煤是一種可燃的黑色或棕黑色沉積巖，主要由植物遺體經(jīng)過生物化學(xué)作用，埋藏后再經(jīng)地質(zhì)作用轉(zhuǎn)變而成，富含碳、氫、氧、氮、硫等元素，是重要的能源和化工原料，發(fā)熱量較高；煤矸石則是采煤過程和洗煤過程中排放的固體廢物，是在成煤過程中與煤伴生的一種含碳量較低、比煤堅(jiān)硬的黑灰色巖石，碳含量低，一般在20%以下，其礦物成分主要是黏土礦物、石英和碳酸鹽類，在能源利用價值上遠(yuǎn)不及煤，但可用于制作建筑材料、填充礦井等其他工業(yè)用途。
煤
煤主要由碳、氫、氧、氮、硫、磷等元素組成，碳、氫、氧三者總和約占有機(jī)質(zhì)的95%以上，是非常重要的能源，也是冶金、化學(xué)工業(yè)的重要原料，有褐煤、煙煤、無煙煤、半無煙煤這幾種分類。著名作家朱自清也曾以煤為標(biāo)題寫過一首詩，賦予其獨(dú)特的象征意義。截至2011年，中國是世界上煤炭產(chǎn)量最大的國家，煤炭產(chǎn)量32.4億噸，相當(dāng)于18.004億噸油當(dāng)量，占世界比例高達(dá)48.3%；其次是美國，占世界產(chǎn)量比例為14.8%；排名第三的是澳大利亞，占世界產(chǎn)量比例為6.3%；印度和印尼則分別排名第四、五，占世界產(chǎn)量比例分別是5.8%和5.0%。
生成過程
在地表常溫、常壓下，由堆積在停滯水體中的植物遺體經(jīng)泥炭化作用或腐泥化作用，轉(zhuǎn)變成泥炭或腐泥；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(jīng)成巖作用而轉(zhuǎn)變成褐煤；當(dāng)溫度和壓力逐漸增高，再經(jīng)變質(zhì)作用轉(zhuǎn)變成煙煤至無煙煤。泥炭化作用是指高等植物遺體在沼澤中堆積經(jīng)生物化學(xué)變化轉(zhuǎn)變成泥炭的過程。腐泥化作用是指低等生物遺體在沼澤中經(jīng)生物化學(xué)變化轉(zhuǎn)變成腐泥的過程。腐泥是一種富含水和瀝青質(zhì)的淤泥狀物質(zhì)。冰川過程可能有助于成煤植物遺體匯集和保存。
化學(xué)組成
煤中有機(jī)質(zhì)是復(fù)雜的高分子有機(jī)化合物，主要由碳、氫、氧、氮、硫和磷等元素組成，煤中的無機(jī)質(zhì)也含有少量的碳、氫、氧、硫等元素。碳是煤中最重要的組分，其含量隨煤化程度的加深而增高。泥炭中碳含量為50%~60%，褐煤為60%~70%，煙煤為74%~92%，無煙煤為 90%~98%。煤中硫是最有害的化學(xué)成分。煤燃燒時，其中硫生成SO2，腐蝕金屬設(shè)備，污染環(huán)境。煤中硫的含量可分為5級：高硫煤，大于4%；富硫煤，為2.5%~4%；中硫煤，為1.5%~2.5%；低硫煤，為1.0%~1.5%；特低硫煤，小于或等于1%。煤中硫又可分為有機(jī)硫和無機(jī)硫兩大類。
伴生元素
指以有機(jī)或無機(jī)形態(tài)富集于煤層及其圍巖中的元素。有些元素在煤中富集程度很高，可以形成工業(yè)性礦床，如富鍺煤、富鈾煤、富釩石煤等，其價值遠(yuǎn)高于煤本身。
根據(jù)煤中伴生元素的性質(zhì)和用途，可分為有益元素、有害元素和指相元素3類。有益元素主要有鍺、鎵、鈾、釩等可被利用；有害元素主要有硫、磷、氟、氯、砷、鈹、鉛、硼、鎘、汞、硒、鉻等。硫是煤中常見的有害成分，其他有害元素在煤中含量一般不高，但危害極大，如砷是一種有毒元素。煤在燃燒中，硫是造成城鎮(zhèn)環(huán)境污染的主要物質(zhì)源。當(dāng)然，對有害元素如果收集、處理得當(dāng)也可變成對人有用的財富。煤中伴生元素，有各自的地球化學(xué)性質(zhì)，形成于不同的沉積環(huán)境中。因此，可根據(jù)元素的相對含量、元素的共生組合關(guān)系及元素的比值，來判斷相和沉積環(huán)境。
主要產(chǎn)地
在各大陸、大洋島嶼都有煤分布，但煤在全球的分布很不均衡，各個國家煤的儲量也很不相同。中國、美國、俄羅斯、德國是煤炭儲量豐富的國家，也是世界上主要產(chǎn)煤國，其中中國是世界上煤產(chǎn)量最高的國家。
中國的煤炭資源在世界居于前列，僅次于美國和俄羅斯，主要煤炭基地有大同、神府、太原、晉東南、陜西、河南、兗州、兩淮、貴州、黑龍江東部。
