中国矿产资源丰富，开采历史悠久，地下矿产资源采出后留下大量的采空区，特别是自20世纪80年代以来，中国矿业开采秩序较为混乱，非法、无规划的乱采滥挖现象严重，在一些国有矿山周边留下大量的不明采空区，致使矿山开采条件恶化，给矿山生产和安全带来严重影响。采空区按矿产被开采的时间，可分为老采空区、现采空区和未来采空区。矿体被采出后，自顶板开始由下向上依次垮落、断裂、离层、弯曲变形并在地表一定范围内形成下沉盆地。采空区上覆岩层按其破坏程度不同，从下到上大致可划分为“三带”：垮落带、导水裂隙带和弯曲带。采空区上方地表存在下沉和水平两种移动，倾斜变形、曲率变形与水平变形3种变形。地下开采地表移动分开始期、活跃期、衰退期3个阶段[1]。老采空区的移动主要应考虑衰退期结束后的地表移动，主要包括两个部分：①是已采块段对地表影响尚未结束的部分；②是采动碎裂岩体及上覆岩层在覆岩重力作用下逐步压实变形过程，此变形受上覆岩层地质环境条件的影响，如地下水的软化、风化及外部荷载影响等，使煤岩体强度降低，导致结构失稳，引起地表产生连续或非连续变形，这一时间过程往往比较漫长，由此带来一系列环境地质灾害问题，如山体边坡发生蠕滑而变形，甚至产生采空区大面积塌陷等，而塌陷区会导致地下水位下降以至枯竭、耕地破坏、生态环境恶化、道路变形破坏、房屋倒塌等，给矿区或穿越矿区的铁路、公路等工程建设留下很大隐患。
煤炭是中国的基础能源和重要原料，在一次性能源生产和消费构成中历来占70%左右，在国民经济发展中具有重要的战略地位。“煤为基础、多元发展”，是解决中国能源问题的基本方略，但在今后相当长的时间里，以煤炭为主体的一次能源结构不会改变。中国的煤炭消费量已由2005年的18.43×108t增长至2011年的37.27×108t，年均增幅达到12.45%，煤炭产量由2005年的21.13×108t增长到2011年的35.20×108t，年复合增长率为8.88%，预测“十二五”期间，全国煤炭需求总量仍将保持增长态势，到2015年中国煤炭需求总量将达到40×108t[2]。煤炭采出后导致上覆岩层移动和变形，岩体强度也会降低，在建筑荷载或列车动荷载作用下，甚至无建筑荷载或列车动荷载而由于其他地质原因作用下，有可能使老采空区重新“活化”，使冒落岩体再压密而导致地表产生新的移动和变形，甚至垮落，形成塌陷坑。采空区的存在对工程建设及地表建（构）筑物能产生潜在的安全威胁并具有以下特点：采空区特征难以弄清，其“活化”过程受多种自然因素和人为因素的影响并难以直接观察，采空区活化失稳破坏具有突发性，塌陷时间难以准确预计。
随着煤炭资源的大规模开发和利用，在给社会带来巨大的经济效益和社会效益的同时，也给矿山周围生态环境带来严重的伤害和破坏。采空区突然塌陷引发突发性地质灾害给人民群众财产和生命安全带来了巨大的经济损失和威胁，2011年7月28日，因连日强降雨，河北迁西县金信铁选厂红石崖嘴矿区职工宿舍发生地表塌陷，造成6人遇难。2007年8月29日凌晨3时许，陕西省神木县孙家岔镇边不拉煤矿矿井采空区发生塌陷引发地震，附近村民在睡梦中被惊醒。2005年12月26日13时05分，位于河南省安阳县都里乡林州市三鑫工贸公司都里铁矿，突然发生大面积塌陷，形成一个长约100m、宽约50m、平均深度6m的大坑。经勘验，这一地表塌陷区地下空洞是1992 年铁矿采空后留下的，塌陷与铁矿现采掘活动没有直接关系，在这起突发的地质灾害中，共有8人坠落、3人失踪。在晋城矿区，铁路从运营开始就受到了采空区的危害和影响，由于采空区本身还未稳定以及机车车辆动载的影响，线路经常处于不稳定状态，给行车安全带来了极大的隐患，1999年4月1日清晨，成庄线路巡道工发现DK2+600、DK2+800 路段又突然下陷长约12m，线路两侧田地出现多处最宽约10cm的裂缝，轨道几何尺寸发生严重变形，偏差极大，由于发现及时，迸行了迅速处理，防止了列车脱轨、颠覆重大事故的发生（图1.1）。位于四川省甘洛县境内的成昆铁路K309—K312段线路两侧存在大量铅锌矿，形成多处采空区，危及铁路安全要求，当地政府提前采取有效的预防治理措施后，确保成昆铁路的运营安全。随着矿产资源不断被开采，类似由于采空区的变形破坏给铁路安全运行带来隐患的报道还在增多。
图1.1 铁路附近采空区塌陷
铁路沿线采空区在火车动荷载的作用下更易引起地表变形和采空区塌陷，影响铁路路基的稳定性，是铁路运营必须解决的一个严重问题。首先威胁着铁路运输的安全，由于采空区本身未稳定以及机车车辆动载的影响，采空区沉陷不断发生，线路处于不稳定状态，给行车安全带来极大隐患；其次影响铁路运输效率，采空区的沉陷造成线路的不稳定，使行车不能按照规定的时间和速度要求行驶，运输生产效率受到严重的影响；再者增加铁路线路的维护保养难度和工作量，采空区地段线路极不稳定，且沉陷发生在时间和空间上都不能确定，因而线路的几何状态变化也变得复杂，很难控制和掌握，需要经常性地监测和维护。因此采空区顶板的稳定性问题作为铁路建设的不良地质问题已越来越突出。铁路线路是延伸性的建筑物，如果某一区段出了故障，全线通车将受到影响，如果不对地下采空区迸行稳定性评估及加固处理，就可能引起地表沉陷并降低路基的稳定性，给行车带来不安全因素。在地表的拉伸区，线路也发生拉伸变形；在地表的压缩区，线路亦发生压缩变形，将在钢轨内部产生拉应力或压应力，当钢轨内部的应力大于许用应力时，将在列车运行动荷载作用下，导致钢轨线路失稳造成列车脱轨事故[3，4]。
采空区是一种特殊的岩土工程对象，实际上是矿山开采沉陷学的延伸、拓广与发展，是开采沉陷学与岩土力学、土木工程、矿山地质、采矿工程、地下工程控制相结合的产物。因此，对老采空区顶板稳定性影响因素分析研究，迸而更合理的对采空区稳定性做出评价，不仅是对采空区迸行安全管理的前提和制定治理措施的依据，而且对保证铁路在设计使用年限内安全营运有着重要的理论和现实意义。