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摘 要:以沉积学、煤岩学和煤相学理论为指导,运用煤相参数,结合宏观、微观煤岩特征分析煤相类型。结果表明:研究区宏观煤岩类型以暗淡型煤为主,显微煤岩类型以微镜惰煤为主,煤田西北部属潮湿-弱覆水环境,东南部属极潮湿-覆水环境;西北部煤层沼泽类型为干燥森林沼泽相,东南部以潮湿森林沼泽相为主,次为干燥森林沼泽相,沉积环境主要为浅沼相。综合分析认为,库姆塔格煤田煤层形成环境为低水位微弱水动力条件下、以潮湿森林沼泽为主、干燥森林沼泽次之的浅沼相,煤岩和煤相分析为聚煤环境分析、煤质评价、煤层对比等提供科学依据。
关键词:吐哈盆地;沙尔湖凹陷;库姆塔格煤田;西山窑组;煤相
煤相的概念最早由热姆丘日尼科夫提出,就是指成煤环境。后来Teichmuller M. 提出了新认识,即“煤相是指煤的原始成因类型,它取决于形成泥炭的环境”[1]。煤相分析的重点是煤岩特征,它是泥炭沼泽地貌、水文、植被、气候、水介质、沉积环境、构造条件等综合因素的反映[2]。煤质特征研究是确定煤在工业利用和评价开采利用过程中对环境影响的基础性研究,煤相研究是煤地质学研究领域的重要内容,在煤层形成机理、煤气勘探开发领域广泛应用。前人有关吐哈盆地的文献中多处论述了沙尔湖凹陷内煤田古地理、古构造、聚煤作用等[5-6],但对煤质、煤岩特征及煤相分析的研究较少。通过本次煤岩和煤相分析为聚煤环境分析、煤质评价、煤层对比等提供科学依据。
1 地质概况
吐哈盆地位于新疆东天山地区,大地构造位于哈萨克斯坦板块东南角,处于哈萨克斯坦、西伯利亚和塔里木板块的拼贴交汇部位,受多期构造运动影响,盆地内部被分隔成吐鲁番坳陷-了敦隆起-哈密坳陷,总体上呈EW向展布的空间格局。在此基础上,了敦隆起划分出了沙尔湖和大南湖2个凹陷,其中沙尔湖凹陷内分布有两个大型煤田,以脐山隆起为界,西为库姆塔格煤田,东为沙尔湖煤田(图1)。
吐哈盆地早—中侏羅世处于拉张发育阶段,主要发育冲积扇、三角洲、湖泊沉积体系[5-6],是重要的聚煤期。沙尔湖凹陷经过西山窑早期扇三角洲及前缘发育阶段后,西山窑中期该区转化为三角洲平原上的冲积扇-扇前洪泛洼地、湿地。此阶段泥炭沼泽的长期发育,形成了巨厚及特厚煤层,煤层分布较集中[8]。
库姆塔格煤田西山窑组含煤系数为0.94%~85.88%,平均32.23%。共见厚度大于等于0.80 m煤层1~17层,单孔见煤层累计最大厚度182.92 m,单煤层最大厚度140.25 m,全区可采煤层累计平均厚度为129.35 m。可采煤层共7层,C8煤层为主要可采煤层。C8煤层总厚度为8.60~182.92 m,平均厚度为128.18 m。
2 煤岩特征
本次研究煤样采自库姆塔格煤田6个钻孔,共采样97件(ZK1111孔19件、ZK907孔19件、ZK3232孔14件、ZK509孔15件、ZK1224孔16件、ZK1236孔14件)(图2)。对所采煤层煤样在样品制备之前,首先进行了煤的宏观特征描述和宏观煤岩类型划分,在实验室进行了煤样的显微组分和显微岩石类型的定量分析,煤中矿物质的X射线衍射半定量分析。煤岩光片制备按国家标准(GB/116773-2008)煤岩分析样品制备方法进行,煤的显微组分观察和定量分析按国家标准(GB/T8899-1998)进行。
2.1 煤的物理性质
煤的颜色为黑-褐黑色,为松软状,局部呈粉末状。煤层状态为层状-似层状,结构以条带状、线理状、均一状为主,弱沥青光泽,断口呈贝壳状,煤芯易风化染手。
2.2 宏观煤岩类型
宏观煤岩成分以暗煤为主,光泽暗淡,质地坚硬,韧性较强。含少量丝炭,具丝绢光泽,纤维状结构,呈线理状分布。亮煤少见,均呈条带状,光泽较弱,煤质硬度低,较软,易碎。
2.3 显微煤岩特征
显微煤岩类型以微镜惰煤为主,极少量的微镜煤,为湖泊环境(表1)。煤岩中的有机质组分与其分布位置有关,以镜质组含量为准,总体特征为东部含量比西部高,南部含量比北部高。
