פחמן, מימן וחמצן הם החומר האורגני העיקרי בפחם, המהווים יותר מ-95%; ככל שהגיבוש עמוק יותר, תכולת הפחמן גבוהה יותר ותכולת המימן והחמצן נמוכה יותר. פחמן ומימן הם היסודות היוצרים חום במהלך שריפת הפחם, והחמצן הוא היסוד התומך בעירה. כאשר שורפים פחם, חנקן אינו מייצר חום, אלא הופך לתחמוצות חנקן ואמוניה בטמפרטורה גבוהה, ומושקע במצב חופשי. גופרית, זרחן, פלואור, כלור וארסן הם מרכיבים מזיקים בפחם, שהגופרית היא החשובה שבהם. כאשר שורפים פחם, רוב הגופרית מתחמצנת לגופרית דו-חמצנית (SO2), הנפלטת בגז הפליטה, מזהמת את האטמוספירה, מסכנת את גידול בעלי החיים והצומח ואת בריאות האדם ומכשילה ציוד מתכת; כאשר משתמשים בפחם עם תכולת גופרית גבוהה בקוקינג מתכות, זה משפיע גם על איכות הקוקס והפלדה. לכן, תכולת ה"גופרית" היא אחד המדדים החשובים להערכת איכות הפחם.

הגז הדליק שנוצר מפירוק חומר אורגני בפחם בטמפרטורה ובתנאים מסוימים נקרא "נדיף", שהוא גז מעורב המורכב מפחמימנים שונים, מימן, פחמן חד חמצני ותרכובות נוספות. נדיף הוא גם מדד איכות הפחם העיקרי, הממלא תפקיד התייחסות חשוב בקביעת דרכי העיבוד והניצול והתנאים הטכנולוגיים של הפחם. לפחם עם דרגת קיבול נמוכה יש חומר נדיף יותר. אם תנאי הבעירה אינם מתאימים, הפחם בעל תכולת הנדיפים הגבוהה יפיק בקלות חלקיקי פחמן לא נשרפו בעת הבעירה, הידוע בכינויו "עשן שחור"; ומייצרים יותר מזהמים כמו פחמן חד חמצני, פחמימנים ארומטיים פוליציקליים ואלדהידים, והיעילות התרמית מופחתת. לכן, יש לבחור תנאי בעירה וציוד מתאימים בהתאם לחומר הנדיף של הפחם.

בפחם יש מעט חומרים אנאורגניים, בעיקר מים ומינרלים, וקיומם מפחית את איכותו וערך הניצול של הפחם. מינרלים הם הזיהומים העיקריים בפחם, כמו גופרית, סולפט וקרבונט, רובם רכיבים מזיקים.

ל"לחות" השפעה רבה על עיבוד וניצול הפחם. כאשר מים מתחלפים לקיטור בזמן הבעירה, הם סופגים חום ובכך מפחיתים את הערך הקלורי של הפחם. ניתן לחלק את הלחות בפחם ללחות חיצונית ולחות פנימית, ולחות פנימית משמשת בדרך כלל כמדד להערכת איכות הפחם. ככל שמידת הגיבוש נמוכה יותר, כך שטח הפנים הפנימי של הפחם גדול יותר ותכולת הלחות גבוהה יותר.

"אפר" הוא השאריות המוצקות שנותרו לאחר שריפה מלאה של הפחם, והוא מהווה מדד חשוב לאיכות הפחם. האפר מגיע בעיקר ממינרלים בלתי דליקים בפחם. כאשר המינרל נשרף, הוא אמור לספוג חום, וכמות גדולה של סיגים תיקח חום, כך שככל שהאפר גבוה יותר, היעילות התרמית של שריפת הפחם נמוכה יותר; ככל שיותר אפר, כך נוצר יותר אפר משריפת פחם, ויותר אפר זבוב נשפך. בדרך כלל, תכולת האפר של פחם איכותי ופחם נקי נמוכה יחסית [1].

