الكربون والهيدروجين والأكسجين هي المادة العضوية الرئيسية في الفحم، حيث تمثل أكثر من 95%؛ كلما كان التفحم أعمق، كلما زاد محتوى الكربون وانخفض محتوى الهيدروجين والأكسجين. الكربون والهيدروجين هما العنصران اللذان يولدان الحرارة أثناء احتراق الفحم، والأكسجين هو العنصر الداعم للاحتراق. عند حرق الفحم، لا يولد النيتروجين حرارة، بل يتحول إلى أكاسيد النيتروجين والأمونيا عند درجة حرارة عالية، ويترسب في حالة حرة. الكبريت والفوسفور والفلور والكلور والزرنيخ هي مكونات ضارة في الفحم، وأهمها الكبريت. عند حرق الفحم، يتأكسد معظم الكبريت إلى ثاني أكسيد الكبريت (SO2)، الذي ينطلق مع غاز المداخن، مما يلوث الغلاف الجوي، ويعرض نمو الحيوانات والنباتات وصحة الإنسان للخطر، ويؤدي إلى تآكل المعدات المعدنية؛ عندما يتم استخدام الفحم الذي يحتوي على نسبة عالية من الكبريت في فحم الكوك المعدني، فإنه يؤثر أيضًا على جودة فحم الكوك والصلب. ولذلك فإن محتوى "الكبريت" يعد أحد المؤشرات المهمة لتقييم جودة الفحم.

يُطلق على الغاز القابل للاحتراق الناتج عن تحلل المواد العضوية في الفحم تحت درجات حرارة وظروف معينة اسم "المتطاير"، وهو غاز مختلط يتكون من هيدروكربونات مختلفة والهيدروجين وأول أكسيد الكربون ومركبات أخرى. يعد مؤشر جودة الفحم المتطاير أيضًا هو المؤشر الرئيسي لجودة الفحم، والذي يلعب دورًا مرجعيًا مهمًا في تحديد طرق المعالجة والاستخدام والظروف التكنولوجية للفحم. يحتوي الفحم ذو درجة التفحم المنخفضة على مادة أكثر تطايرًا. إذا كانت ظروف الاحتراق غير مناسبة، فإن الفحم ذو المحتوى المتطاير العالي سوف ينتج بسهولة جزيئات الكربون غير المحترقة عند الاحتراق، والمعروف باسم "الدخان الأسود"؛ وينتج المزيد من الملوثات مثل أول أكسيد الكربون والهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات والألدهيدات، كما تنخفض الكفاءة الحرارية. ولذلك، ينبغي اختيار ظروف الاحتراق والمعدات المناسبة وفقا للمادة المتطايرة للفحم.

هناك عدد قليل من المواد غير العضوية في الفحم، وخاصة الماء والمعادن، ووجودها يقلل من جودة الفحم وقيمة استخدامه. المعادن هي الشوائب الرئيسية في الفحم، مثل الكبريتيد والكبريتات والكربونات، ومعظمها مكونات ضارة.

"للرطوبة" تأثير كبير على معالجة واستخدام الفحم. عندما يتحول الماء إلى بخار أثناء الاحتراق، فإنه يمتص الحرارة، وبالتالي يقلل من القيمة الحرارية للفحم. يمكن تقسيم الرطوبة في الفحم إلى رطوبة خارجية ورطوبة داخلية، وتستخدم الرطوبة الداخلية بشكل عام كمؤشر لتقييم جودة الفحم. كلما انخفضت درجة التفحم، زادت مساحة السطح الداخلي للفحم وارتفع محتوى الرطوبة.

"الرماد" هو البقايا الصلبة المتبقية بعد حرق الفحم بالكامل، وهو مؤشر مهم لجودة الفحم. يأتي الرماد بشكل رئيسي من المعادن غير القابلة للاحتراق الموجودة في الفحم. عندما يتم حرق المعدن، يجب أن يمتص الحرارة، وكمية كبيرة من الخبث ستزيل الحرارة، وبالتالي كلما زاد الرماد، انخفضت الكفاءة الحرارية لاحتراق الفحم؛ كلما زاد الرماد، زاد الرماد الناتج عن احتراق الفحم، وكلما زاد الرماد المتطاير. بشكل عام، يكون محتوى الرماد في الفحم عالي الجودة والفحم النظيف منخفضًا نسبيًا [1].

