主要特征
矿物组成
煤炭是一种由有机物和无机物组成的复杂混合物，[9]煤炭中无机物含量很少，主要是水分和无机盐。[6]构成煤炭的无机元素多达数十种，例如，钙、镁、铁、铝等，它们通常以无机盐的形式出现，另外铝、钙、镁、钠、钾也常以硅酸盐形式存在，铁还能以硫化铁和氧化铁等形式出现。[9] 煤的大分子结构
煤炭的有机质主要由碳、氢、氮、氧和硫等元素构成，此外还有极少量的氟、磷、氯和砷等。碳、氢、氧等三种元素含量占煤炭有机质主体的95%以上，含碳量越高说明煤化程度越高[6]煤炭的有机质是复杂的混合物，它由大量相对分子质量不同、分子结构相似但又不完全相同的“相似化合物”组成。煤的有机质大致可以分为两部分：其一被称为大分子化合物，是以芳香结构为主的环状化合物；其二被称为低分子化合物，是以链状结构为主的化合物。第一种是煤有机质的主体，大约占煤炭有机质总量的 90%以上；第二种含量较少，主要存在于煤化程度较低的煤中。[13]煤的分子结构通常是指煤中大分子芳香族化合物的结构，这些大分子芳香族化合物通常是一些结构相似的“基本结构单元”桥接而成。这种基本结构单元由规则部分和不规则部分组成，规则部分是由几个或十几个环状化合物缩聚而成，被称为基本结构单元的核（芳香核）；不规则部分是连接在核周围的烷基链以及多种官能团。煤化程度越高，构成核的环数越多，而和周围的侧链和官能团越少。煤的结构单元通过桥键形成相对分子量大小各异的高分子化合物。下面列举几种煤的结构单元图示：[2] 煤炭的结构模型
煤炭的结构模型包括煤的化学结构模型、煤的物理结构模型和煤结构的综合模型。[2] 通过煤的化学结构模型可以了解煤在气化、液化等转化过程中的化学反应原理，表达煤炭分子的化学组成与结构。常见的煤的化学结构模型有五个，分别是：Fuchs模型、Given模型、Wiser模型、本田模型、Shinn模型。[2]
煤的物理结构模型可以用来解释煤的物理结构和分子间的联系。煤的物理结构影响到煤的很多物理特性如硬度、压缩性、萃取性以及扩散与质量传递等性能。煤的物理结构模型可以解释煤炭中非共价键相互作用的存在及其对煤分子聚集态的影响。较有代表性的物理结构模型有Hirsch模型和两项模型。[2]
煤结构的综合模型同时兼顾了煤的分子结构和空间构造，也就是说它是煤的化学结构模型和物理结构模型的综合体。这类模型常见的有Oberlin模型和球（Sphere）模型。[2] 物理特性
煤炭的物理性质取决于成煤的原始物质及其聚积条件、转化过程、煤化程度、风化程度、氧化程度等因素，包括颜色、光泽、粉色、密度、硬度、脆度、断口及导电性等。煤炭一般呈褐色到黑色，呈沥青、玻璃和金刚光泽，条痕色（亦称粉色）呈浅棕铯到黑色。煤化程度越高，颜色和条痕色越接近黑色，光泽越强。[4] 煤炭的密度是指单位体积煤的质量，单位为g/cm³或kg/m³。煤的密度可以用三种表示方法，即真密度、视密度和堆积密度。煤的真密度是指在20℃时单位体积(不包括煤中所有孔隙)煤的质量与同温同体积水的质量之比，用符号TRD表示。褐煤的真密度为1.30-1.40g/cm3，烟煤为1.27-1.33g/cm3，无烟煤为1.40-1.80g/cm3。视密度是指在20℃时单个煤粒的质量与外观体积(包括煤的孔隙)之比，代表符号是ARD。褐煤的视密度为1.05-1.30g/cm3，烟煤为1.15-1.50g/cm3，无烟煤为1.4-1.7g/cm3。堆积密度是指在20℃时装满容器的煤粒的质量与容器的容积比，代表符号是BD。煤的堆积密度一般为0.5-0.75g/cm3。[4][5]
煤炭的硬度是抵抗外来机械作用的能力，与煤炭的煤化程度有关，褐煤和焦煤的硬度最小，只有2-2.5，无烟煤硬度最大，可接近4。脆度是煤炭受外力作用而破碎的程度。在不同变质程度的煤炭中，常焰煤和气煤的脆度较小，肥煤、焦煤和瘦煤的脆度较大，无烟煤脆度最小。[4]