הפחם מופץ בכל היבשות ואיי האוקיינוס, אך תפוצת הפחם בעולם היא מאוד לא אחידה, וגם עתודות הפחם במדינות שונות שונות מאוד. סין, ארצות הברית, רוסיה וגרמניה עשירות ברזרבות פחם, והן גם מדינות מייצרות פחם מרכזיות בעולם, ביניהן סין היא המדינה עם תפוקת הפחם הגבוהה בעולם. משאבי הפחם של סין נמצאים בחזית העולם, שניים רק לארצות הברית, הרוסית והאוסטרלית [9].

אף על פי שהמיקום החשוב של הפחם הוחלף בנפט, במשך תקופה ארוכה, הוא יירד בהכרח עקב דלדול הנפט ההדרגתי. בשל עתודות הפחם העצומות וההתפתחות המהירה של המדע והטכנולוגיה, טכנולוגיות חדשות כמו גיזוז פחם הפכו בשלות ונפוצות בשימוש נרחב.

על פי החומרים המקוריים והתנאים השונים של היווצרות פחם, ניתן לחלק את הפחם בטבע לשלוש קטגוריות, כלומר פחם חומוס, פחם חומוס שיורי ופחם ספרופלי.

סין היא המדינה הראשונה שמשתמשת בפחם בעולם. עבודות יד פחם נמצאו באתר התרבות העתיק שינל במחוז ליאונינג, ועוגות פחם נמצאו גם בעיר גונגי, מחוז הנאן.

בשאן האי ג'ינג, פחם נקרא אבן nie, בעוד שבשושלות ווי וג'ין, פחם נקרא גרפיט או פחמן. השם פחם שימש לראשונה ב-Compendium of Materia Medica על ידי לי שיז'ן בשושלת מינג.

יוון ורומא העתיקה היו גם מדינות שהשתמשו בפחם קודם לכן. החוקר היווני תיאופרסטוס כתב את "ההיסטוריה של האבן" בערך בשנת 300 לפני הספירה, שתיעד את טבעו ומקורו של הפחם. רומא העתיקה החלה להשתמש בפחם לחימום לפני כ-2000 שנה.

פחם הוא שכבה עבה במיוחד של חומוס שחור המצטבר על הקרקע על ידי ענפים ושורשים של צמחים במשך מיליוני שנים. בגלל השינוי בקרום כדור הארץ, הוא קבור ללא הרף מתחת לאדמה ומבודד מהאוויר במשך זמן רב, ולאחר סדרה של שינויים פיזיקליים וכימיים מסובכים בטמפרטורה גבוהה ולחץ גבוה, הוא יוצר סלע משקע דליק שחור, אשר הוא תהליך היווצרות הפחם.

עובי תפר פחם במכרה פחם קשור למהירות ירידת הקרום והצטברות שרידי צמחים באזור זה. קרום כדור הארץ יורד במהירות, ושרידי הצמח נערמים עבים, כך שתפר הפחם במכרה הפחם הזה עבה. להיפך, קרום כדור הארץ יורד באיטיות, ושרידי הצמחים נערמים דק, ולכן תפר הפחם במכרה הפחם הזה דק. בגלל התנועה הטקטונית של קרום כדור הארץ, תפרי הפחם האופקיים המקוריים מקופלים ונשברים. חלק מתפרי הפחם קבורים עמוק יותר מתחת לאדמה, אחרים נדחפים אל פני השטח, או אפילו נחשפים לאדמה, שקל למצוא אותה על ידי אנשים. יש גם כמה תפרי פחם שהם יחסית דקים וקטנים בשטחם, כך שאין ערך כרייה, ואין הצהרה מעודכנת לגבי היווצרות הפחם.

