主要特征
礦物組成
煤炭是一種由有機物和無機物組成的復(fù)雜混合物，[9]煤炭中無機物含量很少，主要是水分和無機鹽。[6]構(gòu)成煤炭的無機元素多達(dá)數(shù)十種，例如，鈣、鎂、鐵、鋁等，它們通常以無機鹽的形式出現(xiàn)，另外鋁、鈣、鎂、鈉、鉀也常以硅酸鹽形式存在，鐵還能以硫化鐵和氧化鐵等形式出現(xiàn)。[9] 煤的大分子結(jié)構(gòu)
煤炭的有機質(zhì)主要由碳、氫、氮、氧和硫等元素構(gòu)成，此外還有極少量的氟、磷、氯和砷等。碳、氫、氧等三種元素含量占煤炭有機質(zhì)主體的95%以上，含碳量越高說明煤化程度越高[6]煤炭的有機質(zhì)是復(fù)雜的混合物，它由大量相對分子質(zhì)量不同、分子結(jié)構(gòu)相似但又不完全相同的“相似化合物”組成。煤的有機質(zhì)大致可以分為兩部分：其一被稱為大分子化合物，是以芳香結(jié)構(gòu)為主的環(huán)狀化合物；其二被稱為低分子化合物，是以鏈狀結(jié)構(gòu)為主的化合物。第一種是煤有機質(zhì)的主體，大約占煤炭有機質(zhì)總量的 90%以上；第二種含量較少，主要存在于煤化程度較低的煤中。[13]煤的分子結(jié)構(gòu)通常是指煤中大分子芳香族化合物的結(jié)構(gòu)，這些大分子芳香族化合物通常是一些結(jié)構(gòu)相似的“基本結(jié)構(gòu)單元”橋接而成。這種基本結(jié)構(gòu)單元由規(guī)則部分和不規(guī)則部分組成，規(guī)則部分是由幾個或十幾個環(huán)狀化合物縮聚而成，被稱為基本結(jié)構(gòu)單元的核（芳香核）；不規(guī)則部分是連接在核周圍的烷基鏈以及多種官能團(tuán)。煤化程度越高，構(gòu)成核的環(huán)數(shù)越多，而和周圍的側(cè)鏈和官能團(tuán)越少。煤的結(jié)構(gòu)單元通過橋鍵形成相對分子量大小各異的高分子化合物。下面列舉幾種煤的結(jié)構(gòu)單元圖示：[2] 低揮發(fā)分煙煤的結(jié)構(gòu)單元
高揮發(fā)分煙煤的結(jié)構(gòu)單元
煤炭的結(jié)構(gòu)模型
煤炭的結(jié)構(gòu)模型包括煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)模型、煤的物理結(jié)構(gòu)模型和煤結(jié)構(gòu)的綜合模型。[2] 通過煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)模型可以了解煤在氣化、液化等轉(zhuǎn)化過程中的化學(xué)反應(yīng)原理，表達(dá)煤炭分子的化學(xué)組成與結(jié)構(gòu)。常見的煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)模型有五個，分別是：Fuchs模型、Given模型、Wiser模型、本田模型、Shinn模型。[2]
煤的物理結(jié)構(gòu)模型可以用來解釋煤的物理結(jié)構(gòu)和分子間的聯(lián)系。煤的物理結(jié)構(gòu)影響到煤的很多物理特性如硬度、壓縮性、萃取性以及擴散與質(zhì)量傳遞等性能。煤的物理結(jié)構(gòu)模型可以解釋煤炭中非共價鍵相互作用的存在及其對煤分子聚集態(tài)的影響。較有代表性的物理結(jié)構(gòu)模型有Hirsch模型和兩項模型。[2]
