CO₂震源作为一种矿井地震勘探新型震源,激发过程中不产生明火和高温,克服了传统炸药震源在高瓦斯矿井限制使用的缺点,且该震源激发可与工作面煤层增透同步,无需额外施工激发孔,具有安全、便捷及无污染等特点。由于新型震源、透射地震勘探是煤矿井下地震勘探的研究热点,因此结合CO₂震源与回采工作面透射地震勘探开展地震波特征及其反演研究具有重要的理论意义和应用价值。本文从理论分析、数值模拟、现场试验三个方面开展研究,建立了岩-煤-岩的三层介质模型,分析了不同震源深度的CO₂震源激发地震波传播特征;针对不同CO₂震源泄压头出气口方向,开展了不同震源模式的有限差分数值模拟,由波场快照分析了地震波在介质中的传播特征,对正演的地震记录进行数据分析,得出波速、频谱、极化等特征。针对陷落柱模型三分量的CO₂震源激发下的陷落柱三维三分量数值模拟数据进行了纵波速度成像、槽波能量衰减成像,并在山西新元矿开展了CO₂震源透射勘探现场应用。研究结果如下:（1）单根储液管的CO₂震源激发的理论能量约为130g TNT当量,相比于常用药量的矿井炸药震源激发地震波振幅更强且频带更宽。由于CO₂震源的激发孔深度较大,突破了煤层松动圈的限制范围,可降低煤层松动圈对透射地震勘探的影响。（2）对于对称结构的三维层状模型,利用零相位雷克子波和现场数据提取的CO₂震源子波进行了有限差分模拟,雷克子波与CO₂震源子波在相同主频条件下,差异主要体现在不同类型波的波列长度,考虑到CO₂震源子波是根据现场数据提取而来,其夹杂了雷克子波不含有的噪声信息,故CO₂震源子波模拟得到的透射地震记录波列更长,与实际工作面透射记录更为贴近。（3）根据CO₂震源装置中的泄压头出气口的可变性,不同出气口的开孔方式选用相应震源力方向的震源模式进行三维数值模拟。点震源模式由于其的完全球对称性,在震源激发时只产生纵波,水平偶极子、竖直偶极子和Y轴单方向震源模式,在震源激发时就会产生纵波和横波。四种震源模式下,作为单方向力源的Y轴单方向震源模式的透射记录振幅最大,大小依次为Y轴单方向震源模式>水平偶极子模式=竖直偶极子>点震源模式。三分量数据中,点震源模式下不同类型波在其优势的偏振方向所对应的分量上能量强;水平偶极子震源模式下,X分量振幅能量要比Y、Z分量强;竖直偶极子震源模式下,Z分量振幅能量要比X、Y分量强;Y轴单方向震源模式下,Y分量振幅能量要比X、Z分量强。（4）对于陷落柱透射探测模型,CO₂震源子波正演的透射地震勘探三分量数据槽波能量在陷落柱区域衰减,其中Z分量槽波能量最强,反演结果中高衰减系数区域较为集中;纵波速度及槽波振幅的反演结果对陷落柱均有较好的识别效果。（5）运用数值模拟得出的结论,在山西新元矿对陷落柱进行了现场透射探测研究。实测的透射地震记录波形清晰,信噪比高,分层明显,按波速快慢分别为直达纵波、横波和槽波。数据经处理后进行反演,结果表明陷落柱构造区域呈现出高衰减、高速异常,这与数值模拟反演结论相一致,实证结果表明CO₂震源透射勘探在探测陷落柱等地质异常的可行性,摆脱了井下地震勘探对炸药的依赖,具有效率更高、安全、绿色环保等优势,对于指导煤矿安全回采生产具有重要意义。