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采煤工作面高精度探测技术——地震全波形反演技术  

采煤工作面高精度探测技术——地震全波形反演技术

地震全波形反演技术是北京中矿大地为满足煤矿智能化建设、实现井下透明地质保障所开发的、具有国际领先水平的高精度三维地质建模技术。


地震全波形反演技术的优势与特点           

三维空间成像
对煤层顶、底板的起伏变化精细成像,刻画煤层中异常构造三维空间特征。
高精度
准确识别落差小于1/3煤厚的断层、厚度变化幅度小于 1/3 煤厚的煤层变薄区、冲刷带、剥蚀带及直径小于10 米的陷落柱等地质异常构造及煤层与围岩的识别。
低成本
结合矿井地质数据,无需高密度钻孔即可实现亚米级高精度。


技术简介                                                 

全波形反演(FWI)技术基于弹性波动方程的数值求解,利用地震记录中的运动学和动力学信息,对地下介质的岩石物性参数(如速度和密度)迭代反演,具有高精度、高分辨率优势,有能力解决小尺度异常构造成像问题,能对煤层顶、底板的起伏变化精细成像,刻画煤层中夹矸的三维空间特征,有利于识别断层、陷落柱、挠曲、采空区等地质构造。因此,FWI 能够精细反映三维地质构造,适合于采煤工作面透明化,为煤矿智能化开采提供高精度三维地质模型。

该技术申请并获得国家发明专利3项,发表核心期刊论文3篇。经过实践检验效果优异,具备“国际领先水平”,并获2022年煤炭行业科技进步二等奖。


地震全波形反演技术流程框架                  
发展了“正演模拟-梯度计算-模型更新”的全波形反演流程,形成了分频多尺度策略,分别使用低频和高频数据构建长波长和短波长三维弹性速度模型。

地震全波形反演技术方案                       
不同煤层条件采用不同观测系统
根据采煤工作面巷道分布、煤层厚度、结构及构造发育特征,选择单巷道反射观测、双巷道透射观测、包含联络巷 U 型和回形观测;煤层深度方向布置不同数量的测线接收地震三分量信号。

采用P波、S波和槽波多波联合反演算法
设计不同类型异常体模型进行正演模拟、反演拟合;
针对频谱分析、频散特性、以及波场类型,设计不同的目标函数对比反演效果;
含巷道和不含巷道模型对比分析,降低巷道壁面波对反演结果的影响;
根据上述实验选择全波形反演最优参数和算法,对实测地震数据进行精确反演。

采用基于 GPU 集群的三维时间域弹性波全波形反演算法
地震全波形反演过程中需要进行大量计算和数据存储。技术应用世界领先的天河超级计算机,采用模型域分割实现多个 GPU 并行计算;采用 CUDA 和 MPI 并行实现多节点多 GPU 并行;采用 CUDA 流、GPUDirect、NVLink 等 GPU先进技术提高反演计算效率。

 

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