煤結(jié)構(gòu)的綜合模型同時兼顧了煤的分子結(jié)構(gòu)和空間構(gòu)造，也就是說它是煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)模型和物理結(jié)構(gòu)模型的綜合體。這類模型常見的有Oberlin模型和球（Sphere）模型。[2] 物理特性
煤炭的物理性質(zhì)取決于成煤的原始物質(zhì)及其聚積條件、轉(zhuǎn)化過程、煤化程度、風(fēng)化程度、氧化程度等因素，包括顏色、光澤、粉色、密度、硬度、脆度、斷口及導(dǎo)電性等。煤炭一般呈褐色到黑色，呈瀝青、玻璃和金剛光澤，條痕色（亦稱粉色）呈淺棕銫到黑色。煤化程度越高，顏色和條痕色越接近黑色，光澤越強。[4] 煤炭的密度是指單位體積煤的質(zhì)量，單位為g/cm3或kg/m3。煤的密度可以用三種表示方法，即真密度、視密度和堆積密度。煤的真密度是指在20℃時單位體積(不包括煤中所有孔隙)煤的質(zhì)量與同溫同體積水的質(zhì)量之比，用符號TRD表示。褐煤的真密度為1.30-1.40g/cm3，煙煤為1.27-1.33g/cm3，無煙煤為1.40-1.80g/cm3。視密度是指在20℃時單個煤粒的質(zhì)量與外觀體積(包括煤的孔隙)之比，代表符號是ARD。褐煤的視密度為1.05-1.30g/cm3，煙煤為1.15-1.50g/cm3，無煙煤為1.4-1.7g/cm3。堆積密度是指在20℃時裝滿容器的煤粒的質(zhì)量與容器的容積比，代表符號是BD。煤的堆積密度一般為0.5-0.75g/cm3。[4][5]
煤炭的硬度是抵抗外來機械作用的能力，與煤炭的煤化程度有關(guān)，褐煤和焦煤的硬度最小，只有2-2.5，無煙煤硬度最大，可接近4。脆度是煤炭受外力作用而破碎的程度。在不同變質(zhì)程度的煤炭中，常焰煤和氣煤的脆度較小，肥煤、焦煤和瘦煤的脆度較大，無煙煤脆度最小。[4]
煤炭的比熱容受含水量和灰分的影響，[8]在室溫下的比熱容一般為0.84-1.67J/（g·℃）。[5]煤炭的導(dǎo)熱性不好，煤炭的燃點跟種類有關(guān)，褐煤燃點250-450℃，煙煤300-400℃，無煙煤440-500℃。 [8]煤炭導(dǎo)電率通常用電阻率來表示，褐煤電阻率較小，煙煤是不良導(dǎo)體，煙煤向無煙煤過度時，隨著煤化程度升高，電阻率減小，無煙煤是電的良導(dǎo)體。[4]
形成原因
煤炭是埋藏在地下的古生植物在地下受到地?zé)岣邷?、高壓和?xì)菌的作用，經(jīng)過幾千萬年乃至幾億年的炭化過程，釋放出水分、二氧化碳、甲烷等氣體后，逐漸演化形成的可燃性固體礦物。[9]從植物經(jīng)過一系列變化轉(zhuǎn)變?yōu)槊旱难葑冞^程和該過程中所發(fā)生的各種作用，稱為成煤作用。[14] 在地質(zhì)歷史中，形成煤炭資源的時期，被稱作聚煤期或成煤期，[14]全球范圍內(nèi)有三個比較大的成煤期。[6]首先是是是古生代的石炭紀(jì)和二疊紀(jì)，此時成煤的植物主要是孢子植物，煤種主要是煙煤和無煙煤。第二個是中生代的侏羅紀(jì)和白堊紀(jì)，這一時期的成煤植物主要是裸子植物，煤種主要是褐煤和煙煤。第三個是新生代的第三紀(jì)，形成煤炭的植物變成被子植物，煤種以褐煤為主，也有少量泥炭和煙煤。[6] 煤的形成主要經(jīng)歷泥炭化作用（泥化作用）和煤化作用兩個階段。泥炭化作用是指高等植物遺體在沼澤中經(jīng)生物化學(xué)變化轉(zhuǎn)變?yōu)槟嗵康倪^程。[6]在煤化作用階段，泥炭或腐泥在壓力和溫度等因素的影響下，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楹置?，褐煤?jīng)變質(zhì)作用轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>煙煤或無煙煤。[14]整個成煤過程見下圖： 分布區(qū)域
