目前 ，我国煤矿资源的开采正向机械化大产能、 大深度 、高效益迅速发展 ，如何在确保安全的前提 下实现安全 、高效 ，则面临越来越严峻的考验 。只 有加大煤矿在科学技术方面的应用研究 ，使煤矿实 现从机械化到数字化 、智能化的发展 ，才能做到安 全 、高产 、高效 。通过科学物探技术和有效的手段 实现工作面内部透明化 ，建立工作面三维地质模型， 在地面中进行模拟采煤 ，最终实现煤矿地面控制采 煤这一创新性的变革 ，进而推进煤矿的智能化开采， 使得煤矿生产更安全 、更高效 ，并提高经济效益和潜在的社会效益。
随着 《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》 （发改能源〔2020 〕283 号） 出台 ， 国家正在大力推 进煤矿智能化发展 ，其中“构建实时 、透明的煤矿 采 、掘 、机 、运 、通 、洗选等数据链条 ，实现煤矿 智能化和大数据的深度融合应用 ”要求在采 、掘之 前先要构建采煤工作面透明三维地质模型 ，实现采 煤工作面地质信息透明化 ，为智能化开采提供地质保障。
基于上述目标 ，笔者以陕西某煤矿 112204 工作 面为研究对象 ，采集研究区工作面井下地震资料， 通过理论分析和实际计算 ，结合全波形反演分析和 逆时偏移成像成果 ，对煤层顶底板进行有效识别， 采用以地震全波形反演手段为主的三维地质建模方 案 ，为工作面透明化提供技术保障 ，为煤矿智能化开采提供一种新的思路。
全波形反演技术优势
煤矿井下工作面构造探测方法中 ，传统探测方法具有较多不足之处 ，表现在钻探方法精度高 ，但 受制于钻孔密度和成本限制 ，无法在构建透明三维 地质模型中单独使用 ，且传统物探方法无法满足精 细探测要求 。 目前 ，煤矿井下探测地质构造的物探 方法主要有地震槽波法和无线电坑透法 。前者利用 地震槽波能量强 、传播距离远的特点进行探测 ；后 者利用低频无线电波的衰减变化进行探测 。相比较 而言 ，地震槽波法成像精度更高 、勘探效果更好， 但现有的地震槽波探测只能成像地质异常体在煤层 平面内的展布特征 ， 而对于煤层中复杂的地质体， 不仅需要知道地质体的平面位置 ，还要知道地质体 的空间展布特征 ，这就需要进行三维空间成像 ，就目前的地震槽波勘探技术来说难以实现。
地震全波形反演（FWI ）是一种高精度 、高分 辨率的地下介质物性参数反演方法 ，利用矿井地震 数据中的频率 、振幅和相位信息重构获得波动方程 中所描述的物性参数模型 ，具有高精度刻画地下物 性参数的能力（图 1）。将全波形反演方法应用于煤 矿井下工作面的勘探 ，克服断层 、陷落柱 、冲刷带 等异常地质构造对精细探测的影响 ， 同时能够解决 煤 、岩精准识别等问题 。地震全波形反演本质上是 一种优化方法 ，其目的是寻找一个最优的地下介质 模型 ，使得模型对应的模拟数据与实际观测数据达 到最优匹配 ，在拟合模拟数据和观测数据过程中， 包含了旅行时 、振幅 、相位等全量信息 ， 因而全波形反演方法能够得到高精度的反演模型。
图 1 断层槽波结果与地震全波形反演结果
全波形反演研究思路与技术方案
笔者以解决煤矿工作面三维透明化为目标 ，形成了一套基于全波形反演的三维地质建模技术 ，实 现高精度空间三维煤层顶底板反演成像 ，确保煤矿 安全生产和高效开采 。笔者通过地震全波形反演作 为技术手段 ， 以三维地质模型为核心目标 ，形成了 一套“正演模拟—梯度计算—模型更新 ”的反演流 程 ，建立了一套基于全波形反演的精准三维地质模 型研究方案 ，具体研究方案包括全波形反演研究思路（图 2）与反演技术流程（图 3）。
