随着社会和科技的全面发展，煤炭工业逐渐成为我国的支撑性产业。无线通信技术的不断成熟和传感技术的日益发展，将无线传感器网络推动到国民生产和日常生活的各个领域中。针对我国煤矿分布较为广泛和开采难度较大的特殊现状，无线传感器网络的到来将会对其产生划时代的意义。煤矿井下安监系统包括多种组成部分，时间同步作为其中基础组件技术之一，弥补了GPS及其他基础时间服务信号无法为井下工作提供时间信息的约束，为井下人员的安全和国家资源的保护提供可靠保障。传统时间同步算法虽然可以在较短时间内达到较高的同步精度，但却存在着同步误差随跳距积累、能耗大、容错性低等问题，不适用于煤矿井下的特殊应用。因此，在对无线传感器网络、井下开采和分布环境进行分析，以及对时间同步算法研究的基础上，提出了将煤矿井下无线传感器网络时间同步算法研究与实现作为本文的研究方向。首先，本文针对传统时间同步算法双向交换数据包以获得较高同步精度而导致过大能耗的现象，结合煤矿井下环境的特殊结构，在分析双向成对同步机制与单向广播同步机制的基础上，利用广播传输特性将两种算法有效结合起来，提出一种基于簇状结构的低功耗双向时间同步算法。并通过实验验证了算法的正确性，确定了该算法解决传统算法运用于煤矿井下能耗过大问题的可行性。其次，本文针对无线传感器网络对节点在精度、强壮性等方面的要求，结合传统时间同步算法在煤矿井下应用过程中对差错冗余度较低的问题，提出一种面向煤矿井下的无线传感器网络容错性时间同步算法。该算法结合井下特殊结构，在研究FTSP算法的基础上，运用动态选举根节点以及避免重复发送策略使得新加入节点得以快速收敛；结合无线传感器网络具有的拓扑动态变化性、以及通信过程中信道半双工性等特点，通过概率统计学中的残差分析理论，对线性回归算法进行改进和提升，从而利用差错判断来剔除阈值范围以外的数据点，减少其对拟合曲线的影响，抑制由异常数据点所引起的同步误差大幅度跳变，并在节点上对时钟漂移和偏移引起的误差进行补偿，对算法可靠性和容错性方面进行相应提升。最后，在由11个GainZ节点组成的时间同步测试平台上通过TinyOS操作系统进行实际的运行测试，并在同步精度、能耗、网络拓扑变化对同步误差影响的三个指标上与传统算法进行对比。实验结果表明：所提出的面向煤矿井下时间同步算法能够使用较低的能耗达到与传统算法相近的同步精度与收敛速度，且具有可适应无线传感器网络拓扑动态变化的健壮性，其精度和能耗均满足井下同步所需。