煤炭是一種在地球上儲量豐富、分布地域廣的化石燃料，全世界煤炭資源量為136093億噸。[6][10]雖然煤炭分布遍及各大洲，但是仍然不均衡，全世界蘊藏量最大的煤礦，集中分布于北半球的中緯度地帶。[12][10]全球有兩大聚煤地帶，一條橫貫亞歐大陸，西起英國，向東延申，經(jīng)過德國、波蘭、俄羅斯直到中國的華北地區(qū)；另一條呈東西走向分布在北美洲中部，包括美國和加拿大。南半球產(chǎn)煤代主要在溫帶地區(qū)，如澳大利亞、南非等，另外南極洲也蘊藏了大量煤炭資源。[10]世界上主要產(chǎn)煤國為中國、美國、印度、澳大利亞和印度尼西亞，[3]中國和美國兩個國家在煤的生產(chǎn)中長期占據(jù)主導(dǎo)地位，他們的煤產(chǎn)量之和占世界總產(chǎn)量的一半以上。[12]主要煤炭出口國有印度尼西亞、俄羅斯、澳大利亞、哥倫比亞和美國。主要煤炭進(jìn)口國有中國、印度、日本和韓國。[3] 分類
按照加工方法和質(zhì)量規(guī)格可將煤炭分為原煤、精煤、粒級煤、洗選煤和低質(zhì)煤。按照使用目的可將煤炭分為動力煤和煉焦煤。動力煤又分為發(fā)電煤、蒸汽機車用煤、建材用煤、一般工業(yè)鍋爐用煤、生活用煤和冶金動力用煤。[4]按照煤的形成階段和炭化程度可將煤炭分為無煙煤、煙煤、褐煤和泥炭，泥炭形成年代只有200萬年，是最年輕的煤炭，褐煤變值程度低于煙煤和無煙煤。[15]煙煤又分為貧煤、貧瘦煤、瘦煤、焦煤、肥煤、1/3焦煤、氣肥煤、1/2中粘煤、弱粘煤、不粘煤和長焰煤。[16]按照成煤植物和聚積環(huán)境可將煤炭分類為：腐殖煤、腐泥煤和腐殖腐泥煤。[2]
應(yīng)用歷史
先民使用煤炭的傳說
山西平定自古流傳著女媧用煤煉石補天的傳說，明代學(xué)者路深結(jié)合該傳說和當(dāng)?shù)責(zé)八稹钡牧?xí)俗，寫了《浮山遺灶記》，文章認(rèn)定女媧用煤來煉石補天?！?/span>山海經(jīng)》中將煤稱作“石涅”，并記載了幾處產(chǎn)地。[2]晉人王嘉在《拾遺記》中記載人們在夜間點燃一種叫做“燃石”的石頭來照明，并且說到這種石火就是炎帝變生食為熟食所用的火。此外大同地區(qū)還有流傳著天火把石頭點燃，人們受到啟發(fā)，認(rèn)識到當(dāng)?shù)氐暮谏^能燃燒，可用作燃料的傳說。這些傳說反映了古人利用煤炭起源的推測與判斷[17]
發(fā)現(xiàn)歷程
古人對煤炭是發(fā)現(xiàn)是從用火開始的。露天而零散的煤炭遇火源便會燃燒，甚至還可能自燃，人們從中受到啟發(fā)而發(fā)現(xiàn)煤炭的可燃性。[17]中國是最早發(fā)現(xiàn)和使用煤的國家，在新石器時代就已經(jīng)開發(fā)和使用煤炭，生產(chǎn)煤精制品的歷史開始于7000年前，遼寧新樂的古文化遺址和陜西的周墓中都發(fā)現(xiàn)過煤制工藝品。[14]《墨子》一書將煤稱作“每”，并且提出在戰(zhàn)爭中可以利用煤炭燃燒產(chǎn)生的煙霧來克敵制勝。[17]
開采歷史
