煤炭(coal)是一種化石燃料，被稱為“工業的糧食”、“黑色的金子”，是人類應用歷史最久的礦石能源之一。煤炭一般呈褐色到黑色，呈瀝青、玻璃和金剛光澤，真密度1.3-1.80g/cm3，散密度為0.5-0.75g/cm3，莫氏硬度2-4，煤炭的比熱容受含水量和灰分的影響，在室溫下的比熱容一般為0.84-1.67J/（g·℃）。褐煤礦電阻率較小，煙煤是不良導體，煙煤向無煙煤過渡時，隨著煤化程度升高，電阻率減小，無煙煤是電的良導體。
煤炭是古生植物被埋藏于地下后，受到地下環境條件（如地熱高溫、高壓和細菌等）的作用，經過長期的炭化過程而形成的可燃性固體礦物。煤炭是一種復雜混合物，它由有機化合物和無機化合物物組成，煤炭有機質主要由碳、氫、氮、氧和硫等元素構成，其中碳、氫、氧是煤炭有機質的主體，占95%以上；煤化程度越深，碳的含量越高，氫和氧的含量越低。此外還有極少量的氟[fú]、磷、氯和砷[shēn]等。
煤炭在地球上儲量豐富、分布地域廣，全世界煤炭資源量為136093億噸。全球范圍內，煤炭資源的分布呈現出明顯的不均衡性。美國、俄羅斯、中國、澳大利亞等國家儲量極為豐富。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，經過德國、波蘭、俄羅斯直到中國的華北地區；另一條呈東西走向分布在北美洲中部，包括美國和加拿大。南半球產煤代主要在溫帶地區，如澳大利亞、南非等，另外南極洲也蘊藏了大量煤炭資源。世界上主要產煤國為中國、美國、印度、澳大利亞和印度尼西亞。
煤炭是一種較早得以大規模使用的能源，也是自18世紀以來人類能源結構的支柱之一，支撐著現代工業體系的運轉。煤炭的應用可分為三大類別：提供動力、煉焦、煤化工。煤炭還可以用來制造焦炭，用于鋼鐵生產。在化工行業中，煤炭可以作為原料制取合成氣體、燃料油和各種化學品。在工業化國家，煤炭主要用于發電和鋼鐵冶煉，在欠發達國家和地區，煤炭還用于取暖和烹飪[rèn]。
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雜混合物，煤炭中無機物含量很少，主要是水分和無機鹽。構成煤炭的無機元素多達數十種，例如，鈣、鎂、鐵、鋁等，它們通常以無機鹽的形式出現，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。
煤的大分子結構
煤炭的有機質主要由碳、氫、氮、氧和硫等元素構成，其中硫在燃燒時絕大部分被氧化成二氧化硫（SO2），隨煙氣排放，污染大氣，危害動、植物生長及人類健康，腐蝕金屬設備；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主體的95%以上，含碳量越高說明煤化程度越高煤炭的有機質是復雜的混合物，它由大量相對分子質量不同、分子結構相似但又不完全相同的“相似化合物”組成。煤的有機質大致可以分為兩部分：其一被稱為大分子化合物，是以芳香結構為主的環狀化合物；其二被稱為低分子化合物，是以鏈狀結構為主的化合物。第一種是煤有機質的主體，大約占煤炭有機質總量的 90%以上；第二種含量較少，主要存在于煤化程度較低的煤中。煤的分子結構通常是指煤中大分子芳香族化合物的結構，這些大分子芳香族化合物通常是一些結構相似的“基本結構單元”橋接而成。這種基本結構單元由規則部分和不規則部分組成，規則部分是由幾個或十幾個環狀化合物縮聚而成，被稱為基本結構單元的核（芳香核）；不規則部分是連接在核周圍的烷基鏈以及多種官能團。煤化程度越高，構成核的環數越多，而和周圍的側鏈和官能團越少。煤的結構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構單元圖示：
煤炭的結構模型
煤炭的結構模型包括煤的化學結構模型、煤的物理結構模型和煤結構的綜合模型。
通過煤的化學結構模型可以了解煤在氣化、液化等轉化過程中的化學反應原理，表達煤炭分子的化學組成與結構。常見的煤的化學結構模型有五個，分別是：Fuchs模型、Given模型、Wiser模型、本田技研工業模型、Shinn模型。
煤的物理結構模型可以用來解釋煤的物理結構和分子間的聯系。煤的物理結構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量傳遞等性能。煤的物理結構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的影響。較有代表性的物理結構模型有Hirsch模型和兩項模型。
煤結構的綜合模型同時兼顧了煤的分子結構和空間構造，也就是說它是煤的化學結構模型和物理結構模型的綜合體。這類模型常見的有Oberlin模型和球（Sphere）模型。
