矿山开采活动引发上覆岩层变形破坏是矿井灾害的根本诱因之一。采动覆岩移动形成的岩层结构,具有多尺度变形和大范围运动等显著的岩体力学特征,且围岩内部活动通常无法直接观测,具有明显的“黑箱”工程结构特性。分布式光纤传感技术以其高精度、大范围和内部测量的特点,实现了上覆岩层变形状态监测。然而,沉积类岩石宏观变形的光纤监测研究仍存在光纤传感器结构及系统、光纤与岩体协同变形和岩层变形特征光纤辨识等问题。如何利用光纤传感技术实现对采动覆岩变形规律和岩层结构演化特征的表征成为当前的研究重点,建立基于光纤测试参量的覆岩变形表征体系,将有效促进矿山压力与岩层控制创新技术发展和揭示大变形条件下的岩层移动规律,具有较高的学术意义和研究价值。本文通过理论研究、物理相似材料模型试验、数值模拟等方法,对岩层变形引起的光纤频移变化和基于频移变化度的岩层变形表征开展了以下工作:(1)提出了光纤频移变化度的概念,实现了光纤监测区段不同范围覆岩变形表征。建立了光纤频移变化度数学表达,分析了光纤频移变化度的影响因素和适用范围,光纤采样点个数越多、采样间隔越小、光纤传感器间距越小,覆岩变形光纤表征越准确。推导了光纤频移与覆岩结构演化特征的对应关系,建立了采场覆岩结构破断的光纤表征力学模型,实现了关键层砌体梁及固支梁结构的光纤表征。关键层处于固支梁状态时,光纤频移将呈单拱型分布;关键层处于砌体梁结构状态时,光纤频移将呈双峰型分布;关键层完全破坏大变形状态时,光纤频移将呈马鞍型分布。关键层破断时,中间受拉应力光纤频移峰值向前移动且增大,靠近及远离工作面受压应力光纤频移峰值也将增大。(2)建立了工作面来压光纤频移变化度表征模型。随工作面开挖光纤频移变化度曲线出现峰值时,工作面发生来压,光纤频移变化度大于20MHz可作为来压标志。通过工作面支承压力监测与光纤频移变化度来压表征结果对比,验证了光纤频移变化度表征工作面来压的正确性。揭示了物理模型试验工作面来压规律,提出工作面来压空间可靠度概念,揭示了不同覆岩区段光纤频移变化度对工作面来压表征的可靠程度。提出基于覆岩位移的工作面综合来压判别指标为2mm,与工作面来压光纤频移变化度表征结果基本一致。(3)建立了光纤频移对覆岩结构演化特征的表征关系,揭示了采动覆岩结构与光纤位置的动态响应关系,表征了覆岩三带范围。随工作面开挖光纤频移曲线呈“台阶”特征,工作面靠近垂直光纤时,光纤处于压应变先增大后减小状态;工作面通过并远离光纤过程,上覆岩层下部出现“一级台阶”状变化,随着工作面开挖出现“二级台阶”状变化,台阶越明显表明岩层运动越剧烈。建立了采动条件下关键层破断的光纤频移变化度表征模型,实现了关键层初次破断、周期性破断的表征,通过与覆岩结构破断表征力学模型进行对比,验证了表征关系的正确性。(4)通过深部巨厚砾岩大采高覆岩结构及演化规律光纤监测物理模型试验和数值模拟试验研究,建立了深部巨厚砾岩工作面来压光纤频移变化度表征关系。深部巨厚砾岩大采高工作面初次来压步距为640mm,周期来压步距平均为132mm;工作面来压光纤频移变化度平均表征距离为860mm,平均表征来压次数为7.5次。建立了垮落角光纤表征模型,随着工作面开挖,上覆岩层左侧垮落角为52-53°,右侧垮落角为53-61°。砾岩下部覆岩、巨厚砾岩、砾岩以上覆岩层工作面来压空间可靠度分别为78.6%、92.9%和57.1%,可采用巨厚砾岩段或砾岩以下覆岩光纤频移变化度对工作面来压进行表征。关键层初次破断距为1160mm,平均破断距为240mm,通过与关键层破断水平光纤表征对比,验证了光纤频移变化度关键层破断表征结果的正确性。通过数值模拟对比分析了覆岩三带范围演化及关键层破断特征,与物理相似材料模型试验覆岩三带范围和关键层破断结构光纤表征结果一致,进一步验证工作面来压及覆岩结构破断特征光纤频移变化度表征模型。