先秦時期，古代中國人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并開采使用煤炭。秦漢至南北朝時期，中國煤炭開發(fā)逐步走向成熟，使用區(qū)域明顯變廣，開采初具水平，應(yīng)用范圍擴大到冶鐵行業(yè)，加工技術(shù)有了明顯進(jìn)步。[17]隋唐到宋元時期，中國煤炭的開發(fā)利用取得了長足進(jìn)步，煤炭應(yīng)用廣泛普及，出現(xiàn)了土法煉焦技術(shù)，官方開始重視煤炭開發(fā)，開采技術(shù)日臻完善。到了明清時期，中國古代煤礦開發(fā)利用達(dá)到了鼎盛階段。煤礦行業(yè)的管理和技術(shù)都達(dá)到了較高的水平。明朝人宋應(yīng)星在《天工開物》一書中對煤炭的產(chǎn)地、分類和開采技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的記載（如下圖）。[14] 《天工開物》中有關(guān)煤炭開采的技術(shù)圖解
古希臘和古羅馬也是較早使用煤炭的國家，公元前300年，古希臘學(xué)者泰奧弗拉斯托斯在《論石》一書中記載了煤的性質(zhì)和產(chǎn)地；古羅馬大約2000年前已經(jīng)開始用煤加熱。[6]
應(yīng)用領(lǐng)域
煤炭的應(yīng)用可分為三大類別：提供動力、煉焦、煤化工。[11]
提供動力
廣義上講，以發(fā)電、機車推進(jìn)、建材用煤等為目的，用于產(chǎn)生動力的煤都屬于動力用煤。動力煤的種類主要包括：褐煤、長焰煤、不粘煤、弱粘煤、貧煤和氣煤等六種[18]動力煤首先用于火力發(fā)電，即利用煤的熱值，把熱能轉(zhuǎn)化為電能，電廠每發(fā)一度電標(biāo)準(zhǔn)煤的用量是370g。[6]其次是用于蒸汽機車。隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，燃煤的機車越來越少。[11]第三是用于建材，其中以水泥消耗煤量最大，其次是玻璃、磚、瓦等。[4]第四用于為一般鍋爐，一般企業(yè)及采暖用鍋爐數(shù)量大且分散，主要有層燃爐、懸燃爐和沸騰爐。[6][11]第五，生活用煤主要原因家庭取暖和烹飪，要求具有易燃、上火快、發(fā)熱量高、硫低、火旺耐燒、著火點低和使用方便等特點。[12]第六，煤炭用于冶金，主要是作用是燒結(jié)和高爐噴吹，一般采用無煙煤。[4]
用于煉焦
焦煤種類包括氣煤、肥煤、主焦煤、瘦煤等。[4]焦煤主要用途是煉焦炭，一般1.3噸左右焦煤才能提煉出一噸焦炭。焦炭是煉鋼的主要生產(chǎn)原料之一，被稱作鋼鐵工業(yè)的“基本食糧”。[6]
煤化工
煤化工是以煤炭為原料，經(jīng)化學(xué)反應(yīng)將煤炭轉(zhuǎn)化為氣體、液體、固體燃料及其他化學(xué)品，生產(chǎn)出各種化工產(chǎn)品的工業(yè)。煤化工可分為傳統(tǒng)煤化工和現(xiàn)代煤化工，傳統(tǒng)煤化工以煤焦化、煤電石和煤合成氨為主；現(xiàn)代煤化工以生產(chǎn)清潔能源和可替代石油化工的產(chǎn)品為主，包括煤制甲醇、煤制烯烴、煤制天然氣、煤制乙二醇等。[19]
制造電石。電石生產(chǎn)是傳統(tǒng)煤化工的典型性代表，其工藝是將生石灰和焦炭在電爐內(nèi)加熱到2200℃高溫，可發(fā)生反應(yīng)生產(chǎn)電石（CaC2）。電石可產(chǎn)生乙炔，用于金屬切割；此外，電石也是重要的化工原料，可用于制造塑料、合成纖維、合成橡膠、化肥和農(nóng)藥等。[11]
現(xiàn)代煤化工具有裝置規(guī)模大、技術(shù)集成高、煤炭資源利用率高等優(yōu)點，在石油價格波動較大，總體攀升的背景條件下，可以緩解石油供應(yīng)緊張的問題。實際上傳統(tǒng)煤化工和現(xiàn)代煤化工的發(fā)展是相互交融的，即利用傳統(tǒng)煤化工的初級產(chǎn)品進(jìn)行后續(xù)現(xiàn)代煤化工的加工。[20]