物理特性
煤炭的物理性質取決于成煤的原始物質及其聚積條件、轉化過程、煤化程度、風化程度、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）呈淺棕到黑色。煤化程度越高，顏色和條痕色越接近黑色，光澤越強。
煤炭的密度是指單位體積煤的質量，單位為g/c立方米或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)煤的質量與同溫同體積水的質量之比，用符號TRD表示。褐煤礦的真密度為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。
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，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。
煤炭的比熱容受含水量和灰分的影響，在室溫下的比熱容一般為0.84-1.67J/（g·℃）。煤炭的導熱性不好，煤炭的燃點跟種類有關，褐煤燃點250-450℃，煙煤300-400℃，無煙煤440-500℃。 煤炭導電率通常用電阻率來表示，褐煤電阻率較小，煙煤是不良導體，煙煤向無煙煤過度時，隨著煤化程度升高，電阻率減小，無煙煤是電的良導體。
形成原因
煤炭是埋藏在地下的古生植物在地下受到地熱高溫、高壓和細菌的作用，經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。從植物經過一系列變化轉變為煤的演變過程和該過程中所發生的各種作用，稱為成煤作用。
在地質歷史中，形成煤炭資源的時期，被稱作聚煤期或成煤期，全球范圍內有三個比較大的成煤期。首先是古生代的石炭紀和二疊紀，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和白堊紀，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，形成煤炭的植物變成被子植物門，煤種以褐煤為主，也有少量泥炭和煙煤。
煤的形成主要經歷泥炭化作用和煤化作用兩個階段。泥炭化作用是指維管植物遺體在沼澤中堆積，經生物化學變化轉變為泥炭的過程。在煤化作用階段，泥炭或腐泥被埋藏后，由于盆地基底下降而沉至地下深部，經成巖作用而轉變成褐煤；當溫度和壓力逐漸增高，再經變質作用轉變成煙煤至無煙煤。整個成煤過程見下圖：
分布區域
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。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。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，經過德國、波蘭、俄羅斯直到中國的華北地區；另一條呈東西走向分布在北美洲中部，包括美國和加拿大。南半球產煤代主要在溫帶地區，如澳大利亞、南非等，另外南極洲也蘊藏了大量煤炭資源。世界上主要產煤國為中國、美國、印度、澳大利亞和印度尼西亞，中國和美國兩個國家在煤的生產中長期占據主導地位，他們的煤產量之和占世界總產量的一半以上。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。主要煤炭進口國有中國、印度、日本和韓國。
分類
按照加工方法和質量規格可將煤炭分為原煤、精煤、粒級煤、洗選煤和低質煤。按照使用目的可將煤炭分為動力煤和煉焦煤。動力煤又分為發電煤、蒸汽機車用煤、建材用煤、一般工業鍋爐用煤、生活用煤和冶金動力用煤。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，褐煤變質程度低于煙煤和無煙煤。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。按照成煤植物和聚積環境可將煤炭分類為：腐殖煤、腐泥煤和腐殖腐泥煤。
應用歷史
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，明代學者路深結合該傳說和當地燒“塔火”的習俗，寫了《浮山遺灶記》，文章認定女媧用煤來煉石補天。《山海經》中將煤稱作“石涅”，并記載了幾處產地。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。此外大同市地區還有流傳著天火把石頭點燃，人們受到啟發，認識到當地的黑色石頭能燃燒，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
