發(fā)布時間：2020-11-11 14:46

　　 煤炭工業(yè)是我國國民經(jīng)濟的重要支柱,煤炭消費在一次性能源結構中比重占60%以上。煤炭生產(chǎn)的地質(zhì)條件關系到煤礦安全生產(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),煤炭開采條件逐漸變得復雜和困難,常規(guī)地震勘探方法難以滿足高效安全開采的地質(zhì)需求。因此,開展高精度、高分辨率的勘探方法的研究,對實現(xiàn)煤礦井下精細化探測具有重要意義。槽波地震勘探方法是一種較為成熟方法,目前被廣泛應用于煤層工作面的探測中。雖然槽波勘探方法具有其它勘探方法無法比擬的優(yōu)勢和精度,但對于煤層小尺度異常以及其它異常體仍然表現(xiàn)不佳或無能為力。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,是近年來地震成像領域研究的熱點之一。全波形反演利用了地震記錄中全部的運動學和動力學信息,因而具有精細刻畫復雜地質(zhì)構造的能力。為解決煤礦井下精細化探測的問題,本文引進了全波形反演方法,探討在煤層槽波條件下反演的可行性與適應性。通過對波動方程有限差分正演、自由邊界條件、彈性波全波形反演基本理論、梯度計算、步長求取、GPU并行加速、煤層常見異常體反演等方面進行詳細探討,取得以下主要成果:(1)通過對傳統(tǒng)二維起伏地表網(wǎng)格分類方案進行改進,實現(xiàn)了三維模型隧道或巷道全方位網(wǎng)格點分類策略,解決了含煤層與巷道模型的巷道壁面波的產(chǎn)生問題。(2)設計了基于單GPU的二維彈性波全波形反演實現(xiàn)方案,采用了波場重建方法解決了GPU顯存不足的問題;對不同線程塊維度配置的計算效率進行對比分析,找到了影響并行算法計算效率的關鍵因素;利用基于CPU并行和GPU并行的算法進行對比研究,分別得到單GPU卡相對于單CPU與八核CPU正演計算和梯度計算的并行加速比。(3)設計了基于多節(jié)點多GPU的三維彈性波全波形反演實現(xiàn)方案。實現(xiàn)了基于模型域分解的并行策略,每一個子模型單獨利用一個GPU卡計算,子模型之間通過MPI進行數(shù)據(jù)通信,從而實現(xiàn)了整個反演過程的雙重并行;實現(xiàn)了利用二維線程網(wǎng)格計算三維模型的并行計算策略,以解決線程塊共享內(nèi)存不足的問題;通過對子模型邊界區(qū)域和內(nèi)部區(qū)域先后計算,采用多個CUDA流共同作業(yè),將子模型邊界區(qū)域節(jié)點間數(shù)據(jù)交流時間隱藏在計算中,從而實現(xiàn)了GPU粗粒度并行;通過對多GPU并行計算與單GPU并行計算進行對比測試,得到了多GPU相對于單GPU并行加速效率。(4)對常見煤層異常體模型進行理論反演發(fā)現(xiàn),全波形反演算法對煤層槽波的存在具有較好的適應性和穩(wěn)定性,反演能夠較好地恢復陷落柱、斷層塊、夾矸層以及煤層彎曲構造,反演結果達到較高的分辨率;對比反演結果也能夠認識到,由于煤層的存在會對地震波的傳播產(chǎn)生限制,對于煤層中的異常體能夠較精確地反演,而對于圍巖中異常體,距離煤層越近反演分辨率越高,距離越遠分辨率越低。(5)觀測系統(tǒng)和觀測方式對全波形反演結果有一定影響。通過對煤層中不同觀測系統(tǒng)的布設對反演結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多條炮線或測線,簡單地說,炮點和檢波點越多,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到煤層槽波條件下地質(zhì)異常的探測中。煤層中斷層、夾矸、陷落柱、頂?shù)装迤鸱�等各種異常體理論模型的反演結果表明,全波形反演能夠適應煤層槽波條件,反演結果較精確地刻畫三維小尺度構造。全波形反演方法能夠為煤層的精細化探測提供新的解決方案。(2)發(fā)展了傳統(tǒng)地表自由表面網(wǎng)格點分類方案,使之能夠適用于三維隧道或巷道全方位自由表面網(wǎng)格點模型。(3)設計了基于多節(jié)點多GPU的三維彈性波全波形反演并行實現(xiàn)方案。方案中實現(xiàn)了線程級并行和任務級并行組合,線程塊優(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計算性能,極大地提高了三維反演問題的計算效率。
【學位單位】：中國地質(zhì)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：P631.4
【文章目錄】：
作者簡歷
摘要
abstract
第一章 緒論
    1.1 選題的目的和意義
    1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在問題
        1.2.1 槽波勘探技術研究現(xiàn)狀
        1.2.2 全波形反演研究現(xiàn)狀
        1.2.3 有限差分中GPU并行計算方法研究現(xiàn)狀
        1.2.4 存在的問題
    1.3 主要研究內(nèi)容
    1.4 論文的主要成果及創(chuàng)新點
    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
第三章 全波形反演理論方法
    3.1 非線性反演理論
    3.2 梯度計算
    3.3 步長估計
    3.4 多尺度反演
    3.5 波場重建
    3.6 本章小結
第四章 基于GPU的全波形反演算法并行實現(xiàn)
    4.1 CUDA編程模型
    4.2 單GPU2D全波形反演實現(xiàn)及性能分析
        4.2.1 并行實現(xiàn)
        4.2.2 性能分析
    4.3 多GPU3D全波形反演實現(xiàn)及性能分析
        4.3.1 并行實現(xiàn)
        4.3.2 性能分析
    4.4 2D彈性波全波形反演實例
    4.5 3D彈性波全波形反演實例
    4.6 本章小結
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 槽波波場特征
    5.4 煤層地質(zhì)異常體反演
        5.4.1 模型及觀測系統(tǒng)設置
        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
第六章 結論與建議
    6.1 結論
    6.2 建議
致謝
參考文獻

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本文編號：2879326