区,对塌陷地进行科学整治,使其恢复为建设用地成为缓解这一局面的有效途径。因此,研究老采空区失稳机理及治理技术对我国矿区环境治理、矿区土地的开发利用、重大基础设施建设和小城镇建设规划都具有十分重要的理论和现实意义。本文以大规模长壁老采空区为研究对象,针对建筑荷载作用下长壁老采空区失稳机理及治理技术,采用理论分析、相似材料模拟、室内试验和现场实测等手段,对荷载作用下长壁老采空区空隙场分布演化规律、应力拱壳结构演化规律、残余移动变形规律、稳定性评价和注浆加固技术进行了分析研究,主要结论如下:(1)分析了大规模长壁老采空区覆岩空间形态,根据采空区残余空洞与煤柱之间的相互关系,在水平方向上将其分为“(?)”型和“工”型两种覆岩结构类型,根据关键层是否断裂,在竖直方向将其分为“两端位于煤岩柱、中间悬空的弹性地基梁”和“砌体梁”两种覆岩结构类型;根据水平方向是否存在“工”型覆岩结构类型,决定是否对大规模长壁老采空区进行分区分析;根据长壁老采空区竖直方向覆岩结构类型的不同将长壁老采空区覆岩平衡结构分为“梁式”和“拱式”两种。(2)针对现有相似模拟材料碎胀差的问题,提出了一种直接顶模拟方法;采用采空区剩余空隙率定量研究了长壁老采空区空隙场分布规律,发现空隙分布具有明显的分区性,提出了基于采空区剩余空隙率大小的长壁老采空区分区方法;对荷载作用下长壁老采空区残余移动变形规律进行了研究,荷载大小和作用位置均对残余移动变形规律有影响,提出了基于残余移动变形值大小的采空区地表划分方法。(3)荷载作用下稳沉区的残余沉降主要是垮落带破碎岩石的压实,为此研究了不同粒径、不同轴向应力、不同岩性垮落破碎岩石在不同赋存环境中的压实变形和分形特征,分析得到了各因素对压实变形和分形特征的影响规律。(4)将不同类型长壁老采空区顶板岩梁概化为不同的力学结构模型,基于突变理论,建立了与之对应的长壁老采空区顶板岩梁失稳的尖点突变模型,并推导出了两种长壁老采空区顶板岩梁结构突变失稳判据。(5)应力拱壳作为长壁老采空区的主要承载结构承担其上直至地表的全部岩层重量和地面荷载,建筑荷载作用下顶部岩梁结构的断裂失稳将导致宏观应力拱壳结构在拱顶位置失稳,使其失去承载能力,地表出现较大的不均匀沉降,威胁该区域地表建(构)筑物的安全。基于此提出了长壁老采空区宏观应力拱壳注浆加固技术,并通过现场实测验证了该技术的合理性。(6)针对现有采空区注浆充填系统与工艺存在的问题及长壁老采空区空隙场分布规律,设计了一套采空区快速注浆系统与工艺,研发了与之配套的骨料添加装置和浆液面控制装置,并通过注浆效果证明了该系统与工艺的科学性。