開采與優(yōu)化
煤炭的開采
煤炭開采工藝主要有露天開采和井工開采兩種，露天開采主要是移走煤層上覆蓋的巖石及覆蓋物，開采顯露的煤層；井工開采涉及掘進(jìn)、采煤、通風(fēng)、排水、瓦斯抽放、運輸、提升等基本環(huán)節(jié)。[21]
露天開采工藝可根據(jù)礦物的流動特點分為間斷工藝、連續(xù)工藝和半連續(xù)工藝。他們的共同特點是均包含巖石剝離、煤炭挖掘和煤炭運輸三個環(huán)節(jié)。[21]
井工開采由主要生產(chǎn)、附屬生產(chǎn)、輔助生產(chǎn)三大系統(tǒng)組成，主要生產(chǎn)系統(tǒng)由掘進(jìn)系統(tǒng)、采煤系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)、機電系統(tǒng)等六大系統(tǒng)及安全系統(tǒng)組成；附屬生產(chǎn)由地面照明、礦燈充電、礦機維修等組成；輔助生產(chǎn)由供水系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、供熱、指揮生產(chǎn)、后勤保障等組成。開采消耗的能源主要是電力。[21]井工開采具體工藝可根據(jù)煤層厚度來定，一般薄煤層（1.3米以下）和中厚煤層（1.3-3.5米）采用綜合機械一次性開采工藝；厚煤層（3.5-8米）和特厚煤層（8米以上）采用分層開采、放頂煤開采和大采高一次采全高三種開采工藝。[22]
人類開采煤礦的工藝的發(fā)展經(jīng)歷了漫長的發(fā)展階段。古時候采煤主要靠人工采挖，工具原始，危險性大。隨著煤炭科技的進(jìn)步，井工采煤已經(jīng)從原來的人力開采發(fā)展到綜合機械連續(xù)化開采，而在部分條件較好的礦區(qū)已經(jīng)實現(xiàn)了只能無人化開采。[22]
煤炭的優(yōu)化
煤炭的優(yōu)化包括：選煤、型煤、水煤漿和動力配煤。選煤是運用包括物理、化學(xué)或微生物學(xué)在內(nèi)的各種方法把混雜了煤矸石的原煤脫灰、降硫并加工成質(zhì)量均勻、用途不同的各種商品煤的煤炭加工方法。型煤技術(shù)是將煤粉或品位較低的煤炭經(jīng)過加工制作成具有一定強度和形狀的煤炭制品的加工方法。相較于常規(guī)商品煤,型煤的利用性質(zhì)更好,燃燒效率更高、產(chǎn)生污染物更低,是一種污染少、效率高的商品煤。水煤漿是細(xì)微煤粉和水的混合物，其運輸、存儲和燃燒像油一樣，它在燃燒過程中產(chǎn)生的氮氧化合物、二氧化硫和煙塵遠(yuǎn)低于原煤。動力配煤是將不同性質(zhì)的煤經(jīng)過篩選、破碎后，按照一定比例配合，通過煤質(zhì)互補、結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使其化學(xué)、物理和燃燒特性得到改變，以達(dá)到滿足不同客戶的需求，提高燃燒效率和降低污染物排放的目的。[23]
質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與品質(zhì)鑒定
煤質(zhì)評價