全波形反演算法通过减弱观测地震数据与模拟 数据之间的差值 ，对模型参数进行迭代更新反演， 具体关键内容包括： 通过求解三维弹性波动方程获 得模拟地震数据 ；根据目标函数推导模型参数的梯 度公式 ，并基于伴随状态法 ，通过正演模拟波场与 伴随波场的互相关实现梯度的高效计算 ；使用最优 化算法（拟牛顿法）， 计算模型参数的搜索方向 ；使 用线性搜索法 ，计算步长 ，实现对模型参数的更新。
图 2 全波形反演框架
图 3 全波形反演具体技术流程
笔者针对煤矿地质具体情况 ，主要包括正演模 拟 、子波估计 、梯度计算 、速度反演和逆时偏移成像共 5 个步骤 。研究方案与流程如下：
（1）根据采煤工作区的实际情况 ，建立合适的 三维坐标系统和高分辨率的网格。
（2）根据直达 P 波和 S 波的旅行时 ，建立初始 的三维弹性速度结构模型。
（3）实现基于 GPU（图形处理器） 加速的谱元 法三维弹性波正演模拟的算法和程序 ，对地震波传播进行精确和高效的模拟。
（4）设计了互相关旅行时 、包络和波形差目标 函数的联合反演策略 ， 以降低反演的非线性。
（5）从每炮地震数据中提取地震子波函数。
（6）开发程序对地震数据进行批量预处理 ，包括： 重新采样 、时间窗口选取 、去坏道 、带通滤波 和能量均衡（振幅归一化）。
（7）开发基于 GPU 的正演模拟 、地震数据处理 和全波形反演一体化程序平台 ，并将程序移植到国家天津天河超算系统 ，完成运行测试。
（8）基于伴随状态法计算梯度 ，并使用波场重 构法 ，减少对内存和硬盘的存储需求 ；对梯度进行 去除异常值和三维高斯平滑 ，可降低反演的病态性， 提高反演的稳定性 ；使用钻孔数据信息对反演进行正则化约束。
（9）将三维弹性波全波形反演算法与技术应用 于实际的三维地震数据 ，获得高分辨率的三维速度结构模型。
（10）基于速度结构模型 ，使用逆时偏移对地层 的结构进行高精度成像 。根据三维速度模型和成像 结果 ，预测煤层的顶底界面和其他地质体的三维空间分布。
地震波正演模拟是驱动全波形反演运行的“ 引 擎”。在反演中 ，需要大量求解三维弹性波动方程， 对计算精度和效率要求较高 。笔者采用谱元法作为 正演的基本方法 ，该方法基于弹性力学方程的弱形 式 ，具有高精度和灵活处理自由边界的优点 ，并且 非常适合在大型计算集群以及 GPU 图形显卡上并行 运算 。设计完成基于 GPU 技术的谱元法三维弹性波 正演模拟程序 ，并将程序移植至国家天津天河超算 中心的 GPU 集群 ，实现高精度 、高效的地震波正演 模拟（图 4）。全波形反演速度结构可较为准确地反 演煤层顶底板界面特征 ，在速度结构模型基础上进 行逆时偏移成像 ，成像结果可较为准确地识别煤层内部构造特征 ，为识别夹矸提供一种思路。
图 4 基于 GPU 加速的三维弹性波正演模拟的三分量波场快照
多源数据融合构建三维地质模型
三维地质建模的主要目标为研究区构造情况三 维透明化（包括： 陷落柱 、断层 、夹矸以及其他可 能存在的隐伏地质构造）； 研究煤层赋存情况、煤厚 变化情况及煤层顶底板高程起伏变化透明化 ；研究煤层裂缝发育情况及导水性透明化 ；研究工作面内、工作面上下含水层富水区域透明化 ；研究工作面瓦斯、地应力等信息透明化。
笔者基于全波形反演结果 ，综合区域背景 、地 面钻孔特征 、实测巷道剖面数据 、槽波速度和能量 等相关资料 ，确定以三维全波形反演结果为主 ， 以 槽波结果数据为辅 ，结合巷道实测和工作面钻孔信息矫正的多数据融合分析研究方案 ，对工作面三维构造开展模型研究 ，对煤层和其他地质体的空间展 布进行分析 。多数据融合的三维地震建模流程如图 5 所示。