يتم توزيع الفحم في جميع القارات والجزر المحيطية، لكن توزيع الفحم في العالم متفاوت للغاية، كما أن احتياطيات الفحم في مختلف البلدان مختلفة تمامًا. تعد الصين والولايات المتحدة وروسيا وألمانيا غنية باحتياطيات الفحم، كما أنها من الدول الرئيسية المنتجة للفحم في العالم، ومن بينها الصين هي الدولة التي لديها أعلى إنتاج للفحم في العالم. وتأتي موارد الفحم في الصين في طليعة العالم، وتأتي في المرتبة الثانية بعد الولايات المتحدة وروسيا وأستراليا [9].

على الرغم من أن المكانة المهمة للفحم قد حل محلها النفط، إلا أنها سوف تتراجع حتماً لفترة طويلة من الزمن بسبب النضوب التدريجي للنفط. ونظرا للاحتياطيات الضخمة من الفحم والتطور السريع للعلوم والتكنولوجيا، أصبحت التكنولوجيات الجديدة مثل تغويز الفحم ناضجة ومستخدمة على نطاق واسع.

وفقًا للمواد الأصلية المختلفة وظروف تكوين الفحم، يمكن تقسيم الفحم في الطبيعة إلى ثلاث فئات، وهي الفحم الدبالي، والفحم الدبالي المتبقي، والفحم السابروبيلي.

الصين هي أول دولة تستخدم الفحم في العالم. تم العثور على مصنوعات يدوية من الفحم في موقع شينله الثقافي القديم في مقاطعة لياونينغ، كما تم العثور على كعك الفحم في مدينة قونغيي بمقاطعة خنان.

في شان هاي جينغ، يُسمى الفحم الحجري، بينما في سلالتي وي وجين، يُسمى الفحم بالجرافيت أو الفحمي. تم استخدام اسم الفحم لأول مرة في خلاصة وافية للمواد الطبية بواسطة Li Shizhen في عهد أسرة مينغ.

وكانت اليونان وروما القديمة أيضًا من الدول التي استخدمت الفحم في وقت سابق. كتب العالم اليوناني ثيوفراستوس تاريخ الحجر حوالي عام 300 قبل الميلاد، والذي سجل طبيعة الفحم وأصله. بدأت روما القديمة في استخدام الفحم للتدفئة منذ حوالي 2000 عام.

الفحم عبارة عن طبقة سميكة للغاية من الدبال الأسود المتراكم على الأرض بواسطة أغصان النباتات وجذورها لملايين السنين. وبسبب تغير القشرة الأرضية فإنها تبقى مدفونة بشكل مستمر تحت الأرض ومعزولة عن الهواء لفترة طويلة، وبعد سلسلة من التغيرات الفيزيائية والكيميائية المعقدة تحت درجة حرارة عالية وضغط مرتفع، تشكل صخرة رسوبية سوداء قابلة للاشتعال، والتي هي عملية تكوين الفحم.

ويرتبط سمك طبقة الفحم في منجم للفحم بسرعة تدهور القشرة الأرضية وتراكم بقايا النباتات في هذه المنطقة. قشرة الأرض تتساقط بسرعة، وبقايا النباتات تتراكم سميكة، وبالتالي فإن طبقة الفحم في منجم الفحم هذا سميكة. على العكس من ذلك، فإن قشرة الأرض تتساقط ببطء، وبقايا النباتات تتراكم بشكل رقيق، وبالتالي فإن طبقة الفحم في منجم الفحم هذا رقيقة. بسبب الحركة التكتونية لقشرة الأرض، تطوى طبقات الفحم الأفقية الأصلية وتتكسر. يتم دفن بعض طبقات الفحم بشكل أعمق تحت الأرض، ويتم دفع بعضها الآخر إلى السطح، أو حتى يتعرض للأرض، وهو ما يسهل على الناس العثور عليه. هناك أيضًا بعض طبقات الفحم التي تكون رقيقة نسبيًا وصغيرة المساحة، لذلك لا توجد قيمة تعدينية، ولا يوجد بيان محدث حول تكوين الفحم.

