黑色的“木块”

煤炭的开采最早可以追溯到几千年前,在已有的记录中,最早开采煤炭的时代在中国古代和古罗马帝国,包括历史中其他早期历史经济体中。

我们都知道,煤炭是由树木经过数十万年的沉积碳化出现

世界上最高的煤层在哪(100多米厚的煤层是如何形成的)(1)

煤炭与木材燃烧相比,每单位的煤能够产出更高的能量,带来更高的比能。

过去很长一段时间里,煤炭都是家用燃料的优秀选择。

尽管它会带来许多不可消除的影响,例如烟雾、燃烧废弃物,但在天然气完全替代煤炭作为家用燃料之前,煤的使用相当丰富

如今煤炭更多用于工业制造和工业生产,特别是在冶炼、合金和发电方面,几乎很难再找到像煤炭这样简单直接的原生产材料

工业革命之后,煤炭的开采技术更是大幅度提升。

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典型的暴露煤层

无论是地表煤层的暴露面还是相对较浅的位置,煤炭都可以通过露天开采的方法进行大规模生产活动。

直到18世纪后期,英国发展出了开采地下煤层的主要技术,到了19和20世纪,这一技术得到推进。

露天开采的煤层在今天已经不再多见,除了人为开采对煤炭这样的不可再生资源的历史因素外,露天煤层需要一定的自然保存才能够让煤层暴露在地表。

决定采矿方法的两个因素中,煤层厚度地质是主要因素。

对于露天采煤来讲,最经济的采煤方法是电铲一类的生产工具。

它带有两个硬质合金钻头的旋转鼓,沿着煤层一部分运行,并对煤层像剥洋葱一般开采。

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露天采矿的大型采矿机

因此露天采矿和深地下采矿是采煤的两种基本方法,开采的方法选择主要取决于煤层深度、密度、覆盖层和厚度。

如果相对靠近地表,深度小于55米的煤层一般可以采用露天开采

产于55~90米深度的煤层通常是深开采,如果深度超过90米则会更加复杂,并且更具挑战性。

不过也有十分特别的例子,即使是在地下300~460米的煤层中也有露天开采作业。

这样的煤层通常煤量丰富,并且煤层清晰,地质结构稳定,允许大型器械进行深度开采。

向下环绕开采的方式会让煤层逐渐形成一个大坑,运输车辆就通过开采出来的道路进行运输。

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或许有人会因此感到疑惑,这些100多米厚的煤层是怎么形成的?

如果说煤炭的形成需要树木支持,要沉积这么多煤炭。远古地球上真有这么多植物吗?