煤炭的比热容受含水量和灰分的影响，[8]在室温下的比热容一般为0.84-1.67J/（g·℃）。[5]煤炭的导热性不好，煤炭的燃点跟种类有关，褐煤燃点250-450℃，烟煤300-400℃，无烟煤440-500℃。 [8]煤炭导电率通常用电阻率来表示，褐煤电阻率较小，烟煤是不良导体，烟煤向无烟煤过度时，随着煤化程度升高，电阻率减小，无烟煤是电的良导体。[4]
形成原因
煤炭是埋藏在地下的古生植物在地下受到地热高温、高压和细菌的作用，经过几千万年乃至几亿年的炭化过程，释放出水分、二氧化碳、甲烷等气体后，逐渐演化形成的可燃性固体矿物。[9]从植物经过一系列变化转变为煤的演变过程和该过程中所发生的各种作用，称为成煤作用。[14] 在地质历史中，形成煤炭资源的时期，被称作聚煤期或成煤期，[14]全球范围内有三个比较大的成煤期。[6]首先是是是古生代的石炭纪和二叠纪，此时成煤的植物主要是孢子植物，煤种主要是烟煤和无烟煤。第二个是中生代的侏罗纪和白垩纪，这一时期的成煤植物主要是裸子植物，煤种主要是褐煤和烟煤。第三个是新生代的第三纪，形成煤炭的植物变成被子植物，煤种以褐煤为主，也有少量泥炭和烟煤。[6] 煤的形成主要经历泥炭化作用（泥化作用）和煤化作用两个阶段。泥炭化作用是指高等植物遗体在沼泽中经生物化学变化转变为泥炭的过程。[6]在煤化作用阶段，泥炭或腐泥在压力和温度等因素的影响下，逐渐转变为褐煤，褐煤经变质作用转变为烟煤或无烟煤。[14]整个成煤过程见下图： 分布区域
煤炭是一种在地球上储量丰富、分布地域广的化石燃料，全世界煤炭资源量为136093亿吨。[6][10]虽然煤炭分布遍及各大洲，但是仍然不均衡，全世界蕴藏量最大的煤矿，集中分布于北半球的中纬度地带。[12][10]全球有两大聚煤地带，一条横贯亚欧大陆，西起英国，向东延申，经过德国、波兰、俄罗斯直到中国的华北地区；另一条呈东西走向分布在北美洲中部，包括美国和加拿大。南半球产煤代主要在温带地区，如澳大利亚、南非等，另外南极洲也蕴藏了大量煤炭资源。[10]世界上主要产煤国为中国、美国、印度、澳大利亚和印度尼西亚，[3]中国和美国两个国家在煤的生产中长期占据主导地位，他们的煤产量之和占世界总产量的一半以上。[12]主要煤炭出口国有印度尼西亚、俄罗斯、澳大利亚、哥伦比亚和美国。主要煤炭进口国有中国、印度、日本和韩国。[3] 分类
按照加工方法和质量规格可将煤炭分为原煤、精煤、粒级煤、洗选煤和低质煤。按照使用目的可将煤炭分为动力煤和炼焦煤。动力煤又分为发电煤、蒸汽机车用煤、建材用煤、一般工业锅炉用煤、生活用煤和冶金动力用煤。[4]按照煤的形成阶段和炭化程度可将煤炭分为无烟煤、烟煤、褐煤和泥炭，泥炭形成年代只有200万年，是最年轻的煤炭，褐煤变值程度低于烟煤和无烟煤。[15]烟煤又分为贫煤、贫瘦煤、瘦煤、焦煤、肥煤、1/3焦煤、气肥煤、1/2中粘煤、弱粘煤、不粘煤和长焰煤。[16]按照成煤植物和聚积环境可将煤炭分类为：腐殖煤、腐泥煤和腐殖腐泥煤。[2]
应用历史
先民使用煤炭的传说
山西平定自古流传着女娲用煤炼石补天的传说，明代学者路深结合该传说和当地烧“塔火”的习俗，写了《浮山遗灶记》，文章认定女娲用煤来炼石补天。《山海经》中将煤称作“石涅”，并记载了几处产地。[2]晋人王嘉在《拾遗记》中记载人们在夜间点燃一种叫做“燃石”的石头来照明，并且说到这种石火就是炎帝变生食为熟食所用的火。此外大同地区还有流传着天火把石头点燃，人们受到启发，认识到当地的黑色石头能燃烧，可用作燃料的传说。这些传说反映了古人利用煤炭起源的推测与判断[17]
发现历程
古人对煤炭是发现是从用火开始的。露天而零散的煤炭遇火源便会燃烧，甚至还可能自燃，人们从中受到启发而发现煤炭的可燃性。[17]中国是最早发现和使用煤的国家，在新石器时代就已经开发和使用煤炭，生产煤精制品的历史开始于7000年前，辽宁新乐的古文化遗址和陕西的周墓中都发现过煤制工艺品。[14]《墨子》一书将煤称作“每”，并且提出在战争中可以利用煤炭燃烧产生的烟雾来克敌制胜。[17]