هل يتكون الفحم بهذه الطريقة؟ ما إذا كان ينبغي مزيد من الدراسة والمناقشة لبعض المعارض. يحتوي منجم الفحم الكبير على طبقة فحم سميكة وجودة فحم ممتازة، لكن مساحته ليست كبيرة جدًا بشكل عام. وإذا كان تراكمًا طبيعيًا لأوراق وجذور النباتات لملايين السنين، فيجب أن تكون مساحتها كبيرة جدًا. ونظرًا لأن الغابات والمراعي كانت موجودة في كل مكان على وجه الأرض في العصور القديمة، فيجب أن تكون هناك آثار لتخزين الفحم في كل مكان تحت الأرض؛ ليس بالضرورة أن يكون التماس الفحم سميكًا جدًا، لأن أوراق النباتات وجذورها تتعفن وتتحول إلى دبال، والتي ستمتصها النباتات. إذا تكرر ذلك، فلن يكون شديد التركيز عندما يتم دفنه أخيرًا تحت الأرض، ولن تكون الحدود بين طبقة التربة وطبقة الفحم واضحة جدًا.

ومع ذلك، لا يمكن إنكار حقيقة وأساس أن الفحم يتشكل بالفعل من خلال التطور المنهجي لمخلفات النباتات، وهي حقيقة لا يمكن دحضها. طالما أنك تراقب كتلة الفحم بعناية، يمكنك رؤية آثار أوراق وجذور النباتات؛ إذا قمت بتقطيع الفحم ومراقبته تحت المجهر، يمكنك العثور على أنسجة وهياكل نباتية واضحة جدًا، وفي بعض الأحيان يتم حفظ أشياء مثل الجذوع في طبقات الفحم، ولا تزال بعض طبقات الفحم مغلفة بحفريات حشرية كاملة.

تحت درجة الحرارة والضغط الطبيعي للسطح، تتحول بقايا النبات المتراكمة في المياه الراكدة إلى خث أو سابروبيلي بواسطة الخث أو السابروبيلي؛ بعد دفنه، يغوص طين الخث أو السابروبيل إلى أعماق الأرض بسبب انحدار قاع الحوض ويتحول إلى الليجنيت من خلال عملية التحوير؛ وعندما ترتفع درجة الحرارة والضغط تدريجياً، يتحول إلى فحم قاري إلى فحم الأنثراسايت عن طريق التحول. يشير الخث إلى العملية التي تتراكم فيها بقايا النباتات العليا في المستنقعات وتتحول إلى خث من خلال التغيرات البيوكيميائية. يشير التحلل إلى العملية التي يتم بها تحويل بقايا الكائنات الحية السفلية إلى طين سابروبيلي من خلال التغيرات البيوكيميائية في المستنقعات. السابروبارجيت هو نوع من المواد الموحلة الغنية بالماء والإسفلتين. قد تساهم عملية الأنهار الجليدية في جمع بقايا النباتات المكونة للفحم والحفاظ عليها [2].

عصر تكوين الفحم

في العصر الجيولوجي بأكمله، هناك ثلاث فترات رئيسية لتكوين الفحم في العالم:

في العصر الكربوني القديم والعصر البرمي، كانت النباتات المكونة للفحم عبارة عن نباتات بوغية بشكل أساسي. أنواع الفحم الرئيسية هي الفحم البيتوميني والأنثراسايت.

في العصر الجوراسي والطباشيري من الدهر الوسيط، كانت النباتات المكونة للفحم هي في الأساس عاريات البذور. أنواع الفحم الرئيسية هي الفحم الحجري والفحم البيتوميني.

في العصر الثالث من حقب الحياة الحديثة، كانت النباتات المكونة للفحم عبارة عن كاسيات البذور بشكل أساسي. الفحم الرئيسي هو الفحم الحجري، يليه الخث وبعض الفحم القاري الصغير.

يعد الفحم مصدر الطاقة الأحفورية الأكثر توزيعًا على نطاق واسع في العالم، وينقسم بشكل أساسي إلى أربع فئات: الفحم البيتوميني والأنثراسيت، والفحم شبه البيتوميني والليغنيت. يتركز 60% من احتياطيات الفحم القابلة للاستخراج في العالم في الولايات المتحدة (25%) والجمهوريات السوفييتية (23%) والصين (12%). وبالإضافة إلى ذلك، تنتج أستراليا والهند وألمانيا وجنوب أفريقيا 29% من إجمالي إنتاج الفحم في العالم، كما أن احتياطيات الفحم المؤكدة تزيد عن احتياطيات النفط بأكثر من 63 مرة. البلدان التي لديها احتياطيات غنية بالفحم في العالم هي أيضًا فحم.