煤炭工業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱,煤炭消費(fèi)在一次性能源結(jié)構(gòu)中比重占60%以上。煤炭生產(chǎn)的地質(zhì)條件關(guān)系到煤礦安全生產(chǎn),而煤層中地質(zhì)異常是誘發(fā)煤礦安全事故的直接因素。隨著多年的煤炭生產(chǎn),煤炭開(kāi)采條件逐漸變得復(fù)雜和困難,常規(guī)地震勘探方法難以滿(mǎn)足高效安全開(kāi)采的地質(zhì)需求。因此,開(kāi)展高精度、高分辨率的勘探方法的研究,對(duì)實(shí)現(xiàn)煤礦井下精細(xì)化探測(cè)具有重要意義。槽波地震勘探方法是一種較為成熟方法,目前被廣泛應(yīng)用于煤層工作面的探測(cè)中。雖然槽波勘探方法具有其它勘探方法無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)和精度,但對(duì)于煤層小尺度異常以及其它異常體仍然表現(xiàn)不佳或無(wú)能為力。地震全波形反演作為一種高精度、高分辨率的地下介質(zhì)物性參數(shù)反演方法,是近年來(lái)地震成像領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。全波形反演利用了地震記錄中全部的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)信息,因而具有精細(xì)刻畫(huà)復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的能力。為解決煤礦井下精細(xì)化探測(cè)的問(wèn)題,本文引進(jìn)了全波形反演方法,探討在煤層槽波條件下反演的可行性與適應(yīng)性。通過(guò)對(duì)波動(dòng)方程有限差分正演、自由邊界條件、彈性波全波形反演基本理論、梯度計(jì)算、步長(zhǎng)求取、GPU并行加速、煤層常見(jiàn)異常體反演等方面進(jìn)行詳細(xì)探討,取得以下主要成果:(1)通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)二維起伏地表網(wǎng)格分類(lèi)方案進(jìn)行改進(jìn),實(shí)現(xiàn)了三維模型隧道或巷道全方位網(wǎng)格點(diǎn)分類(lèi)策略,解決了含煤層與巷道模型的巷道壁面波的產(chǎn)生問(wèn)題。(2)設(shè)計(jì)了基于單GPU的二維彈性波全波形反演實(shí)現(xiàn)方案,采用了波場(chǎng)重建方法解決了GPU顯存不足的問(wèn)題;對(duì)不同線(xiàn)程塊維度配置的計(jì)算效率進(jìn)行對(duì)比分析,找到了影響并行算法計(jì)算效率的關(guān)鍵因素;利用基于CPU并行和GPU并行的算法進(jìn)行對(duì)比研究,分別得到單GPU卡相對(duì)于單CPU與八核CPU正演計(jì)算和梯度計(jì)算的并行加速比。(3)設(shè)計(jì)了基于多節(jié)點(diǎn)多GPU的三維彈性波全波形反演實(shí)現(xiàn)方案。實(shí)現(xiàn)了基于模型域分解的并行策略,每一個(gè)子模型單獨(dú)利用一個(gè)GPU卡計(jì)算,子模型之間通過(guò)MPI進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,從而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)反演過(guò)程的雙重并行;實(shí)現(xiàn)了利用二維線(xiàn)程網(wǎng)格計(jì)算三維模型的并行計(jì)算策略,以解決線(xiàn)程塊共享內(nèi)存不足的問(wèn)題;通過(guò)對(duì)子模型邊界區(qū)域和內(nèi)部區(qū)域先后計(jì)算,采用多個(gè)CUDA流共同作業(yè),將子模型邊界區(qū)域節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)交流時(shí)間隱藏在計(jì)算中,從而實(shí)現(xiàn)了GPU粗粒度并行;通過(guò)對(duì)多GPU并行計(jì)算與單GPU并行計(jì)算進(jìn)行對(duì)比測(cè)試,得到了多GPU相對(duì)于單GPU并行加速效率。(4)對(duì)常見(jiàn)煤層異常體模型進(jìn)行理論反演發(fā)現(xiàn),全波形反演算法對(duì)煤層槽波的存在具有較好的適應(yīng)性和穩(wěn)定性,反演能夠較好地恢復(fù)陷落柱、斷層塊、夾矸層以及煤層彎曲構(gòu)造,反演結(jié)果達(dá)到較高的分辨率;對(duì)比反演結(jié)果也能夠認(rèn)識(shí)到,由于煤層的存在會(huì)對(duì)地震波的傳播產(chǎn)生限制,對(duì)于煤層中的異常體能夠較精確地反演,而對(duì)于圍巖中異常體,距離煤層越近反演分辨率越高,距離越遠(yuǎn)分辨率越低。