断层是巷道掘进冒顶、突水及煤与瓦斯突出等重大灾害的重要隐蔽致灾因素。地震波法受干扰影响较小,适宜对巷道前方断层等进行探测。然而,煤巷工况环境复杂,横向偏移距极小,常规偏移成像方法难以准确构建断层模型。因此,从多波多分量角度出发,开展煤巷前方断层三维地震波场特征及精细成像的基础及实际应用研究,具有重要的理论意义和实践价值。本文针对煤巷前方断失煤层绕射波在时频域的极化特征,以理论分析、数值模拟、现场试验为研究方法,以实现煤巷前方断失煤层精细探测为研究目标开展研究,取得如下研究成果:(1)揭示了煤巷前方正、逆断层有效波差异特征。逆断层探测时,断失煤层绕射波先于煤层错断位置反射波到达检波器,两种类型的断层特征波在时间域易于识别,进而断失煤层绕射波极化分析与分离易于准确实现;正断层时,断失煤层绕射波后于煤层错断位置的各种反射波到达检波器,其与断层多种反射波发生混叠,断失煤层绕射波极化分析与分离困难。(2)提出了一种用于煤巷前方断失煤层高精度定位的极化成像方法。该方法利用广义S变换极化分析并计算断失煤层绕射波极化参数,通过检波器组合计算可能存在的绕射点并以其空间密度分布为衡量标准,对煤巷前方断失煤层进行收敛成像。(3)基于广义S变换时频极化分析的绕射波成像对极化参数的精准度要求较高,当极化参数准确时,成像结果精准;当极化参数存在偏差时,需结合其他断层特征波,多波联合成像也可实现精确定位。(4)实现了典型矿区煤巷断层超前定量探测。在典型矿区开展了现场试验,构建了超前断层探测模型,实证结果表明基于广义S变换极化分析的多波多分量超前成像方法可为煤巷安全掘进提供必要的技术参数。