煤层群开采在我国多数矿区普遍存在,如新汶矿区、平顶山矿区、西山矿区、淮南矿区、大同矿区、井陉矿区等。煤层群开采后其顶板多次损伤破坏,顶板结构及破裂范围与单层煤开采不同,破断的顶板将通过遗留煤柱向下传递压力,造成底部煤层工作面附近应力场发生改变,在下煤层开采时部分区域压力增大,工作面易出现压架、倒架等现象,而且可能会诱发冲击地压等动力灾害事故发生。大同矿区多个矿井属于侏罗系煤层开采,侏罗系赋存煤层较多,间距较小,且煤层顶板一般为坚硬的整体砂岩或砂砾岩,属典型的坚硬顶板条件下的煤层群开采。本文以大同矿区晋华宫煤矿开采为例,采用理论分析、室内试验、数值模拟及现场测试等研究方法,对多煤层开采覆岩结构演化规律及灾害防治进行了研究。论文主要研究内容及取得的创新成果如下:(1)通过岩石单轴压缩、三轴压缩及声发射试验,基于岩石破裂展布分形特征对Hoek-Brown强度准则进行了修正,得到了不同破裂条件下岩石试件表面裂纹的分维数,为揭示多煤层开采覆岩破裂演化力学机理奠定了基础。(2)采用相似材料模拟和基于修正Hoek-Brown准则的数值模拟,研究了多煤层开采顶板破断结构演化规律、下部煤层不同采高及间隔层厚度对上部坚硬岩层破裂演化的影响,阐明了不同开采条件下煤层群破断顶板新增范围及遗留煤柱应力传递规律。(3)针对晋华宫煤矿煤层群开采特点,建立了多煤层破断顶板结构演化模型;分析研究了下部煤层呈现“强矿压”的致灾机理,提出了不同煤层开采时破断顶板发育扩展高度预计方法,得到了“遗留煤柱-破断顶板结构”共同作用下工作面支护强度的计算公式,为多煤层开采顶板控制提供了依据。(4)通过对14#煤层工作面和超前支承压力进行监测,获得了多煤层开采时上部煤层遗留煤柱集中应力对下部工作面矿山压力的影响。(5)提出了相应的煤柱与底板卸压爆破方案,设计了合理的卸压爆破参数并在现场实施,通过电磁辐射及矿压观测结果验证了卸压爆破的有效性。