האם נוצר פחם בצורה כזו? האם יש להמשיך ולדון בכמה תערוכות. למכרה פחם גדול יש תפר פחם עבה ואיכות פחם מעולה, אך שטחו אינו גדול במיוחד. אם מדובר בהצטברות טבעית של עלים ושורשים של צמחים במשך מיליוני שנים, שטחו צריך להיות גדול מאוד. מכיוון שיערות ואדמות עשב היו בכל מקום על פני כדור הארץ בימי קדם, צריכים להיות עקבות של אחסון פחם בכל מקום מתחת לאדמה; תפר הפחם אינו בהכרח עבה במיוחד, מכיוון שעלים ושורשים של צמחים נרקבים לחומוס, שייספג בצמחים. אם זה יחזור על עצמו, זה לא יהיה כל כך מרוכז כאשר הוא סוף סוף קבורה מתחת לאדמה, והגבול בין שכבת האדמה לתפר הפחם לא יהיה כל כך ברור.

עם זאת, אין להכחיש את העובדה והבסיס שפחם נוצר באמת על ידי התפתחות שיטתית של פסולת צמחים, וזו אמת שאין להפריכה. כל עוד אתה מתבונן בקפידה בגוש הפחם, אתה יכול לראות עקבות של עלים ושורשים של צמחים; אם פורסים פחם ומתבוננים בו במיקרוסקופ, אפשר למצוא רקמות ומבנים של צמחים ברורים מאוד, ולפעמים דברים כמו גזעים נשמרים בתפרי פחם, וכמה תפרי פחם עדיין עטופים במאובני חרקים שלמים.

תחת הטמפרטורה והלחץ הרגילים של פני השטח, שרידי הצמח שהצטברו במים עומדים הופכים לכבול או ספרופלי על ידי כבול או ספרופלי; לאחר הקבורה, שוקעים כבול או בוץ ספרופלי אל מתחת לאדמה עקב ירידת מרתף האגן והופכים לליגניט באמצעות דיגנזה; כאשר הטמפרטורה והלחץ עולים בהדרגה, הוא הופך לפחם ביטומני לאנתרציט על ידי מטמורפיזם. פיאטיזציה מתייחסת לתהליך שבו שרידי צמחים גבוהים מצטברים בביצות והופכים לכבול באמצעות שינויים ביוכימיים. ספרופרגיזציה מתייחסת לתהליך שבו שרידי אורגניזמים נמוכים הופכים לבוץ ספרופלי באמצעות שינויים ביוכימיים בביצות. ספרופרגיט הוא מעין חומר בוצי עשיר במים ובאספלטן. תהליך הקרחון עשוי לתרום לאיסוף ולשימור של שרידי צמחים היוצרים פחם [2].

עידן היווצרות הפחם

בכל העידן הגיאולוגי, קיימות שלוש תקופות עיקריות של יצירת פחם בעולם:

בפחמן הפליאוזואיק ובפרמיאן, הצמחים היוצרים פחם היו בעיקר צמחי נבגים. סוגי הפחם העיקריים הם פחם ביטומני ואנתרציט.

ביורה ובקרטיקון של מזוזואיקון, הצמחים היוצרים פחם היו בעיקר גימנוספרמים. סוגי הפחם העיקריים הם ליגניט ופחם ביטומני.

בשלישוני הקנוזואיקון, הצמחים היוצרים פחם היו בעיקר אנגיוספרים. הפחם העיקרי הוא ליגניט, ואחריו כבול ומעט פחם ביטומני צעיר.

פחם הוא משאב האנרגיה המאובנים הנפוץ ביותר בעולם, אשר מחולק בעיקר לארבע קטגוריות: פחם ביטומני ואנתרציט, פחם תת-ביטומני וליגניט. 60% ממאגרי הפחם הניתנים להשבתה בעולם מרוכזים בארצות הברית (25%), הרפובליקות הסובייטיות (23%) וסין (12%). בנוסף, אוסטרליה, הודו, גרמניה ודרום אפריקה מהוות 29% מכלל ייצור הפחם בעולם, ועתודות הפחם המוכחות הן יותר מפי 63 מאתודות הנפט. המדינות עם עתודות פחם עשירות בעולם הן גם פחם.