石炭

石炭の成り立ち

現在の地球上では、枯れた樹木は時間とともに大半が菌類（カビ・キノコ等）、細菌、昆虫（シロアリ等）などによって分解されてしまうが、石炭ができるためには完全に分解される前に地中に埋没することが必要である。特に古生代においてはそれら分解者が、まだ出現していなかったり少数派であったため大量の植物群が分解前に埋没していた。植物の遺体が分解されずに堆積する場所として湿原や湿地帯が挙げられる。これらの場所においては植物の死体は酸素の少ない水中に沈むことによって生物による分解が十分進まず、分解されずに残った組織が泥炭となって堆積する。泥炭は植物が石炭になる入り口とされている。他の成因として大規模な洪水で大量の樹木が湖底等の低地に流れ込んで土砂に埋まることも考えられる。地中に埋まった植物は年代を経るに従って 泥炭→褐炭→歴青炭→無煙炭 に変わってゆく。この変化を石炭化と呼ぶ。

石炭化

地中に埋まった植物が地圧や地熱を受けて石炭になる変化を総称して石炭化と呼ぶ。これは多様な化学反応を伴った変化である。セルロースやリグニンを構成する元素は炭素、酸素、水素であるが、石炭化が進むに従って酸素や水素が減って炭素濃度が上がってゆき、外観は褐色から黒色に変わり、固くなってゆく。炭素の含有量は泥炭の70%以下から順次上昇して無煙炭の炭素濃度は90%以上に達する。化学的には植物生体由来の脂肪族炭化水素が脱水反応により泥炭・褐炭になり、次に脱炭酸反応により瀝青炭となり、最後に脱メタン反応により芳香族炭化水素主体の無煙炭に変わってゆく。植物が石炭化する速度は地中での圧力や温度の影響を受ける。日本は環太平洋造山帯に位置し地殻変動が盛んなため、諸外国の産地よりも高温・高圧にさらされて石炭化の進行が早いとする説もある。

地球温暖化

石炭使用の最大かつ最も長期的な影響は、気候変動と地球温暖化に強い影響を与える物質である温室効果ガスである二酸化炭素(CO₂)の放出である。石炭は、2017年時点で世界の一次エネルギーの4分の1を供給し、石炭火力発電は、2018年の世界のCO₂排出量増加の最大の要因であり、化石燃料からの温室効果ガス総排出量の40％となっている。石炭採掘は、別の温室効果ガスであるメタンを放出する。
石炭は高品位になるほど炭素含有量が増えて水素・酸素が減ってゆき、無煙炭の炭素含有量は90 %以上に達する。他の燃料を燃焼すると二酸化炭素と水ができるが、高品位の石炭を燃やすと燃焼生成物の大部分が二酸化炭素となる。硫黄酸化物除去は実用化されており、二酸化炭素は地中処分が検討されているが、日本では貯留層に70年分の容量しかないといい、既存石炭火力発電所を寿命まで使い切って次世代発電所にバトンタッチする繋ぎ技術と目されている。

石炭使用の黎明期

古代ギリシアのテオプラストスの記録（紀元前315年）に石炭が鍛冶屋の燃料として使われたと書かれている。ほぼ同年代の中国戦国時代でも石炭を使用した遺跡が見つかっている。宋代から大々的に燃料として用いられるようになり、その強い火力により中華料理の炒め物のメニューができた。日本での本格使用は江戸時代に筑豊炭田の石炭が瀬戸内海の製塩に用いられた記録がある。イギリスは国内に豊富な石炭資源を有し、一部は地表に露出していたため700年以上前から燃料として使われていた。18世紀にイギリスで産業革命が始まり、製鉄業をはじめとした工業が大規模化した。燃料消費量が増え 従来の薪や木炭を使用した工業システムでは森林資源の回復が追いつかなくなる問題が持ち上がり、工業用燃料として石炭が注目され始めた。

