在当今世界,煤炭需求在所有能源需求中仍然处于前列,煤矿的安全开采是关乎到国计民生的重大课题。在煤矿安全事故中占比例较大的是顶板事故,其原因多为设备监测不完善,顶板支护方法不合理等,因此对顶板的监测刻不容缓。目前应用于煤矿顶板监测的手段多采用大地测量技术,位移传感器等,随着开采任务不断加重,开采难度不断提高,矿场大空间、大变形、时间跨度广、岩移范围大成为顶板监测中的难点,因此本文将一种分布式光纤传感技术应用于模拟煤矿顶板的监测中。本文的创新点是将分布式布里渊散射光时域反射技术(BOTDR)应用于煤矿顶板模型的监测中,提出频移相对变化度和沉降量平均变化度的数学模型,通过公式推导建立光纤应变与顶板形变的数学关系模型。本文主要研究内容有:(1)利用BOTDR技术对煤矿顶板进行变形监测研究。为模拟煤矿采掘过程制作1500mm×1000mm×1000mm(长×宽×高)类煤矿顶板的模型,将BOTDR监测系统应用于煤矿顶板三维立体模型试验中,并通过模拟煤矿开采过程进行频移监测和沉降量监测试验。制作光纤定点监测装置确定试验中采样点位置,制作多点沉降量测量仪,进行传统煤矿顶板监测系统与分布式光纤监测系统对比试验,试验结果显示分布式光纤监测技术是一种更可靠、准确和实时的监测方法。(2)根据光纤频移和应变关系,利用分布式光纤监测原理用光纤应变变化表征模拟顶板形变变化,并建立数学关系模型。提出频移相对变化度概念并建立数学模型,通过对整个光纤所在面两次频移变化差值进行均一化处理得到整个光纤所在面的频移变化,并以此表征煤矿顶板内岩体结构的变形和运动剧烈程度。并根据应变公式推导建立频移相对变化度和形变的数学关系模型。提出沉降量平均变化度概念并建立数学表达式,用于表征整个测量点所在面的平均沉降量。通过分析试验结果,对比沉降量和形变量数据得出两者变化整体上呈现一致性,但频移监测结果延时短、精准高。因此验证了分布式光纤传感技术用于监测顶板变形的可行性与可靠性,更适合工程应用的特点,非常符合地质和工程安全监测的应用需求。(3)通过试验数据分析,光纤频移能够表征煤矿顶板变形情况。模拟开采试验显示,采掘面不断靠近铺设光纤时频移值不断增加,远离监测光纤时布里渊频移值不断减小整体呈正相关。纵向频移变化规律自下而上呈现先增大后阶梯状不断减小趋势,即顶板的形变随高度的增加呈现台阶状变化。