主要煤城有河北省的開灤、峰峰；山西省的大同、陽泉、西山；遼寧省的阜新；黑龍江省的雞西、鶴崗；江蘇省的徐州；安徽省的淮北、淮南；河南省的平頂山；山東的兗州。
主要分類
煤有褐煤、煙煤、無煙煤三類。煤的種類不同，其成分組成與質(zhì)量不同，發(fā)熱量也不相同。單位質(zhì)量燃料燃燒時放出的熱量稱為發(fā)熱量，規(guī)定凡能產(chǎn)生29.27MJ低位發(fā)熱量的能源可折算為1公斤煤當(dāng)量(標(biāo)準(zhǔn)煤)，并以此標(biāo)準(zhǔn)折算耗煤量。
多為塊狀，呈黑褐色，光澤暗，質(zhì)地疏松；含揮發(fā)分40%左右，燃點(diǎn)低，容易著火，燃燒時上火快，火焰大，冒黑煙；含碳量與發(fā)熱量較低(因產(chǎn)地煤級不同，發(fā)熱量差異很大)，燃燒時間短，需經(jīng)常加煤。
一般為粒狀、小塊狀，也有粉狀的，多呈黑色而有光澤，質(zhì)地細(xì)致，含揮發(fā)分30%以上，燃點(diǎn)不太高，較易點(diǎn)燃；含碳量與發(fā)熱量較高，燃燒時上火快，火焰長，有大量黑煙，燃燒時間較長；大多數(shù)煙煤有粘性，燃燒時易結(jié)渣。
有粉狀和小塊狀兩種，呈黑色有金屬光澤而發(fā)亮。雜質(zhì)少，質(zhì)地緊密，固定碳含量高，可達(dá)80%以上；揮發(fā)分含量低，在10%以下，燃點(diǎn)高，不易著火；但發(fā)熱量高，剛?cè)紵龝r上火慢，火上來后比較大，火力強(qiáng)，火焰短，冒煙少，燃燒時間長，粘結(jié)性弱，燃燒時不易結(jié)渣。應(yīng)摻入適量煤土燒用，以減輕火力強(qiáng)度。
碳化程度最淺，含碳量少，水分多，Mar可高達(dá)90%，所以需要露天風(fēng)干后使用;泥煤的灰分很容易熔化，發(fā)熱量低，揮發(fā)分含量很多，因此極易著火燃燒。
泥煤可燃性好，很容易著火燃燒，反應(yīng)性強(qiáng)，含硫量低，灰分熔點(diǎn)低，但機(jī)械強(qiáng)度較低。因此，泥煤在工業(yè)上使用價值不高，更不宜長途運(yùn)輸，一般只作為地方性燃料使用。根據(jù)其巖石結(jié)構(gòu)不同分類，可以分為燭煤、絲炭、暗煤、亮煤和鏡煤。含有95%以上鏡質(zhì)體的為鏡煤，煤表面光亮，結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)，含有鏡質(zhì)體和亮質(zhì)體的為亮煤，含粗粒體的為暗煤，含絲質(zhì)體的為絲炭，由許多小孢子形成的微粒體組成的為燭煤。
主要用途
煤炭作為重要的能源和工業(yè)原料，其用途廣泛，主要體現(xiàn)在一下幾個方面：
電力行業(yè)：煤炭石火力發(fā)電的主要原料，通過燃燒產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動渦輪機(jī)發(fā)電，占全國煤炭消費(fèi)量的50%以上。
供熱與取暖：北方地區(qū)供暖大量使用煤炭，尤其在幾種供熱系統(tǒng)不完善的區(qū)域，煤炭是主要熱源。
鋼鐵行業(yè)：煉鐵高爐需用焦炭（煤炭干餾產(chǎn)物）提供還原劑和熱量，每噸生鐵需消耗0.4噸焦炭。
建材行業(yè)：水泥生產(chǎn)用煤炭作為燃料，玻璃制造用煤炭提供高溫熔化原料，陶瓷制造也依賴煤炭。
化工行業(yè)：通過煤炭氣化、液化可生產(chǎn)合成氨、甲醇、烯烴等基礎(chǔ)化工原料。
選別方法
① 跳汰選煤：在垂直脈動的介質(zhì)流中，使煤和矸石按密度差異分層，然后分別排出。適用于處理易選和中等可選性的煤，對粗粒煤的分選效果較好。
② 重介質(zhì)選煤：利用密度介于煤和矸石之間的重介質(zhì)懸浮液，使煤和矸石在其中按密度分離。分選精度高，能有效處理難選煤，對不同粒度的煤都有較好的分選效果。
③ 搖床選煤：利用搖床的不對稱往復(fù)運(yùn)動和薄層斜面水流的作用，使煤和矸石按密度和粒度差異進(jìn)行分選。常用于處理細(xì)粒煤。
基于煤和矸石表面潤濕性的差異，向礦漿中加入浮選藥劑，使煤粒表面疏水并附著于氣泡上，上浮成為精煤，矸石等雜質(zhì)則留在礦漿中成為尾煤。主要用于細(xì)粒煤的分選。