煤炭怎么来的

煤炭的形成较为复杂,并且要从多个方面进行分析,首先是形成过程

枯死的植物被转化为煤的过程被称作煤化,在地球地质历史的不同时期,煤化的表现也不一样

低洼湿地地区,植物死后的植物物质会被保护,从而免受生物降解和氧化

通常这一过程是由泥浆或者酸性水完成,并在长期的积累过程中成为泥炭

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煤炭的沉积过程

这将碳捕获在巨大的泥炭沼泽中,最终被沉积物深深掩埋在地下。

经过数百万年的沉积,深埋在地下的泥潭由于受到热量和压力的影响,导致泥炭中的水、二氧化碳和甲烷丢失,碳的比例增加

因此从这方面来讲,煤的生产等级取决于达到的最大压力和温度

在涉及煤化的因素中,温度比压力或者埋藏时间来讲要重要得多。

比如次烟煤可以在低至35~80摄氏度之间形成,而无烟煤的形成至少需要180~245℃。

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煤的化学结构

另外在煤炭的形成过程中,堆积作用也很重要,它需要大量的植物进行参与。

植物堆积大致可以分为原地堆积异地堆积,前者通常指植物残骸没有经过流水或者风的搬运作用,直接在原地慢慢堆积。

后者情况与之相反,由于水流或者其他外界因素的干扰,煤炭堆积会因水流作用出现在其他没有植物堆积的地方。

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煤层堆积形成的区域

例如我国的华北平原,那里的煤层就由西部高原河流的影响,从而带来了大量的煤炭。

再者就是微生物作用,它们会出现在已经死亡的植物中,然后逐步分解植物,形成新的有机体。

从化学层面看,植物的木质组织主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。

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经历了数百万年历史的煤炭

现代泥炭多为木质素,纤维素和半纤维素的含量占据40%左右,并且还存在其他有机化合物。

不管是木质素还是纤维素,留存最多的元素为碳氢氧,煤作为植物高度碳化的结果,这意味着煤炭主要会通过脱水、脱羧和去甲烷。

除此之外,不同植物类型死亡后形成的煤炭也有较大区别。

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木质素在植物中的表现

例如孢子植物主要生成烟煤无烟煤,如果是新生代时期的被子植物则以褐煤和泥炭为主。

经过这一系列的介绍我们已经得知,煤炭的具体形成过程还有影响因素。

简单的思考就不难发现,那些特厚的煤层往往需要大量的植物进行沉积。

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非常典型的烟煤

尽管在地球的大多数地质时期都有煤炭,但所有的煤层基本都在石炭纪和二叠纪。

晚古生代冰河期,由于冰川作用导致的海平面下降给煤炭形成提供了理想条件,但在三叠纪之后,煤炭的形成基本告终。

跨越时代的沉积

在过去的几十亿年中,石炭纪至三叠纪期间地球的气候足够温暖湿润,非常适合植物生长。

因此这一时期植物的面积足够充足,个头也十分高大

另外在远古时代的地球,植物的生长环境主要以藻类植物和菌类植物为主,包括石炭纪时期的沼泽地。

这些都为煤炭沉积带来的有利因素。

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远古时代的地球几乎全是大型植物

另外在特厚煤层中还有一个因素不可忽略的是,地质活动的影响

地质学家在对特厚煤层的研究中普遍发现,要想形成这样的煤层除了植物多,地壳运动对其的影响也很小。

这让沉积过程有了一个稳定的环境,由此不会出现断层的现象。

不过仅凭有利的地理位置大量植物还不能广泛解释石炭纪的煤层,导致煤层快速沉积的其他因素还有高含氧量

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高含氧量便是富足的植物

这会促进野火的发生,并且增加木炭的出现

但在3亿年前,煤层的形成被突然放缓。

后来科学家经过研究认为,木质分解素的出现导致树木沉积来不及碳化。

真菌进化出来的木质分解素能够分解树木结构,并且大量降解木质素。

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木头上长出的白腐真菌

相关分析认为,一种白腐真菌的祖先大约在2.9亿年前进化出了这种木质素降解能力。

在早期的树木中,木质素的出现使得植物能够长得更硬、更具木质化。

但这一时期的真菌和细菌还没有进化出分解能力。因此树木在死亡后并没有完全腐烂,而是跟着地质沉积被埋进了地下,最终碳化形成煤。

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石炭纪沉积物中埋藏的石松石化石

白腐真菌分解木质素的过程简单来讲,真菌通过释放出的活性分子和酶将植物的保护化合物“撕裂”

一旦保护树木的木质素被分解,白腐真菌就可以消化吸收纤维素,然后将其转为糖份供自己生长。

所以从这几个方面来讲,远古地球确实是有充足的资源让煤炭去慢慢发展。

另外在地球造煤的几个重要时期内,超过6000万年的时间足以让煤层有充足的时间去发育

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被褐腐真菌侵蚀的木头

不过在今天,科学家发现褐腐真菌已经进化出了一种绕开分解木质素的能力,这样植物在死亡后即使被真菌分解仍然可以保留木质素。

科学家认为温带地区的森林中,已经死去的棕色原木会在几百万年后逐渐形成煤炭。

这样的未来十分遥远,当下需要做的是尽可能避免依赖煤炭资源给环境带来的问题。

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