(5)觀測(cè)系統(tǒng)和觀測(cè)方式對(duì)全波形反演結(jié)果有一定影響。通過(guò)對(duì)煤層中不同觀測(cè)系統(tǒng)的布設(shè)對(duì)反演結(jié)果的影響的研究表明,要想獲得更好的反演效果和保證較好的縱向(煤厚方向)分辨率,需要在煤層縱向上布設(shè)多條炮線(xiàn)或測(cè)線(xiàn),簡(jiǎn)單地說(shuō),炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)越多,空間分布范圍越大,反演效果越好。本論文的創(chuàng)新之處主要在于:(1)提出將三維彈性波全波形反演方法引進(jìn)到煤層槽波條件下地質(zhì)異常的探測(cè)中。煤層中斷層、夾矸、陷落柱、頂?shù)装迤鸱雀鞣N異常體理論模型的反演結(jié)果表明,全波形反演能夠適應(yīng)煤層槽波條件,反演結(jié)果較精確地刻畫(huà)三維小尺度構(gòu)造。全波形反演方法能夠?yàn)槊簩拥木?xì)化探測(cè)提供新的解決方案。(2)發(fā)展了傳統(tǒng)地表自由表面網(wǎng)格點(diǎn)分類(lèi)方案,使之能夠適用于三維隧道或巷道全方位自由表面網(wǎng)格點(diǎn)模型。(3)設(shè)計(jì)了基于多節(jié)點(diǎn)多GPU的三維彈性波全波形反演并行實(shí)現(xiàn)方案。方案中實(shí)現(xiàn)了線(xiàn)程級(jí)并行和任務(wù)級(jí)并行組合,線(xiàn)程塊優(yōu)化配置,共享內(nèi)存、寄存器等資源充分利用,最大程度發(fā)揮了GPU計(jì)算性能,極大地提高了三維反演問(wèn)題的計(jì)算效率。
【學(xué)位單位】：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：P631.4
【文章目錄】：
作者簡(jiǎn)歷
摘要
abstract
第一章 緒論
    1.1 選題的目的和意義
    1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在問(wèn)題
        1.2.1 槽波勘探技術(shù)研究現(xiàn)狀
        1.2.2 全波形反演研究現(xiàn)狀
        1.2.3 有限差分中GPU并行計(jì)算方法研究現(xiàn)狀
        1.2.4 存在的問(wèn)題
    1.3 主要研究?jī)?nèi)容
    1.4 論文的主要成果及創(chuàng)新點(diǎn)
    1.5 論文的章節(jié)安排
第二章 彈性波方程正演模擬
    2.1 彈性波方程及數(shù)值離散
    2.2 數(shù)值頻散及穩(wěn)定性條件
    2.3 CPML邊界條件
    2.4 自由邊界條件
    2.5 本章小結(jié)
第三章 全波形反演理論方法
    3.1 非線(xiàn)性反演理論
    3.2 梯度計(jì)算
    3.3 步長(zhǎng)估計(jì)
    3.4 多尺度反演
    3.5 波場(chǎng)重建
    3.6 本章小結(jié)
第四章 基于GPU的全波形反演算法并行實(shí)現(xiàn)
    4.1 CUDA編程模型
    4.2 單GPU2D全波形反演實(shí)現(xiàn)及性能分析
        4.2.1 并行實(shí)現(xiàn)
        4.2.2 性能分析
    4.3 多GPU3D全波形反演實(shí)現(xiàn)及性能分析
        4.3.1 并行實(shí)現(xiàn)
        4.3.2 性能分析
    4.4 2D彈性波全波形反演實(shí)例
    4.5 3D彈性波全波形反演實(shí)例
    4.6 本章小結(jié)
第五章 煤層地質(zhì)異常體成像
    5.1 煤層中主要地質(zhì)異常體
    5.2 槽波的形成
    5.3 槽波波場(chǎng)特征
    5.4 煤層地質(zhì)異常體反演
        5.4.1 模型及觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)置
        5.4.2 陷落柱模型反演
        5.4.3 斷層塊模型反演
        5.4.4 夾矸模型反演
        5.4.5 煤層起伏模型反演
    5.5 本章小結(jié)
第六章 結(jié)論與建議
    6.1 結(jié)論
    6.2 建議
致謝
參考文獻(xiàn)

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