包括風(fēng)力選煤和空氣重介質(zhì)流化床選煤等。風(fēng)力選煤是利用空氣流作為分選介質(zhì)，按煤和矸石的密度、粒度等特性進(jìn)行分選；空氣重介質(zhì)流化床選煤是在氣固流化床中，利用加重質(zhì)形成的穩(wěn)定密度場實(shí)現(xiàn)煤與矸石的分離。干法選煤適用于干旱缺水地區(qū)，可減少水資源的消耗和環(huán)境污染。
煤矸石
在煤炭開采與洗選過程中，有一種常被忽視的固體廢棄物 —— 煤矸石。它曾因大量堆積帶來諸多環(huán)境問題而被視作“工業(yè)廢料”，但隨著科技的進(jìn)步，其蘊(yùn)含的潛在價值逐漸被挖掘，正在經(jīng)歷從“廢”到“寶”的華麗蛻變。
煤矸石主要由碳質(zhì)頁巖、碳質(zhì)砂巖、砂巖、頁巖、黏土等巖石組成，是煤層的“伴生品”。在漫長的地質(zhì)歷史時期，煤層形成過程中，這些巖石作為夾矸、頂?shù)装鍘r石或伴生巖石，在煤炭開采時一同被挖掘出來。其外觀顏色多為黑色或灰色，質(zhì)地堅(jiān)硬，與煤炭相比，煤矸石的發(fā)熱量極低，難以像煤炭那樣直接作為燃料使用，這也是它長期不受重視的關(guān)鍵原因。
過去，煤矸石的無序堆積給環(huán)境帶來了沉重壓力。從土地資源角度看，每萬噸煤矸石大約占地1畝，大量煤矸石堆積如山，侵占了寶貴的土地資源，還破壞了地表植被和生態(tài)平衡。在大氣環(huán)境方面，煤矸石堆放過程中容易發(fā)生自燃現(xiàn)象，一旦自燃，便會釋放出二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳等有害氣體，是造成大氣污染的 “隱形推手”。此外，煤矸石中含有的重金屬和有害物質(zhì)，會隨著雨水滲透到土壤和水體中，導(dǎo)致土壤板結(jié)、肥力下降，水體富營養(yǎng)化，對周邊生態(tài)環(huán)境和居民健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。
但如今，科技的進(jìn)步賦予了煤矸石“新生”。在建筑材料領(lǐng)域，煤矸石大顯身手。經(jīng)過粉碎、煅燒等一系列加工處理，它可以搖身一變，成為性能優(yōu)良的矸石磚、水泥、陶粒等。以矸石磚為例，其不僅強(qiáng)度高，而且保溫性能出色，生產(chǎn)成本還低于傳統(tǒng)黏土磚，既節(jié)省了土地資源，又實(shí)現(xiàn)了廢棄物的再利用；在能源領(lǐng)域，煤矸石發(fā)電成為重要的利用方向。通過將煤矸石與煤按一定比例混合燃燒，能有效提高能源利用率，減少煤炭消耗，并且燃燒產(chǎn)生的廢渣還能進(jìn)一步用于生產(chǎn)建筑材料，形成資源循環(huán)利用的良好模式；在化工領(lǐng)域，煤矸石中含有的硅、鋁等元素，使其成為提取化工原料的潛在寶庫。經(jīng)過復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，可從煤矸石中提取氧化鋁、二氧化硅等物質(zhì)，用于生產(chǎn)陶瓷、橡膠、塑料等產(chǎn)品。
此外，在生態(tài)修復(fù)方面，煤矸石也發(fā)揮著獨(dú)特作用。在煤礦塌陷區(qū)等生態(tài)受損區(qū)域，煤矸石被用于土地復(fù)墾，通過合理的填埋和覆土作業(yè)，可逐步恢復(fù)土地的耕種和綠化功能，助力生態(tài)環(huán)境的改善。
選別方法
煤矸石中常含有一些磁性礦物，如黃鐵礦等。利用磁選設(shè)備可以將這些磁性礦物與非磁性的煤矸石分離，達(dá)到富集有用礦物或降低煤矸石中雜質(zhì)含量的目的。
與選煤中的浮選原理類似，對于一些含有可浮性較好的礦物（如高嶺土等）的煤矸石，可通過浮選方法將其與其他雜質(zhì)分離。
通過X射線探測礦石大小、厚度、密度等特征值和相關(guān)組分的元素、原子序列對X射線反應(yīng)差異性，從而實(shí)現(xiàn)高效的礦廢分離。
對于一些含有特殊成分的煤矸石，如含有較高含量的鋁、鐵等元素，可采用化學(xué)選礦方法，通過酸浸、堿浸等工藝，使有用成分溶解出來，再經(jīng)過后續(xù)的分離、提純等步驟，實(shí)現(xiàn)有用成分的回收利用。
現(xiàn)場案例