开采历史
先秦时期，古代中国人已经发现并开采使用煤炭。秦汉至南北朝时期，中国煤炭开发逐步走向成熟，使用区域明显变广，开采初具水平，应用范围扩大到冶铁行业，加工技术有了明显进步。[17]隋唐到宋元时期，中国煤炭的开发利用取得了长足进步，煤炭应用广泛普及，出现了土法炼焦技术，官方开始重视煤炭开发，开采技术日臻完善。到了明清时期，中国古代煤矿开发利用达到了鼎盛阶段。煤矿行业的管理和技术都达到了较高的水平。明朝人宋应星在《天工开物》一书中对煤炭的产地、分类和开采技术进行了详细的记载（如下图）。[14] 古希腊和古罗马也是较早使用煤炭的国家，公元前300年，古希腊学者泰奥弗拉斯托斯在《论石》一书中记载了煤的性质和产地；古罗马大约2000年前已经开始用煤加热。[6]
应用领域
煤炭的应用可分为三大类别：提供动力、炼焦、煤化工。[11]
提供动力
广义上讲，以发电、机车推进、建材用煤等为目的，用于产生动力的煤都属于动力用煤。动力煤的种类主要包括：褐煤、长焰煤、不粘煤、弱粘煤、贫煤和气煤等六种[18]动力煤首先用于火力发电，即利用煤的热值，把热能转化为电能，电厂每发一度电标准煤的用量是370g。[6]其次是用于蒸汽机车。随着经济社会的发展，燃煤的机车越来越少。[11]第三是用于建材，其中以水泥消耗煤量最大，其次是玻璃、砖、瓦等。[4]第四用于为一般锅炉，一般企业及采暖用锅炉数量大且分散，主要有层燃炉、悬燃炉和沸腾炉。[6][11]第五，生活用煤主要原因家庭取暖和烹饪，要求具有易燃、上火快、发热量高、硫低、火旺耐烧、着火点低和使用方便等特点。[12]第六，煤炭用于冶金，主要是作用是烧结和高炉喷吹，一般采用无烟煤。[4]
用于炼焦
焦煤种类包括气煤、肥煤、主焦煤、瘦煤等。[4]焦煤主要用途是炼焦炭，一般1.3吨左右焦煤才能提炼出一吨焦炭。焦炭是炼钢的主要生产原料之一，被称作钢铁工业的“基本食粮”。[6]
煤化工
煤化工是以煤炭为原料，经化学反应将煤炭转化为气体、液体、固体燃料及其他化学品，生产出各种化工产品的工业。煤化工可分为传统煤化工和现代煤化工，传统煤化工以煤焦化、煤电石和煤合成氨为主；现代煤化工以生产清洁能源和可替代石油化工的产品为主，包括煤制甲醇、煤制烯烃、煤制天然气、煤制乙二醇等。[19]
制造电石。电石生产是传统煤化工的典型性代表，其工艺是将生石灰和焦炭在电炉内加热到2200℃高温，可发生反应生产电石（CaC2）。电石可产生乙炔，用于金属切割；此外，电石也是重要的化工原料，可用于制造塑料、合成纤维、合成橡胶、化肥和农药等。[11]
现代煤化工具有装置规模大、技术集成高、煤炭资源利用率高等优点，在石油价格波动较大，总体攀升的背景条件下，可以缓解石油供应紧张的问题。实际上传统煤化工和现代煤化工的发展是相互交融的，即利用传统煤化工的初级产品进行后续现代煤化工的加工。[20]
开采与优化
煤炭的开采
煤炭开采工艺主要有露天开采和井工开采两种，露天开采主要是移走煤层上覆盖的岩石及覆盖物，开采显露的煤层；井工开采涉及掘进、采煤、通风、排水、瓦斯抽放、运输、提升等基本环节。[21]
露天开采工艺可根据矿物的流动特点分为间断工艺、连续工艺和半连续工艺。他们的共同特点是均包含岩石剥离、煤炭挖掘和煤炭运输三个环节。[21]
井工开采由主要生产、附属生产、辅助生产三大系统组成，主要生产系统由掘进系统、采煤系统、通风系统、排水系统、运输系统、机电系统等六大系统及安全系统组成；附属生产由地面照明、矿灯充电、矿机维修等组成；辅助生产由供水系统、供电系统、供热、指挥生产、后勤保障等组成。开采消耗的能源主要是电力。[21]井工开采具体工艺可根据煤层厚度来定，一般薄煤层（1.3米以下）和中厚煤层（1.3-3.5米）采用综合机械一次性开采工艺；厚煤层（3.5-8米）和特厚煤层（8米以上）采用分层开采、放顶煤开采和大采高一次采全高三种开采工艺。[22]
