我国煤炭开采条件复杂,矿井安全事故频发,其中以煤矿瓦斯事故最为严峻。煤巷掘进工作面前方地质构造探查不明是煤与瓦斯突出事故频发的主要原因。目前,在矿井巷道采用地球物理方法进行瓦斯地质异常超前预报已成为研究热点,故基于地震波法围绕典型瓦斯地质异常(小断层)开展超前探测及诊断研究具有重要的理论及现实意义。建立了不同激发、接收点位置超前探测观测系统模型、中厚/厚煤层条件下掘进工作面前方不同小断层(正/逆、位置、落差)各向同性介质数值模型以及掘进工作面巷道高度与煤层高度差异的模型,考虑煤层空腔效应影响,基于全空间高阶交错网格算法进行了数值模拟计算,对比分析了不同激发、接收点位置、不同煤厚以及不同断层性质(正/逆、位置、落差)条件下小断层的地震波场特征,研究结果表明:1)震源在迎头位置激发时声波干扰较大,震源在迎头前方煤层内激发时,小断层的绕射波波形清晰,能量强,且绕射波波列短;2)接收点深度较浅时,巷道声波及顶/底板反射波干扰严重,小断层有效波信噪比低;接收点孔深为4m时,绕射波能量强,同相轴清晰,其中X水平分量有效波信号更佳;3)落差相对较大时可明显分辨断层上下盘断点绕射波;4)正/逆断层条件下,震源的位置会影响正/逆断层有效波信号的接收,其中逆断层有效波信号较好;5)厚煤层与中厚煤层超前探测相比,厚煤层条件下小断层有效波信号更优;6)中厚煤层沿顶/底掘进条件下,小断层同一断点两组能量较强的绕射波,分别是围岩体波、槽波传播到小断层断点的。在山西典型矿区煤与瓦斯突出矿井煤层掘进巷道开展了现场探测对比试验,结果表明利用地震波法超前探测技术可以通过振幅能量异变点诊断瓦斯地质异常位置,为煤矿安全高效掘进提供了技术保障。