由表1可知:西北部(ZK1224、ZK1236)以惰质组为主,平均含量57.62%~58.19%,镜质组平均含量39.73%~40.57%,壳质组含量极少,平均0.04%~0.05%1;东南部以镜质组为主,平均含量58.49%~69.85%,惰质组平均含量23.54%~38.74%,壳质组含量极少,平均0.04%~0.68%2。惰质组多为丝质体和半丝质体,形态呈碎片状分布,少量碎屑惰质体;镜质组以基质镜质体为主,次为结构镜质体,含少量均质镜质体;壳质组为微量孢粉体和少量角质体。
许福美等将煤层划分为4种成因类型:Ⅰ类:V/I>4,强覆水环境;Ⅱ类:1 2.4 矿物成分
煤岩中矿物质含量低,多为粘土矿物,呈团块状及粒状分布,平均值为0.0~7.5%;次为碳酸盐类,平均值为0.0%~1.2%。
3 煤相特征
3.1 煤相指标
目前国际上普遍采用的煤相类型划分方法是基于显微组分定量统计的成因参数分析方法[10-17],包括结构保存指数(TPI)、凝胶化指数(GI)、地下水影响指数(GWI)和植被指数(VI)和搬运指数(TI)等 (图3,4,5)。
3.2 煤相分析 根据研究区内6个钻孔煤层样品显微煤岩组分定量分析结果,计算出煤相指标参数(表2)。应用TPI-GI相图、GWI-VI相图、T-D-F相图和A-B-C相图对煤层煤相类型进行划分。
3.2.1 TPI-GI图解
TPI-GI相图中ZK1224、ZK1236孔30个样品中有22件落在干燥森林沼泽区域内,占样品点的79%(图3)。ZK1236煤层顶部3个样品点落在较深覆水森林沼泽区域内,总体GI<1,3 3.2.2 GWI-VI圖解
GWI-VI相图中以VI=3为界(图4),44个样品点落在潮湿沼泽区域,53个点落在潮湿森林区域,其中ZK1224孔大部分样品VI值大于3,反映成煤植物倾向以木本植物为主,ZK509孔大部分样品VI值小于3,反映成煤植物倾向以草本植物为主。
全部样品GWI值均小于0.5,说明沼泽地下水位较低,水分补给差,养分供给充足,营养丰富,为富营养沼泽,为植物大量繁殖提供好的生长环境,对区内形成巨厚煤层创造了有利条件。
3.2.3 T-D-F图解
T-D-F相图表明:D组分含量很低,全部样品点都落在靠近T-F线上,ZK1224、ZK1236样品点集中靠近F区域,仅个别样品靠近T区域,表明沼泽类型为干燥森林沼泽相,与TPI-GI相图保持一致;其余钻孔同样基本分布于T-F之间。由表2可知,各孔T值表现为煤层顶、底部位置,少量样品T值较大,靠近T区域,绝大部分煤层样品点落于T-F中间部位,说明沼泽类型以潮湿森林沼泽相为主,次为干燥森林沼泽相(图5)。
3.2.4 A-B-C图解
A-B-C 相图表明:C值<0.2,含量极低;B值为0.15~0.35,平均为0.29;A值最大,为0.4~0.8,平均为0.67。绝大部分样品投点非常集中地位于A区域内,仅个别样品靠近B区域,表明沉积环境主要为浅沼相,处于浅水地带,植物的结构保存较完好。这与TPI- GI相图及GWI-VI相图所展现的沼泽环境相一致,同时搬运指数TI均小于0.1,反映沼泽水动力活动很微弱,说明其泥炭沼泽类型单一,沼泽环境也非常稳定,有利于形成巨厚的煤层。
据上述煤相分析表明,可认为煤层形成环境为低水位微弱水动力条件下、以潮湿森林沼泽为主、干燥森林沼泽次之的浅沼相。
4 结论
(1) 宏观煤岩类型以暗淡型煤为主,显微煤岩类型以微镜惰煤为主,为湖泊环境;西北部煤岩组分以惰质组为主,1/4 (2) TPI-GI与T-D-F相图表明:西北部沼泽类型主要为低水位干燥森林沼泽,晚期为较深覆水森林沼泽;东南部以潮湿森林沼泽相,次为干燥森林沼泽相;A-B-C相图则表明沉积环境为主要为浅沼相、次为湖沼-浅沼相。
(3) GWI-VI相图和搬运指数显示:沼泽地下水位较低,水动力活动微弱,为富营养沼泽,说明营养丰富,沉积环境稳定,有利于植物大量繁殖及泥炭的富集,是形成巨厚煤层的必要条件。
参考文献
[1] E.斯塔赫等著.斯塔赫煤岩学教程[M].杨起译.北京:煤炭工业出版社,1990.