石炭から石油への移行

20世紀にはいると石油の採掘技術が発展し、アメリカ国内、中東、インドネシアで大規模な油田が開発されて、大量に安価に入手できるようになった。石油は液体なので貯蔵・移送が便利な上、発熱量が大きく、煤煙が少ないので石炭に代わる燃料として使われるようになった。1910年まで世界の海軍の主要艦艇の燃料は石炭であったが、イギリスでは1914年に竣工した軽巡洋艦アリシューザ級と1915年竣工の戦艦クイーン・エリザベス級以後の艦は、燃料を重油に切り替えた。日本などの国々でも1920年代以後に建造された艦の燃料はほとんど全て石油に切り替わった。他の分野では石油への切り替えは少し遅れた。鉄道分野では当初動力車として蒸気機関車のみしかなかったが、1940年代にはアメリカで高出力ディーゼル機関車の本格運用が始まった。ドイツは第二次世界大戦中に、輸入が途絶した石油の代替として石炭液化技術を実用化した。これは高温（500℃以上）高圧（数十気圧以上）の条件下で石炭と水素を反応させて炭化水素を合成する方法であった。
第二次世界大戦で敗戦した日本は疲弊した国内産業の建て直しのために国策として石炭の増産を実施し（傾斜生産方式）、戦後の復興を遂げた。当時火力発電はほとんど石炭を燃料としていた。しかし1960年から発電用燃料として石油の使用量が増大し、1970年代には石炭のみを使う火力発電所は新設されなくなった時期があった。また既設の石炭火力発電所も石油使用に改造された。しかし2度のオイルショックを経て石油の価格競争力が石炭や天然ガスに劣るようになったため、1980年以降は原子力発電を主力とし、石炭火力発電と天然ガスコンバインドサイクルを組み合わせバランスよく使用するように方針転換されている（電源ベストミックス）。ただし化学工業の原料としては、現在圧倒的に石油が使われている。現在の化学工業の基本となっているのは、石油の低沸点部分ナフサを原料としたエチレンである。
燃料や工業原料としての石炭使用は石油や天然ガスに切り変わった部分も多いが、鉄鉱石を精錬して鉄に変える高炉では、瀝青炭から作られたコークスを大量に使用している。日本の石炭使用量の大きな部分が製鉄業であることは変わっていない。

石油危機と石炭回帰・天然ガスとの競争

二度の石油危機以降、原油価格がバーレル2ドルから12ドルへ上昇し、発電・工業用ボイラ燃料・セメント焼成燃料は1980年代に再び石炭に戻った。一方で石油代替燃料のライバルとして天然ガスが登場した。しかしながら価格が最も安価なため、1980年代以降も米国や中国では石炭火力発電が発電の大きな柱となっている。日本では、東京電力・中部電力・関西電力のような大都市圏の電力会社では比較的天然ガスの比率が高いものの、地方の電力会社では、沖縄電力が2015年の統計で発送電電力量構成比で石炭火力発電が62%をしめるのを筆頭に、中国電力でも56%、北陸電力でも64%をしめるなど石炭火力発電が発電の柱となっている会社も多い。2005年以降で中国での自動車普及による需要急拡大などを背景として原油価格がバーレル50-100ドルに暴騰し、メタノールやCNGなどの石油代替自動車燃料が広がりつつあるが、メタノールの合成原料は石炭と天然ガスである（アルコール燃料参照）。

