基于浅埋煤层采空区岩体应力空间分布特征严重影响煤矿地下水库的稳定运营,选取神东矿区拟建地下水库22615面为研究背景,采用相似材料模型实验模拟浅埋煤层采空区覆岩运动规律;根据薄板挠度弯曲理论和Winkler弹性地基板原理,推导关键层下沉轨迹函数微分方程;结合岩石压实变形特性,进一步建立浅埋煤层采空区岩体应力空间分布数学模型,并开展实例应用和现场验证。研究结果表明:浅埋煤层采空区岩体应力分布与覆岩运动密切相关,裂隙带岩层以走向中心线为对称轴呈"∪"形沉降,对应垮落带岩体应力则表现为"∩"形变化;运用模型计算22615面采空区低应力区、应力恢复区和应力平稳区的走向长度为12.02,60.13,856.64m,倾向长度为4.21,21.08,300.37m,岩体应力为0,0～1.41,1.41MPa,与现场实测数据最大偏差为20%,较好地验证模型的准确性,为煤矿地下水库矿压控制及库容设计提供理论依据。