[2] 周春光,杨起,康西栋,等.煤相研究进展[J].中国煤炭地质,1998,8(4):17-23.
[3] DIESSELCFK.On the correlation between coal facies and depositional environments[C]Newcastle: Newcastle University,1986:19-22.
[4] DIESSEL CFK.Utility of coal petrology for sequence stratigraphicanalysis[J].International Journal of Coal eology,2007,70(1/3):3-34.
[5] 邵龙义,高迪,罗忠,等.新疆吐哈盆地中、下侏罗统含煤岩系层序地层及古地理[J].古地理学报,2009,11(2):215-224.
[6] 曹代勇,邵龙义,张鹏飞.吐哈盆地早、中侏罗系聚煤期古构造[J].古地理学报,1999,1(2):46-52.
[7] CALDERJH,GIBBINGMR,MUKHOPADHAYPK.Peat formation in a Westphalian B pidemont setting.Cumberland Basin, NovaScotia: implication for the maceral-based interpretation of rheotrophic and raised Paleomires[J].BullSocGeol Fr,1991,162(2):283-298.
[8] 新疆地矿局第一地质大队.新疆吐鲁番一哈密聚煤盆地形成演化及聚煤规律[M].乌鲁术齐:新疆科技卫生出版社,1992. [9] 许福美,方爱民.山东兖州矿区太原组16号煤层煤相研究[J].煤田地质与勘探,2005,33(4):10-13.
[10] 许福美,黄文辉,吴传始,等.顶峰山矿区39号煤层的煤岩学与煤相特征[J].煤炭学报,2010,35(4):623-628.
[11] 代世峰,任德贻,唐跃刚,等.乌达矿区主采煤层泥炭沼演化及其特征[J].煤炭学报,1998,23(1):9-13.
[12] 代世峰,任德贻,李生盛,等.内蒙古准格尔黑岱沟主采煤层的煤相演替特征[J].中国科学:D辑:地球科学,2007,18(S1):119-126.
[13] 吴翔,吴建光,张平,等.沁源区块2号煤层煤相展布特征及对含气量的控制[J].煤炭科學技术,2017,45(4):117-122.
[14] 周璋,李守平.基于三道岭矿区含煤性的综合分析[J].科技成果纵横,2011(2):69-70.
[15] 张宇航,王德利.新疆准东煤田东部矿区西山窑组煤层煤相分析[J].山东国土资源,2017,33(7):17-24.
[16] 雷国明,周继兵,张东亮,等.准东煤田五彩湾矿区西山窑组巨厚煤层煤相研究[J].新疆地质,2012,33(3):347-340.
[17] 聂浩冈,赵峰华,李玉宏.浅析吐哈盆地侏罗纪煤的煤相特征[J].新疆地质,2016,34(1):144-149.
Abstract:Based on the theory of sedimentology,coal petrology and coal petrography,using the coal facies classificationparameter combined with macroscopic and microscopiccoal characteristics,coal facies types have been analyzed.The study results showed thatcoal type by lastre of study area were mainly dull coal,microlithotype were mainly vitrinertite. Through the ratio of vitrinite and inertinite,it can showed that the northwestern coalfield was moist-weak water overlying environment while the southeastern coalfield was very moist-water overlying environment.According to the analysis of coal facies,it is summarized that the swamp typewas dry forest swamp in the northwest while mainly wetforest swamp and secondarily dry forest swamp in the southeast,the sedimentary environment was shallow marsh.Through comprehensive analysis of the results, we conclude that the coal forming environment of Kumtag coalfield was shallow marsh lakemade up by mainly wetforest swamp and secondarily dry forest swamp under low water level with faint water power. The analysis of the coal petrology and coal facies also provided some basis for the analysis of coal forming environment, assessment and the comparison of the seams.