三维地质模型构建重点包括数据整理 、格式转 化 、工区建立 、信息剔除 、网格划分 、算法选择、 参数确定 、数据融合 、构造成图 、断点调整 、模型 构建等步骤 。其中主要流程为 ：①对工作面区域地 质资料数字化 ，确定模型坐标体系和三维空间边界； ②确定模型 i、j 、k三方向的网格大小 ，确定模型总 网格数量 ；③基于钻孔和巷道实测等信息 ，选择合 适的算法并调整相关参数 ，通过残差平方并进行验 证 ，确定初始煤层顶底板界面 ；④通过槽波速度结 果反演出各煤层大致厚度 ，调整局部煤层顶底板位 置 ；⑤结合全波形反演纵波和横波速度结果 ，对钻 孔和巷道实测数据进行矫正 ，确定煤层顶底板及夹 矸空间位置 ；⑥采用局部多项式 ，控制变量以调整 相关参数 ，并将全波形反演结果作为主要输入数据， 将巷道实测数据作为矫正数据 ，完成最终三维地质 模型的建立 。笔者重点刻画不同地质体与煤层的空 间形态及其接触关系 ，采用角点网格为主 ，三角网 格为辅进行建模 (图 6)。
图 5 多数据融合的三维地震建模流程
图 6 角点网格与三角网格
实际应用
在陕西某煤矿 112204 工作面进行实际应用 ，采 集工作面井下地震资料 ，主要包括 P 波、S 波和槽波 等信息 ，采用频率段 [ 30 Hz ， 60 Hz] 内 ，使用旅 行时目标函数 ，对三维 P 波速度结构进行反演 。 由 于旅行时与速度参数的非线性关系较低 ，可避免周 期跳跃现象 ；将 P 波和 S 波分开反演 ，可减弱由多 参数串扰导致的噪声 ； 随后 ，在该频率段内分别使 用包络和波形差目标函数反演 ，可以进一步提高反 演的分辨率；最后使用 P 波、S 波和槽波对速度结构 进行反演 。根据多尺度反演策略 ， 笔者在频率段 [ 30 Hz ， 90 Hz]、 [ 30 Hz ， 120 Hz] 和 [ 30 Hz ， 150 Hz]， 重复使用同样的反演流程与算法 ，从低频 到高频逐步构建研究地下的速度结构 。低频信息可 反演速度的长波长背景结构 ，高频信息可构建地层 的高频短波长精细结构 。从结果可看出 ，P 波速度 结构可以较好地反映煤层特征 ：煤层为典型低速区 域 ，煤层发育稳定 ，呈现明显单斜特征 ，与矿区实 际情况基本一致 ，通过与巷道实测点进行对比 ，煤 层界面反演较为清晰 ，可以很好地指示煤层顶底板界面 ， 因此总体认为全波形反演的 P 波速度结构可以很好地反映煤层顶底板发育特征 。从反演结果可 看出 ，P 波波速度结构可较好反映煤层位置 ，顶底 板界面明显 (图 7— 图 9)。 总体来看 ，虽与巷道实 测数据存在一定误差 ，但基本可反映煤层走向 、倾 向和展布特征 ；此外 ， 由于地震信号在边缘处覆盖 次数有限 ， 因此边界处反映效果较差 。对比 PP 逆时 偏移成像结果剖面 (图 10 )， 逆时偏移成像结果明 显比速度结构体现更加精细 ，煤层中夹矸等更多细 节结构信息成像清晰。
图 7 三维 P 波速度结构模型(X：Y：Z= 1 ∶1 ∶8 )
图 8 三维 P 波速度模型各方向切片
图 9 P 波反演结果对比剖面
图 10 PP 逆时偏移成像结果对比剖面
