小尺度断层和陷落柱等隐蔽致灾地质体破坏煤层的连续性,易诱发瓦斯突出和采空区突水等事故,严重威胁煤矿生产安全.传统地震勘探方法以反射波为主,对隐蔽致灾地质体分辨率有限.本文提出基于曲波稀疏变换和平面波分解的多参数稀疏优化绕射波分离方法,能够解决在地震波场相交和相切情况下绕射波分离问题,并且分离的绕射波具有波形一致性和完整性.三维数值模拟测试结果表明,该方法能够有效消除强反射波对弱信号的屏蔽作用,分离出完整的绕射波/散射波,提高断层断点和散射点成像精度,其中极性反转成像特征可用于区分不同类型小尺度地质构造.山西阳泉煤业二矿九采扩区实际数据应用证实,本文提出的方法能够有效去除煤层强反射信息屏蔽作用,叠加剖面中绕射波的双曲形态可以质控绕射波分离可靠性.在利用绕射波成像资料解释时,结合反射波场成像结果提供的宏观地质背景,可更好揭示隐蔽致灾地质体,两者相辅相成.绕射波成像对陷落柱的边界形态和内部结构刻画更为清晰,对小尺度断裂的展布规律描述更准确,是一种高分辨率的地震波成像方法,在隐蔽致灾地质体探测上具有很大潜力,一定程度上为我国煤矿安全高效开采提供技术支撑.