人类开采煤矿的工艺的发展经历了漫长的发展阶段。古时候采煤主要靠人工采挖，工具原始，危险性大。随着煤炭科技的进步，井工采煤已经从原来的人力开采发展到综合机械连续化开采，而在部分条件较好的矿区已经实现了只能无人化开采。[22]
煤炭的优化
煤炭的优化包括：选煤、型煤、水煤浆和动力配煤。选煤是运用包括物理、化学或微生物学在内的各种方法把混杂了煤矸石的原煤脱灰、降硫并加工成质量均匀、用途不同的各种商品煤的煤炭加工方法。型煤技术是将煤粉或品位较低的煤炭经过加工制作成具有一定强度和形状的煤炭制品的加工方法。相较于常规商品煤,型煤的利用性质更好,燃烧效率更高、产生污染物更低,是一种污染少、效率高的商品煤。水煤浆是细微煤粉和水的混合物，其运输、存储和燃烧像油一样，它在燃烧过程中产生的氮氧化合物、二氧化硫和烟尘远低于原煤。动力配煤是将不同性质的煤经过筛选、破碎后，按照一定比例配合，通过煤质互补、结构优化，使其化学、物理和燃烧特性得到改变，以达到满足不同客户的需求，提高燃烧效率和降低污染物排放的目的。[23]
质量标准与品质鉴定
煤质评价
煤质评价可根据煤田普查、勘探到开采及加工利用的过程分为三个相应的阶段。普查阶段对应的是煤质初步评价，勘探阶段对应的是煤质详细评价，开采及加工利用阶段对应的是煤质最终评价。煤质评价的内容包括地质评价，工艺评价和经济评价。地质评价是指在煤田普查和勘探时期，通过对样品进行分析研究阐述煤质变化规律，并了解与之相关的地质因素。工艺评价是指通过研究煤的工艺性质确定煤的加工利用方向，以及如何改善煤的性质，使其达到最好的利用效果，提高煤炭的使用价值。经济评价是从经济的角度来探索怎样最合适的利用煤炭资源。[24]
煤炭质量等级
煤的粒度划分按照国家标准《煤炭产品品种和等级划分》（GB/T 17608—2006）规定执行。按照粒度无烟煤和烟煤可分为12类，褐煤可分为6类。[25][26]
煤炭品种划分应该符合国家标准《煤炭产品品种和等级划分》（GB/T 17608—2006）。按照用途、加工方法和技术要求可将煤炭分为五大类，共29个品种。[25][26]
煤的灰分分级按照国标《煤炭质量分级 第1部分：灰分》（GB/T 15224.1—2010）执行，该标准适用于煤炭资源勘探、生产、加工利用和销售。[25]
煤的硫分分级按照国标《煤炭质量分级 第2部分：硫分》（GB/T 15224.2—2010）执行，该标准适用于煤炭资源勘探、生产、加工利用和销售。[25]
商品煤质量标准
商品煤人工采样要符合GB475-2008。[27]煤的制样方法要符合GB474-2008。[28]煤的发热量测定方法要符合GB/T213-2008。[29]煤中全硫的测定方法符合GB/T214-2007。[30]
环境影响
煤炭不是理想的能源，在煤炭的生产与消费过程中，会产生大量的矸石、废渣、废水、废气，会污染环境，甚至危害人的身体健康。[31]煤矿对环境的影响可以分为直接的和间接的。随着采矿技术的进步，采煤对环境的影响在逐渐减少。[32]
地下采矿对环境的影响
首先是煤矿占用大量土地，矿井和洗煤厂的建设占用大量土地，煤矸石的堆积存放也会占用大量土地。其次井工开采会造成地表塌陷下沉。第三煤矸石的自燃会污染大气。煤矸石的存放除了占用土地外，还会破坏绿色植物生长，影响环境和生态。煤矸石还会有可能自燃，排放大量烟尘、二氧化硫、一氧化碳和硫化氢等有毒气体。此外被煤矸石污染的大气中的有害物质，以及被煤矸石中的有害物质污染的雨水，最终会进入流入河流，污染水质并使河床硬化。第四，煤矿废气和粉尘会污染大气，此外，它们还会危害作业现场人员的身体健康。[31]
露天采煤对环境的影响
露天采煤对环境的影响与所处地形、气候以及采取的开拓措施有关。在雨量充沛的地区，露天采煤会形成大量的酸水，给周边环境带来很大的压力。露天开采需要铲除原生植被和覆盖层，对地形地貌带来较大的破坏。总之，露天采煤会对自然景观、水、生物和其他地面资源造成污染和破坏。[33]