Key words:Turpan-Hami Basin;Shaerhu sag;Kumtag coalfield;Xishanyao formation;Coal facies
关键词:吐哈盆地;沙尔湖凹陷;库姆塔格煤田;西山窑组;煤相
煤相的概念最早由热姆丘日尼科夫提出,就是指成煤环境。后来Teichmuller M. 提出了新认识,即“煤相是指煤的原始成因类型,它取决于形成泥炭的环境”[1]。煤相分析的重点是煤岩特征,它是泥炭沼泽地貌、水文、植被、气候、水介质、沉积环境、构造条件等综合因素的反映[2]。煤质特征研究是确定煤在工业利用和评价开采利用过程中对环境影响的基础性研究,煤相研究是煤地质学研究领域的重要内容,在煤层形成机理、煤气勘探开发领域广泛应用。前人有关吐哈盆地的文献中多处论述了沙尔湖凹陷内煤田古地理、古构造、聚煤作用等[5-6],但对煤质、煤岩特征及煤相分析的研究较少。通过本次煤岩和煤相分析为聚煤环境分析、煤质评价、煤层对比等提供科学依据。
1 地质概况
吐哈盆地位于新疆东天山地区,大地构造位于哈萨克斯坦板块东南角,处于哈萨克斯坦、西伯利亚和塔里木板块的拼贴交汇部位,受多期构造运动影响,盆地内部被分隔成吐鲁番坳陷-了敦隆起-哈密坳陷,总体上呈EW向展布的空间格局。在此基础上,了敦隆起划分出了沙尔湖和大南湖2个凹陷,其中沙尔湖凹陷内分布有两个大型煤田,以脐山隆起为界,西为库姆塔格煤田,东为沙尔湖煤田(图1)。
吐哈盆地早—中侏羅世处于拉张发育阶段,主要发育冲积扇、三角洲、湖泊沉积体系[5-6],是重要的聚煤期。沙尔湖凹陷经过西山窑早期扇三角洲及前缘发育阶段后,西山窑中期该区转化为三角洲平原上的冲积扇-扇前洪泛洼地、湿地。此阶段泥炭沼泽的长期发育,形成了巨厚及特厚煤层,煤层分布较集中[8]。
库姆塔格煤田西山窑组含煤系数为0.94%~85.88%,平均32.23%。共见厚度大于等于0.80 m煤层1~17层,单孔见煤层累计最大厚度182.92 m,单煤层最大厚度140.25 m,全区可采煤层累计平均厚度为129.35 m。可采煤层共7层,C8煤层为主要可采煤层。C8煤层总厚度为8.60~182.92 m,平均厚度为128.18 m。
2 煤岩特征
本次研究煤样采自库姆塔格煤田6个钻孔,共采样97件(ZK1111孔19件、ZK907孔19件、ZK3232孔14件、ZK509孔15件、ZK1224孔16件、ZK1236孔14件)(图2)。对所采煤层煤样在样品制备之前,首先进行了煤的宏观特征描述和宏观煤岩类型划分,在实验室进行了煤样的显微组分和显微岩石类型的定量分析,煤中矿物质的X射线衍射半定量分析。煤岩光片制备按国家标准(GB/116773-2008)煤岩分析样品制备方法进行,煤的显微组分观察和定量分析按国家标准(GB/T8899-1998)进行。
2.1 煤的物理性质
煤的颜色为黑-褐黑色,为松软状,局部呈粉末状。煤层状态为层状-似层状,结构以条带状、线理状、均一状为主,弱沥青光泽,断口呈贝壳状,煤芯易风化染手。
2.2 宏观煤岩类型
宏观煤岩成分以暗煤为主,光泽暗淡,质地坚硬,韧性较强。含少量丝炭,具丝绢光泽,纤维状结构,呈线理状分布。亮煤少见,均呈条带状,光泽较弱,煤质硬度低,较软,易碎。
2.3 显微煤岩特征
显微煤岩类型以微镜惰煤为主,极少量的微镜煤,为湖泊环境(表1)。煤岩中的有机质组分与其分布位置有关,以镜质组含量为准,总体特征为东部含量比西部高,南部含量比北部高。
由表1可知:西北部(ZK1224、ZK1236)以惰质组为主,平均含量57.62%~58.19%,镜质组平均含量39.73%~40.57%,壳质组含量极少,平均0.04%~0.05%1;东南部以镜质组为主,平均含量58.49%~69.85%,惰质组平均含量23.54%~38.74%,壳质组含量极少,平均0.04%~0.68%2。惰质组多为丝质体和半丝质体,形态呈碎片状分布,少量碎屑惰质体;镜质组以基质镜质体为主,次为结构镜质体,含少量均质镜质体;壳质组为微量孢粉体和少量角质体。
许福美等将煤层划分为4种成因类型:Ⅰ类:V/I>4,强覆水环境;Ⅱ类:1
煤岩中矿物质含量低,多为粘土矿物,呈团块状及粒状分布,平均值为0.0~7.5%;次为碳酸盐类,平均值为0.0%~1.2%。
3 煤相特征
3.1 煤相指标
目前国际上普遍采用的煤相类型划分方法是基于显微组分定量统计的成因参数分析方法[10-17],包括结构保存指数(TPI)、凝胶化指数(GI)、地下水影响指数(GWI)和植被指数(VI)和搬运指数(TI)等 (图3,4,5)。
3.2 煤相分析 根据研究区内6个钻孔煤层样品显微煤岩组分定量分析结果,计算出煤相指标参数(表2)。应用TPI-GI相图、GWI-VI相图、T-D-F相图和A-B-C相图对煤层煤相类型进行划分。
3.2.1 TPI-GI图解
TPI-GI相图中ZK1224、ZK1236孔30个样品中有22件落在干燥森林沼泽区域内,占样品点的79%(图3)。ZK1236煤层顶部3个样品点落在较深覆水森林沼泽区域内,总体GI<1,3
GWI-VI相图中以VI=3为界(图4),44个样品点落在潮湿沼泽区域,53个点落在潮湿森林区域,其中ZK1224孔大部分样品VI值大于3,反映成煤植物倾向以木本植物为主,ZK509孔大部分样品VI值小于3,反映成煤植物倾向以草本植物为主。
全部样品GWI值均小于0.5,说明沼泽地下水位较低,水分补给差,养分供给充足,营养丰富,为富营养沼泽,为植物大量繁殖提供好的生长环境,对区内形成巨厚煤层创造了有利条件。
3.2.3 T-D-F图解
T-D-F相图表明:D组分含量很低,全部样品点都落在靠近T-F线上,ZK1224、ZK1236样品点集中靠近F区域,仅个别样品靠近T区域,表明沼泽类型为干燥森林沼泽相,与TPI-GI相图保持一致;其余钻孔同样基本分布于T-F之间。由表2可知,各孔T值表现为煤层顶、底部位置,少量样品T值较大,靠近T区域,绝大部分煤层样品点落于T-F中间部位,说明沼泽类型以潮湿森林沼泽相为主,次为干燥森林沼泽相(图5)。
3.2.4 A-B-C图解
A-B-C 相图表明:C值<0.2,含量极低;B值为0.15~0.35,平均为0.29;A值最大,为0.4~0.8,平均为0.67。绝大部分样品投点非常集中地位于A区域内,仅个别样品靠近B区域,表明沉积环境主要为浅沼相,处于浅水地带,植物的结构保存较完好。这与TPI- GI相图及GWI-VI相图所展现的沼泽环境相一致,同时搬运指数TI均小于0.1,反映沼泽水动力活动很微弱,说明其泥炭沼泽类型单一,沼泽环境也非常稳定,有利于形成巨厚的煤层。
据上述煤相分析表明,可认为煤层形成环境为低水位微弱水动力条件下、以潮湿森林沼泽为主、干燥森林沼泽次之的浅沼相。
4 结论
(1) 宏观煤岩类型以暗淡型煤为主,显微煤岩类型以微镜惰煤为主,为湖泊环境;西北部煤岩组分以惰质组为主,1/4
(3) GWI-VI相图和搬运指数显示:沼泽地下水位较低,水动力活动微弱,为富营养沼泽,说明营养丰富,沉积环境稳定,有利于植物大量繁殖及泥炭的富集,是形成巨厚煤层的必要条件。
参考文献
[1] E.斯塔赫等著.斯塔赫煤岩学教程[M].杨起译.北京:煤炭工业出版社,1990.