發現歷程
古人對煤炭是發現是從用火開始的。露天而零散的煤炭遇火源便會燃燒，甚至還可能自燃，人們從中受到啟發而發現煤炭的可燃性。中國是最早發現和使用煤的國家，在新石器時代就已經開發和使用煤炭，生產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現過煤制工藝品。《墨子》一書將煤稱作“每”，并且提出在戰爭中可以利用煤炭燃燒產生的煙霧來克敵制勝。
開采歷史
先秦時期，古代中國人已經發現并開采使用煤炭。秦漢至南北朝時期，中國煤炭開發逐步走向成熟，使用區域明顯變廣，開采初具水平，應用范圍擴大到冶鐵行業，加工技術有了明顯進步。隋唐到宋元時期，中國煤炭的開發利用取得了長足進步，煤炭應用廣泛普及，出現了土法煉焦技術，官方開始重視煤炭開發，開采技術日臻完善。到了明清時期，中國古代煤礦開發利用達到了鼎盛階段。煤礦行業的管理和技術都達到了較高的水平。明朝人宋應星在《天工開物》一書中對煤炭的產地、分類和開采技術進行了詳細的記載（如下圖）。
古希臘和古羅馬也是較早使用煤炭的國家，公元前300年，古希臘學者泰奧弗拉斯托斯在《論石》一書中記載了煤的性質和產地；古羅馬大約2000年前已經開始用煤加熱。
應用領域
煤炭的應用可分為三大類別：提供動力、煉焦、煤化工。
提供動力
廣義上講，以發電、機車推進、建材用煤等為目的，用于產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、貧煤和氣煤等六種動力煤首先用于火力發電，即利用煤的熱值，把熱能轉化為電能，電廠每發一度電標準煤的用量是370g。其次是用于蒸汽機車。隨著經濟社會的發展，燃煤的機車越來越少。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。第四用于為一般鍋爐，一般企業及采暖用鍋爐數量大且分散，主要有層燃爐、懸燃爐和沸騰爐。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、發熱量高、硫低、火旺耐燒、著火點低和使用方便等特點。第六，煤炭用于冶金，主要是作用是燒結和高爐噴吹，一般采用無煙煤。
用于煉焦
焦煤種類包括氣煤、肥煤、主焦煤、瘦煤等。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原料之一，被稱作鋼鐵工業的“基本食糧”。
煤化工
煤化工是以煤炭為原料，經化學反應將煤炭轉化為氣體、液體、固體酒精及其他化學品，生產出各種化工產品的工業。煤化工可分為傳統煤化工和現代煤化工，傳統煤化工以煤焦化、煤碳化鈣和煤合成氨為主；現代煤化工以生產清潔能源和可替代石油化工的產品為主，包括煤制甲醇、煤制烯烴、煤制天然氣、煤制乙二醇等。
制造電石。電石生產是傳統煤化工的典型性代表，其工藝是將生石灰和焦炭在電爐內加熱到2200℃高溫，可發生反應生產電石（CaC2）。電石可產生乙炔，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、化肥和農藥等。
現代煤化工具有裝置規模大、技術集成高、煤炭資源利用率高等優點，在石油價格波動較大，總體攀升的背景條件下，可以緩解石油供應緊張的問題。實際上傳統煤化工和現代煤化工的發展是相互交融的，即利用傳統煤化工的初級產品進行后續現代煤化工的加工。
開采與優化
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、采煤、通風、排水、瓦斯抽放、運輸、提升等基本環節。
露天開采工藝可根據礦物的流動特點分為間斷工藝、連續工藝和半連續工藝。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節。
井工開采由主要生產、附屬生產、輔助生產三大系統組成，主要生產系統由掘進系統、采煤系統、通風系統、排水系統、運輸系統、機電系統等六大系統及安全系統組成；附屬生產由地面照明、礦燈充電、礦機維修等組成；輔助生產由供水系統、供電系統、供熱、指揮生產、后勤保障等組成。開采消耗的能源主要是電力。井工開采具體工藝可根據煤層厚度來定，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。
人類開采煤礦的工藝的發展經歷了漫長的發展階段。古時候采煤主要靠人工采挖，工具原始，危險性大。隨著煤炭科技的進步，井工采煤已經從原來的人力開采發展到綜合機械連續化開采，而在部分條件較好的礦區已經實現了只能無人化開采。
煤炭的優化
