煤炭工程 ›› 2026, Vol. 58 ›› Issue (4): 166-175.doi: 10.11799/ce202604020
基于机器学习的煤层瓦斯含量预测及SHAP可解释性影响因素研究
张永涛,陈 文,王小军,高丁丁,杨 飞,陈 旭,高成登
1. 陕西彬长矿业集团有限公司 大佛寺煤矿,陕西 咸阳 712000
2. 西安科技大学 能源学院,陕西 西安 710054
Prediction of coal seam gas content based on machine learning algorithms and the influencing factors of SHAP interpretability #br#
摘要:
为准确掌握煤层瓦斯含量及其影响因素,破解传统预测方法的局限性,本文以彬长矿区煤层瓦斯含量实测数据为基础,采用弹性网络(Elastic Net)、支持向量回归(SVR)、梯度提升决策树(GBDT)及极端梯度提升树(XGBoost)4种机器学习算法,构建煤层瓦斯含量预测模型; 同时引入SHAP可解释性算法, 验证机器学习模型的预测合理性,揭示输入特征对预测结果的影响机制,识别煤层瓦斯含量的主要影响因素。结果表明:4种预测模型中,GBDT模型的预测性能最优,其在测试集上的决定系数(R2)可达0.9956,具备良好的拟合精度与泛化能力;结合模型内置特征重要性与SHAP全局特征重要性分析发现,砂泥岩比和泥岩厚度是影响煤层瓦斯含量的核心因素,挥发分影响次之,埋深与基岩厚度的影响最小;GBDT与SHAP算法结合可有效捕捉各影响因素间的交互作用,且不同特征对预测结果的影响存在明显依赖性,其中砂泥岩比与泥岩厚度的交互作用突出,泥岩厚度与挥发分也存在明显的交互影响。基于GBDT与SHAP可解释性方法构建的煤层瓦斯含量预测模型兼具高精度与可解释性,能够有效识别瓦斯含量的关键控制因素及其交互关系,为矿井瓦斯含量精准预测与瓦斯灾害防治提供了新思路。
中图分类号: