煤炭工业是我国国民经济的重要支柱,煤炭消费在一次性能源结构中比重占60%以上。煤炭生产的地质条件关系到煤矿安全生产,而煤层中地质异常是诱发煤矿安全事故的直接因素。随着多年的煤炭生产,煤炭开采条件逐渐变得复杂和困难,常规地震勘探方法难以满足高效安全开采的地质需求。因此,开展高精度、高分辨率的勘探方法的研究,对实现煤矿井下精细化探测具有重要意义。槽波地震勘探方法是一种较为成熟方法,目前被广泛应用于煤层工作面的探测中。虽然槽波勘探方法具有其它勘探方法无法比拟的优势和精度,但对于煤层小尺度异常以及其它异常体仍然表现不佳或无能为力。地震全波形反演作为一种高精度、高分辨率的地下介质物性参数反演方法,是近年来地震成像领域研究的热点之一。全波形反演利用了地震记录中全部的运动学和动力学信息,因而具有精细刻画复杂地质构造的能力。为解决煤矿井下精细化探测的问题,本文引进了全波形反演方法,探讨在煤层槽波条件下反演的可行性与适应性。通过对波动方程有限差分正演、自由边界条件、弹性波全波形反演基本理论、梯度计算、步长求取、GPU并行加速、煤层常见异常体反演等方面进行详细探讨,取得以下主要成果:（1）通过对传统二维起伏地表网格分类方案进行改进,实现了三维模型隧道或巷道全方位网格点分类策略,解决了含煤层与巷道模型的巷道壁面波的产生问题。（2）设计了基于单GPU的二维弹性波全波形反演实现方案,采用了波场重建方法解决了GPU显存不足的问题;对不同线程块维度配置的计算效率进行对比分析,找到了影响并行算法计算效率的关键因素;利用基于CPU并行和GPU并行的算法进行对比研究,分别得到单GPU卡相对于单CPU与八核CPU正演计算和梯度计算的并行加速比。（3）设计了基于多节点多GPU的三维弹性波全波形反演实现方案。实现了基于模型域分解的并行策略,每一个子模型单独利用一个GPU卡计算,子模型之间通过MPI进行数据通信,从而实现了整个反演过程的双重并行;实现了利用二维线程网格计算三维模型的并行计算策略,以解决线程块共享内存不足的问题;通过对子模型边界区域和内部区域先后计算,采用多个CUDA流共同作业,将子模型边界区域节点间数据交流时间隐藏在计算中,从而实现了GPU粗粒度并行;通过对多GPU并行计算与单GPU并行计算进行对比测试,得到了多GPU相对于单GPU并行加速效率。（4）对常见煤层异常体模型进行理论反演发现,全波形反演算法对煤层槽波的存在具有较好的适应性和稳定性,反演能够较好地恢复陷落柱、断层块、夹矸层以及煤层弯曲构造,反演结果达到较高的分辨率;对比反演结果也能够认识到,由于煤层的存在会对地震波的传播产生限制,对于煤层中的异常体能够较精确地反演,而对于围岩中异常体,距离煤层越近反演分辨率越高,距离越远分辨率越低。（5）观测系统和观测方式对全波形反演结果有一定影响。通过对煤层中不同观测系统的布设对反演结果的影响的研究表明,要想获得更好的反演效果和保证较好的纵向（煤厚方向）分辨率,需要在煤层纵向上布设多条炮线或测线,简单地说,炮点和检波点越多,空间分布范围越大,反演效果越好。本论文的创新之处主要在于:（1）提出将三维弹性波全波形反演方法引进到煤层槽波条件下地质异常的探测中。煤层中断层、夹矸、陷落柱、顶底板起伏等各种异常体理论模型的反演结果表明,全波形反演能够适应煤层槽波条件,反演结果较精确地刻画三维小尺度构造。全波形反演方法能够为煤层的精细化探测提供新的解决方案。（2）发展了传统地表自由表面网格点分类方案,使之能够适用于三维隧道或巷道全方位自由表面网格点模型。（3）设计了基于多节点多GPU的三维弹性波全波形反演并行实现方案。方案中实现了线程级并行和任务级并行组合,线程块优化配置,共享内存、寄存器等资源充分利用,最大程度发挥了GPU计算性能,极大地提高了三维反演问题的计算效率。