石炭の採掘

石炭は太古の植物の遺体が堆積したものであるため、地中には地層の形で存在する。石炭の鉱山を特に炭鉱と呼び、炭鉱が集中している地域を炭田と呼ぶ。
石炭の層（炭層という）が地表または地表に近いところに存在する場合、地面から直接ドラッグラインという巨大なパワーショベル等で掘り進む露天掘りが行われる。アメリカやオーストラリアの大規模な炭鉱で多く見られる。中国の撫順炭鉱は、700年ほど前から露天掘りがなされたと言われており、当時は陶器製造のための燃料として用いられたとされる。その後、清朝は「風水に害あり」との理由から採掘禁止としていたが、1901年、政府許可のもとで民族資本により採掘が始まり、その後ロシア資本が進出、さらに日露戦争後は東清鉄道及びその付属地は日本の手に渡ることとなり、1907年には南満州鉄道の管理下に移って、鞍山の鉄鋼業の発展に寄与した。
一方で地下深いところに石炭がある場合、日本の在来採炭法では炭層まで縦坑を掘り、その後炭層に沿って水平または斜め（斜坑）に掘り進む。石炭は層状に存在するので採掘は広い面積で行われるため、放置すれば採掘現場の天井が崩れ落ちる危険性が非常に高い。石炭を採掘する際には、天井が崩れないように支柱を組むなど様々な対処を行いながら掘り進む。従来採炭法では手持ち削岩機とダイナマイトの併用が多かったが、採掘も手間がかかり、崩した石炭をトロッコに積むのも手作業で、掘ったあとに支柱を組むので能率が悪かった。
オーストラリアやアメリカ合衆国などでは日本に比べ坑内掘りでも炭層が水平で厚く、厚さ数メートルにも及ぶ場合があり、ロングウォールという一種のシールドマシンによって機械採炭を行っている。これはコの字断面のシールドを横に長く並べ、コの字の内側を機織機のシャトルのようにドリルが往復して炭層を削り取ってゆくもので、ベルトコンベアで石炭は機械的にトロッコに積まれてゆく。省人員で生産能率が露天掘りに次いで高く、低コストである。ロングウォール炭鉱の場合、上層から採炭して採炭後の空間は支柱を立てずに崩す場合もある。（ただし、上層が高硫黄炭で下層が低硫黄炭で、保証スペックにあわせるため上層炭と下層炭ブレンドしたい場合なども多く、必ず支柱を省けるわけでもない）
最近は中国などでもロングウォールを取り入れている炭鉱もあるが、人件費が安いので依然従来採炭法の鉱山も多い。旧ソ連などでは石炭を地層内で不完全燃焼させガス化して取り出して採炭を簡略化するという、かなり乱暴な手法も研究されていたようである。
20世紀初頭、ウェールズには600以上もの炭鉱があり、約20万人が働いて経済を支えていた。

主な消費国

平成29年（2017年）の主要消費国上位5ヶ国は中国（48.2%）、インド（12.4%）、アメリカ（8.4%）、ロシア（3.0%）、ドイツ（2.9%）である。

日本の炭鉱

2007年度、年間60万トン体制での採炭を続けている。この炭鉱のある釧路炭田は、推定埋蔵量20億トンと大規模であり、炭層が厚く水平に広がり、機械化（SD採炭）採掘が容易であることから、採炭技術の継承と海外技術者の研修受入先としても活用されている。
日本の炭鉱はアメリカやオーストラリアの大規模炭鉱と比べて地層構成が複雑なため、石炭は地下の深部にあることが多い。そのため何キロメートルにも及ぶ坑道を掘り採掘していたが、労働条件は悪く、上記のようにメタンガスや粉塵による爆発事故・落盤などが多発し、多くの殉職者を出してきた。
明治維新以後 石炭は燃料や工業原料（特に製鉄業）として使用量が増大した。北海道・福島県・山口県・福岡県・佐賀県・長崎県が主産地で、最盛期にはこれらの地域を中心に全国に800以上の炭鉱が開かれ、第二次世界大戦中に年間産出量は6000万トンに達した。終戦後急激に減少し、その後産業の回復につれて産出量は再度増加した。
1950年以降ほぼ5000万トンを超えるレベルに回復したが、石油の大量輸入（エネルギー革命）、コスト面で外国産のものに太刀打ちできないなどの問題で1961年をピークに徐々に衰退し、2002年以降国内で操業している坑内掘り炭鉱は、北海道の釧路炭鉱の1箇所のみとなった。
しかし石炭価格の高騰に伴い、国産石炭もコスト競争力をもつようになってきたため、露天掘り炭鉱が次々と開発される。また福島第一原発事故後、国内の原子力発電所が順次運転を停止する中、電力会社は電力の安定供給のため、既存の石炭火力発電所をフル稼働させるようになったため、採掘事業者に対して増産を求める動きもある。
2015年度の石炭生産は坑内掘りと露天掘りを合わせて120万トン弱で、内訳は坑内掘り（釧路コールマイン）が約47万トン、露天掘り（7社）が約73万トンとなっている。