为进一步开发煤炭资源而采用多煤层开采的方式,随着累计采厚的增大,多煤层开采过程中主关键层经历多次采动影响,主关键层结构的破坏将引起采场上覆岩层整体的变形破坏,同时决定上位岩层整体的结构形态。因此本文从多煤层开采过程中主关键层的受力变形出发,采用理论分析、数值模拟和相似材料模型实验相结合的研究方法,以乌苏海则井田2、3号煤层相距46.9m且覆岩中含有主关键层为工程背景,利用光纤传感技术对多煤层开过程中覆岩结构演化特征进行研究。计算并判别出上覆岩层中主关键层的位置,通过分析2、3号煤层顶底板岩性计算得出两层煤开采后导水裂隙带发育的最大高度,并建立了两层煤开采覆岩结构演化模型。采用FLAC3D软件对2、3号煤层开采过程中覆岩应力状态及塑性区的分布特征进行模拟。将FBG和PPP-BOTDA光纤传感技术联合应用于相似材料模型实验中,模型实验中首次采用温度补偿方法对FBG和BOTDA测试系统进行温度补偿,合理解决了温度变化对实验测试精度的影响;采用铁砂加载方式代替铁砖加载,有效控制了加载的准确性及连续性;此外,采用加热法对模型内部的光纤进行了定位,保证了光纤测试的有效性。在2m模型内埋设4根传感光纤和2个光纤光栅应变传感器,对多煤层开采主关键层由弯曲下沉发育至断裂过程中的应力应变进行感测。研究表明,2号煤层开采后主关键层及上位岩层处于弯曲下沉带中,连续变形未破断的主关键层阻碍裂隙向上位岩层发展;3号煤层开采后主关键层破断导致上覆岩层整体处于断裂带中,裂隙向上位岩层蔓延,导水裂隙带发育至洛河组含水层。模型实验中需要采用温度补偿方法对FBG光栅和BOTDA光纤测试结果进行补偿,铁砂加载方式相对铁砖加载更具有准确性,PPP-BOTDA分布式光纤感测技术能很好的监测岩层整体的运动规律和发展趋势,FBG传感器可以监测岩层关键点的运动情况,实现了对覆岩主关键层结构演化过程中整体及局部的实时监测,为乌苏海则井田安全生产提供依据。