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。