精准预测工作面的开采地质条件是确保矿山安全高效开采的前提,双巷或多巷间透射地震层析成像是一种行之有效的地球物理探查方法。现今矿井下所采用的二维透射地震成像技术对地质异常体的解释精度难以满足要求,开展起伏煤层三维空间的透射地震波场特征与反演成像技术研究,是提高工作面探查精度的重要方向。论文先以煤层工作面中地质构造异常为研究对象,建立了水平煤层和倾斜煤层中含有正、逆断层、褶曲组合和煤厚变化等地质构造的三维数值模型,总计19个。采用高阶交错网格有限差分方法模拟三维弹性地震波场,根据透射地震层析探测系统下的三分量地震模拟信号和地震波场的三维快照,分析了煤层倾角、褶曲、断层等地质构造异常的三维地震波场响应特征。通过对数值模型进行三维射线追踪模拟的方法,分析探讨了煤层中常见地质构造的透射体波速度特征;得出煤层工作面顶底板的高速岩层是透射地震体波的快速便捷通道,煤层顶底板产状变化是控制波速反演结果的结论。其次,针对煤层工作面透射地震波二维层析成像中存在的巷道起伏影响问题,将高程坐标加入二维地震速度层析成像方法中,将二维反演的平面模型改进为三维板状模型。拟三维透射地震成像技术,加入了巷道高程信息的同时不会加剧速度方程的欠定性,大大减弱巷道起伏的干扰。将拟三维射线追踪技术与时频分析技术相融合,开展了勒夫型透射槽波信号的频谱分析工作。采用遗传算法对实测频散曲线和反演模型进行迭代匹配计算,得到了煤层和顶底板岩层的横波速度在一定深度上的分布特征,并根据横波速度突变点可以定量解译煤层厚度。结合拟三维射线追踪和三维反投影技术,实现了起伏煤层条件下的工作面三维透射地震成像,得到煤厚在工作面内的分布信息和不同深度横波速度的三维空间展布特征。最后,通过三组三维数值模拟和两组物理模拟实验取得透射地震数据,对比分析三维透射地震成像结果和已知模型信息,验证了上述成像技术的可行性和有效性。将透射地震波成像结果从二维空间扩展成三维空间,不仅提高了成像精度和地质异常体的可视化程度,也为煤层工作面构造地质异常的精确解译提供了一条重要的技术途径。在现场实际应用过程中,该成像技术实现了煤层一定范围内的三维速度成像,较好地刻画出起伏煤层工作面内的地质构造和顶底板岩层特征。但也发现,煤层的复杂地质条件和顶底板低速泥岩层等因素会对成像结果产生影响,该成像方法在实际应用中的适应性有待持续的验证和总结。