[2] 周春光,杨起,康西栋,等.煤相研究进展[J].中国煤炭地质,1998,8(4):17-23.
[3] DIESSELCFK.On the correlation between coal facies and depositional environments[C]Newcastle: Newcastle University,1986:19-22.
[4] DIESSEL CFK.Utility of coal petrology for sequence stratigraphicanalysis[J].International Journal of Coal eology,2007,70(1/3):3-34.
[5] 邵龙义,高迪,罗忠,等.新疆吐哈盆地中、下侏罗统含煤岩系层序地层及古地理[J].古地理学报,2009,11(2):215-224.
[6] 曹代勇,邵龙义,张鹏飞.吐哈盆地早、中侏罗系聚煤期古构造[J].古地理学报,1999,1(2):46-52.
[7] CALDERJH,GIBBINGMR,MUKHOPADHAYPK.Peat formation in a Westphalian B pidemont setting.Cumberland Basin, NovaScotia: implication for the maceral-based interpretation of rheotrophic and raised Paleomires[J].BullSocGeol Fr,1991,162(2):283-298.
[8] 新疆地矿局第一地质大队.新疆吐鲁番一哈密聚煤盆地形成演化及聚煤规律[M].乌鲁术齐:新疆科技卫生出版社,1992. [9] 许福美,方爱民.山东兖州矿区太原组16号煤层煤相研究[J].煤田地质与勘探,2005,33(4):10-13.
[10] 许福美,黄文辉,吴传始,等.顶峰山矿区39号煤层的煤岩学与煤相特征[J].煤炭学报,2010,35(4):623-628.
[11] 代世峰,任德贻,唐跃刚,等.乌达矿区主采煤层泥炭沼演化及其特征[J].煤炭学报,1998,23(1):9-13.
[12] 代世峰,任德贻,李生盛,等.内蒙古准格尔黑岱沟主采煤层的煤相演替特征[J].中国科学:D辑:地球科学,2007,18(S1):119-126.
[13] 吴翔,吴建光,张平,等.沁源区块2号煤层煤相展布特征及对含气量的控制[J].煤炭科學技术,2017,45(4):117-122.
[14] 周璋,李守平.基于三道岭矿区含煤性的综合分析[J].科技成果纵横,2011(2):69-70.
[15] 张宇航,王德利.新疆准东煤田东部矿区西山窑组煤层煤相分析[J].山东国土资源,2017,33(7):17-24.
[16] 雷国明,周继兵,张东亮,等.准东煤田五彩湾矿区西山窑组巨厚煤层煤相研究[J].新疆地质,2012,33(3):347-340.
[17] 聂浩冈,赵峰华,李玉宏.浅析吐哈盆地侏罗纪煤的煤相特征[J].新疆地质,2016,34(1):144-149.
Abstract:Based on the theory of sedimentology,coal petrology and coal petrography,using the coal facies classificationparameter combined with macroscopic and microscopiccoal characteristics,coal facies types have been analyzed.The study results showed thatcoal type by lastre of study area were mainly dull coal,microlithotype were mainly vitrinertite. Through the ratio of vitrinite and inertinite,it can showed that the northwestern coalfield was moist-weak water overlying environment while the southeastern coalfield was very moist-water overlying environment.According to the analysis of coal facies,it is summarized that the swamp typewas dry forest swamp in the northwest while mainly wetforest swamp and secondarily dry forest swamp in the southeast,the sedimentary environment was shallow marsh.Through comprehensive analysis of the results, we conclude that the coal forming environment of Kumtag coalfield was shallow marsh lakemade up by mainly wetforest swamp and secondarily dry forest swamp under low water level with faint water power. The analysis of the coal petrology and coal facies also provided some basis for the analysis of coal forming environment, assessment and the comparison of the seams.
Key words:Turpan-Hami Basin;Shaerhu sag;Kumtag coalfield;Xishanyao formation;Coal facies