煤炭的優化包括：選煤、型煤、水煤漿和動力配煤。選煤是運用包括物理、化學或微生物學在內的各種方法把混雜了煤矸石的原煤脫灰、降硫并加工成質量均勻、用途不同的各種商品煤的煤炭加工方法。型煤技術是將煤粉或品位較低的煤炭經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。相較于常規商品煤,型煤的利用性質更好,燃燒效率更高、產生污染物更低,是一種污染少、效率高的商品煤。水煤漿是細微煤粉和水的混合物，其運輸、存儲和燃燒像油一樣，它在燃燒過程中產生的氮氧化合物、二氧化硫和煙塵遠低于原煤。動力配煤是將不同性質的煤經過篩選、破碎后，按照一定比例配合，通過煤質互補、結構優化，使其化學、物理和燃燒特性得到改變，以達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。
質量標準與品質鑒定
煤質評價
煤質評價可根據煤田普查、勘探到開采及加工利用的過程分為三個相應的階段。普查階段對應的是煤質初步評價，勘探階段對應的是煤質詳細評價，開采及加工利用階段對應的是煤質最終評價。煤質評價的內容包括地質評價，工藝評價和經濟評價。地質評價是指在煤田普查和勘探時期，通過對樣品進行分析研究闡述煤質變化規律，并了解與之相關的地質因素。工藝評價是指通過研究煤的工藝性質確定煤的加工利用方向，以及如何改善煤的性質，使其達到最好的利用效果，提高煤炭的使用價值。經濟評價是從經濟的角度來探索怎樣最合適的利用煤炭資源。
煤炭質量等級
煤的粒度劃分按照國家標準《煤炭產品品種和等級劃分》（GB/T 17608—2006）規定執行。按照粒度無煙煤和煙煤可分為12類，褐煤可分為6類。
煤炭品種劃分應該符合國家標準《煤炭產品品種和等級劃分》（GB/T 17608—2006）。按照用途、加工方法和技術要求可將煤炭分為五大類，共29個品種。
煤的灰分分級按照國標《煤炭質量分級 第1部分：灰分》（GB/T 15224.1—2010）執行，該標準適用于煤炭資源勘探、生產、加工利用和銷售。
煤的硫分分級按照國標《煤炭質量分級 第2部分：硫分》（GB/T 15224.2—2010）執行，該標準適用于煤炭資源勘探、生產、加工利用和銷售。
商品煤質量標準
商品煤人工采樣要符合GB475-2008。煤的制樣方法要符合GB474-2008。煤的發熱量測定方法要符合GB/T213-2008。煤中全硫的測定方法符合GB/T214-2007。
環境影響
煤炭不是理想的能源，在煤炭的生產與消費過程中，會產生大量的矸石、廢渣、廢水、廢氣，會污染環境，甚至危害人的身體健康。煤礦對環境的影響可以分為直接的和間接的。隨著采礦技術的進步，采煤對環境的影響在逐漸減少。
地下采礦對環境的影響
首先是煤礦占用大量土地，礦井和洗煤廠的建設占用大量土地，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，影響環境和生態。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，以及被煤矸石中的有害物質污染的雨水，最終會進入流入河流，污染水質并使河床硬化。第四，煤礦廢氣和粉塵會污染大氣，此外，它們還會危害作業現場人員的身體健康。
露天采煤對環境的影響
露天采煤對環境的影響與所處地形、氣候以及采取的開拓措施有關。在雨量充沛的地區，露天采煤會形成大量的酸水，給周邊環境帶來很大的壓力。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。總之，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。
水資源污染
在煤炭開采的過程中會應用到很多的水資源，這些水資源一般在利用完之后不經處理就直接排放，而煤炭開采的廢棄水資源對土地和地被植物具有很大的殺傷力，而且還造成了水資源浪費的現象。例如：在煤礦資源附近一般有大量的農田，如果煤炭開發中廢棄的水源沒有處理滲入到農田中，就會造成農作物的減產或者死亡；如果滲入到地下水中，就會對飲用水造成污染，直接威脅人類的身體健康。
參考資料 >
Coal.nationalgeographic.2023-06-09
GB5751中國煤炭分類標準.道客巴巴.2023-06-09
GB ／T17608—2006《煤炭產品品種和等級劃分》.道客巴巴.2023-06-10
GB475商品煤樣人工采取方法.道客巴巴.2023-06-10
GB474(煤樣的制備方法).道客巴巴.2023-06-10
GBT 213-2008.道客巴巴.2023-06-10
GBT214煤中全硫的測定方法.道客巴巴.2023-06-10