采用 204 运输巷实测数据 ，根据速度反演和逆 时偏移成像结果定量分析 ，该巷道范围内实测有效点 共8个，依次对煤层顶底板进行统计分析 (表1—表 2)。对于煤层顶板 ， P 波速度结构差值极值为 1.72 m， 平均为 0.65 m； PP 成像结果差值极值 1.72 m ，平均 为 0.37 m (表 1)。 对于煤层底板 ，P 波速度结构差 值极值为−2.53 m ，平均为−1.24 m ； PP 成像结果差 值极值为−2.26 m ，平均为−1.28 m (表 2)。
表 1 运输巷中煤层顶板实测结果与速度反演、成像结果
表 2 运输巷中煤层底板实测结果与速度反演、成像结果
综合 4 组结果数据 ，实际可采用 P 波速度结构 确定煤层顶底板界面 ，采用 PP 逆时偏移成像结果刻 画夹矸展布特征 ，通过全波形反演技术可较为准确 识别煤层顶底界面 ，平均误差约为±1.00 m ，可为后 续三维地质建模提供数据支撑。
通过全波形反演结果对煤层顶板进行具体分析，全波形反演结果煤层顶板构造有效散点 9 017 个 ，底板 9 020 个 ，基于三维空间散点信息 ，采用局部多项 式插值算法 ，光滑网格密度为 1 m× 1 m ，得到光滑 的三维构造 ，根据反演数据的建模结果 ，煤层与夹 矸展布特征基本一致 ，夹矸“嵌入”于煤层中 ，研 究区呈现较为单一的单斜构造 ，在研究区 0 ~ 70 m 区间内 ，每隔 10m 做切片分析 ，可看出夹矸分布不 均 ，在 0 ~ 30 m 区间内夹矸发育较少 ，整体夹矸厚 度较薄 ；在 30 ~ 70 m 区间内夹矸明显增多 ，尤其在 工作面辅运巷道一侧夹矸明显偏多 ，整体夹矸厚度 较大 (图 11)。
图 11 研究区三维地质模型切片(X∶Y ∶Z= 1 ∶1 ∶8 )
通过结合全波形反演结果 ，在钻孔和巷道实测 数据校正下 ，确定研究区煤层顶底板三维空间分布，从建模结果可看出全波形反演结果煤层顶板构造趋势为“112203 辅运巷道高 、112204 运输巷低”的构 造格局 ， 局部存在一定小幅度饶曲 ， 主要发育在 112204 运输巷一侧 ，对于相同 Y方向而言 ，运输巷 海拔明显低于辅运巷道海拔 ，与前文切片展示结果 一致 ， 与该工作面整体地质背景符合 。综上所述， 研究区该工作面整体为明显的单斜构造特征 (图 12 、图 13)。
图 12 研究区煤层顶底板三维结构(X∶Y ∶Z= 1 ∶1 ∶8 )
图 13 研究区三维地质模型(X∶Y ∶Z= 1 ∶1 ∶5 )
通过全波形反演技术获得的 P 波速度结构模型 为煤层顶底板识别提供一种手段 ， 由于速度结构无 法很好识别煤层内部结构 ， 因此在速度结构基础上 进行逆时偏移成像 ，根据实际结果表明 ，逆时偏移 成像可较好反映煤层中夹矸分布情况 ，结合速度结构和成像结果可建立研究区三维地质模型 。综上所述 ，地震全波形反演技术为工作面三维地质模型构 建和工作面透明化提供了一种新的思路。
结 论
笔者通过理论与实际分析研究 ，得出煤矿工作 面中全波形反演在矿井中反演成像的具体研究方法， 基于原始井下地震数据 ，提取 P 波、S 波和槽波等数 据 ，选定适合进行全波形反演数据采集及成像的里 程段进行测试 ，确定合适波段的全波形反演参数， 反演确定研究区反演速度结构和逆时偏移成像模型， 以 P 波速度结构确定煤层顶底板界面 ， 以 PP 逆时偏 移成像确定夹矸空间展布 ，通过巷道与钻孔数据约束 ，建立工作面三维构造模型 ，最终形成一套针对
矿井工作面可行的基于全波形反演技术建立三维地 质模型的方法 。该方法对于提升工作面三维透明化 技术水平有积极意义 ，为构建三维地质模型提供了 一种新的思路 ，有利于后续煤矿智能化的开采。