煤質(zhì)評價可根據(jù)煤田普查、勘探到開采及加工利用的過程分為三個相應(yīng)的階段。普查階段對應(yīng)的是煤質(zhì)初步評價，勘探階段對應(yīng)的是煤質(zhì)詳細(xì)評價，開采及加工利用階段對應(yīng)的是煤質(zhì)最終評價。煤質(zhì)評價的內(nèi)容包括地質(zhì)評價，工藝評價和經(jīng)濟(jì)評價。地質(zhì)評價是指在煤田普查和勘探時期，通過對樣品進(jìn)行分析研究闡述煤質(zhì)變化規(guī)律，并了解與之相關(guān)的地質(zhì)因素。工藝評價是指通過研究煤的工藝性質(zhì)確定煤的加工利用方向，以及如何改善煤的性質(zhì)，使其達(dá)到最好的利用效果，提高煤炭的使用價值。經(jīng)濟(jì)評價是從經(jīng)濟(jì)的角度來探索怎樣最合適的利用煤炭資源。[24]
煤炭質(zhì)量等級
煤的粒度劃分按照國家標(biāo)準(zhǔn)《煤炭產(chǎn)品品種和等級劃分》（GB/T 17608—2006）規(guī)定執(zhí)行。按照粒度無煙煤和煙煤可分為12類，褐煤可分為6類。[25][26]
煤炭品種劃分應(yīng)該符合國家標(biāo)準(zhǔn)《煤炭產(chǎn)品品種和等級劃分》（GB/T 17608—2006）。按照用途、加工方法和技術(shù)要求可將煤炭分為五大類，共29個品種。[25][26]
煤的灰分分級按照國標(biāo)《煤炭質(zhì)量分級 第1部分：灰分》（GB/T 15224.1—2010）執(zhí)行，該標(biāo)準(zhǔn)適用于煤炭資源勘探、生產(chǎn)、加工利用和銷售。[25]
煤的硫分分級按照國標(biāo)《煤炭質(zhì)量分級 第2部分：硫分》（GB/T 15224.2—2010）執(zhí)行，該標(biāo)準(zhǔn)適用于煤炭資源勘探、生產(chǎn)、加工利用和銷售。[25]
商品煤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)
商品煤人工采樣要符合GB475-2008。[27]煤的制樣方法要符合GB474-2008。[28]煤的發(fā)熱量測定方法要符合GB/T213-2008。[29]煤中全硫的測定方法符合GB/T214-2007。[30]
環(huán)境影響
煤炭不是理想的能源，在煤炭的生產(chǎn)與消費過程中，會產(chǎn)生大量的矸石、廢渣、廢水、廢氣，會污染環(huán)境，甚至危害人的身體健康。[31]煤礦對環(huán)境的影響可以分為直接的和間接的。隨著采礦技術(shù)的進(jìn)步，采煤對環(huán)境的影響在逐漸減少。[32]
地下采礦對環(huán)境的影響
首先是煤礦占用大量土地，礦井和洗煤廠的建設(shè)占用大量土地，煤矸石的堆積存放也會占用大量土地。其次井工開采會造成地表塌陷下沉。第三煤矸石的自燃會污染大氣。煤矸石的存放除了占用土地外，還會破壞綠色植物生長，影響環(huán)境和生態(tài)。煤矸石還會有可能自燃，排放大量煙塵、二氧化硫、一氧化碳和硫化氫等有毒氣體。此外被煤矸石污染的大氣中的有害物質(zhì)，以及被煤矸石中的有害物質(zhì)污染的雨水，最終會進(jìn)入流入河流，污染水質(zhì)并使河床硬化。第四，煤礦廢氣和粉塵會污染大氣，此外，它們還會危害作業(yè)現(xiàn)場人員的身體健康。[31]
露天采煤對環(huán)境的影響
露天采煤對環(huán)境的影響與所處地形、氣候以及采取的開拓措施有關(guān)。在雨量充沛的地區(qū)，露天采煤會形成大量的酸水，給周邊環(huán)境帶來很大的壓力。露天開采需要鏟除原生植被和覆蓋層，對地形地貌帶來較大的破壞?？傊?，露天采煤會對自然景觀、水、生物和其他地面資源造成污染和破壞。[33]
