การกำเนิดถ่านหิน

ในธรรมชาติซากพืชที่ทับถมกันจำนวนมากหรือน้อยก็ตาม จะถูกย่อยสลายโดยปฏิกิริยาเคมี แต่บางครั้งเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงตามธรรมชาติทำให้กระบวนการย่อยสลายหยุดชะงักลง ซากพืชทับถมกันมากขึ้นและเมื่อใดที่มีการทรุดตัวของแผ่นดินหรือ ระดับน้ำในบริเวณนั้นๆ สูงขึ้น ทำให้ซากพืชจมลงใต้ระดับน้ำ แล้วถูกปิดทับโดยตะกอนหินดินทรายที่ถูกพัดพามากับน้ำ และเมื่อตะกอนที่ปิดทับมีปริมาณมากขึ้นเรื่อยๆ ซากพืชเหล่านั้นจะถูกบีบอัดโดยน้ำหนักของตะกอนที่ปิดทับอยู่ ได้รับอิทธิพลของความร้อนที่เพิ่มขึ้น ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมี จนซากพืชเหล่านั้นกลายเป็นถ่านหินในที่สุด

  ทฤษฎีเกี่ยวกับการสะสมตัวของซากพืช

  1. ทฤษฎีที่กล่าวว่า การสะสมตัวของซากพืชว่าเกิดขึ้นอยู่กับที่ไม่ได้พัดพามาจากที่อื่น คือเมื่อพืชพันธุ์ที่เกิดการร่วงโรยตายลงก็จะทับถมอยู่ในบริเวณที่เกิดนั่นเอง
  2. ทฤษฎีที่กล่าวว่า การสะสมตัวของซากพืชจะถูกน้ำพัดพาไปเช่นเดียวกับตะกอนอื่นๆ และเมื่อถูกพัดพามาอยู่ในบริเวณที่เหมาะสมก็จะตกตะกอนสะสมทับถมกันภายหลัง

 

ในปัจจุบันทั้งสองทฤษฎีเป็นที่ยอมรับกันทั่วไป และมีผู้ประยุกต์ทั้งสองทฤษฎีใช้ด้วยกัน คือมีการสะสมตัวทั้งสองแบบในเวลาเดียวกัน

  ลำดับการเกิดถ่านหิน

ตามทฤษฎีที่กล่าวว่า การสะสมตัวของซากพืชว่าเกิดขึ้นอยู่กับที่ไม่ได้พัดพามาจากที่อื่น

ลำดับที่ 1 ถ่านหินจะเกิดบริเวณที่เป็นหนอง บึง แอ่งน้ำ หรือที่ชื้นแฉะ ริมแม่น้ำ ริมทะเล มีระดับต่ำกว่าบริเวณรอบข้าง ซึ่งเกิดขึ้นโดยการยุบตัวลง หรือบริเวณรอบๆ ยกตัวสูงขึ้น เนื่องจากผิวโลก ส่วนต่างๆ ปรับตัวเพื่อให้เข้าสู่สภาวะสมดุล

ลำดับที่ 2 บริเวณนี้มีสภาพแวดล้อมที่อำนวยให้พืชเกิดขึ้นและอาศัยอยู่อย่างหนาแน่น มีวงจรชีวิตหลายครั้ง มีทั้งเกิดขึ้นล้มตายลง เกิดขึ้นอีกแล้วตายติดต่อกันหรือเป็นช่วงๆ ซากต่างๆ จะสะสมทับถมกันเป็นจำนวนมาก

ลำดับที่ 3 ต่อมาบริเวณนี้มีการผุพังเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของผิวโลก ทำให้มีตะกอนดินมาทับถมซากพืชและซากสิ่งมีชีวิตอื่น รวมทั้งมีการเปลี่ยนแปลงสภาพสิ่งแวดล้อม เช่นภาวะแห้งแล้ง น้ำท่วม การผุพังทำลาย การเคลื่อนไหวของผิวโลกการแตกแยกของแผ่นดิน ฯลฯ จะทำให้ซากต่างๆ ที่สะสมอยู่ได้รับแรงกดดัน และได้รับความร้อนจากภายในโลก ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมีและฟิสิกส์ในบริเวณดังกล่าวซากเหล่านี้จึงแปรสภาพไปเป็นถ่านพีต

ลำดับที่ 4 อิทธิพลจากทั้งแรงกดดันและความร้อนภายในโลกเป็นเวลานาน ทำให้ถ่านพีตถูกอัดตัวกลายเป็นถ่านหิน ซึ่งมีคุณลักษณะแตกต่างในแต่ละแห่ง ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับลักษณะและชนิดของพืชพันธุ์ไม้ การเปลี่ยนแปลงทางกายภาพของเนื้อไม้รวมทั้งการทับถมในระยะแรกเริ่ม ไปจนถึงการแปรเปลี่ยนจากอิทธิพลในอดีต จนกระทั่งมาเป็นเนื้อถ่านหินในระยะต่อมา

ลำดับที่ 5 ต่อมามีชั้นดิน หินมาทับถมคลุมชั้นถ่านหินจนอยู่ในสภาพปัจจุบัน นอกจากในบางชั้นถ่านหินเอียงตัวทะลุ ขึ้นมาใกล้ผิวดิน หรือเกิดจากการยุบตัว น้อยกว่าก็จะโผล่ให้เห็น เนื่องจากการกัดกร่อนตามธรรมชาติในภายหลัง กระบวนการทั้งหมดดังกล่าว หากเกิดขึ้นหลายครั้งจะทำให้มีถ่านหินหลายชั้นบริเวณเดียวกัน

สภาพภูมิประเทศที่เหมาะสมต่อการสะสมตัวของพีต ซึ่งจะพัฒนาเป็นถ่านหินต่อไป คือ

  • ต้องมีการเพิ่มระดับน้ำใต้ดินแบบต่อเนื่องอย่างช้าๆ เพื่อที่จะทำให้เกิดการสะสมตัวของชั้นพีตอย่างต่อเนื่อง
  • น้ำในแอ่งสะสมพีตต้องไม่มากเกินไป
  • พื้นที่ข้างเคียงโดยรอบแอ่งจะต้องไม่ลาดชันหรือมีระดับสูงกว่าตัวแอ่งมากนัก เพื่อให้ตะกอนดินหินถูกพัดพาเข้าสู่ตัวแอ่งมีปริมาณที่เหมาะสม

    ถ้าแอ่งมีการจมตัวเร็วเกินไป แอ่งสะสมพีตจะจมอยู่ใต้น้ำ ทำให้เกิดการสะสมตัวของตะกอนดินหินทราย แทนที่การสะสมของพีต แต่ถ้าการจมตัวลงช้าเกินไป ซากพืชที่สะสมเป็นชั้นพีตจะเน่าเปื่อยผุพังเสียก่อนที่จะสะสมเป็นชั้นพีต ดังนั้นในส่วนของโครงสร้างแอ่ง ปัจจุบันได้มีการนำทฤษฎีมาใช้ในการอธิบายถึงกำเนิดโครงสร้างที่เหมาะสมต่อการเกิดแอ่งสะสมตัวของถ่านหินว่า แอ่งที่เหมาะสมต้องมีการจมตัวลงอยู่เรื่อยๆ ขึ้นอยู่กับอัตราการทรุดตัวมากหรือน้อย ถ่านหินที่เกิดการสะสมตัวบนบก มักสะสมตัวบริเวณที่เป็นกราเบน และหรือกึ่งกราเบน ซึ่งมักเป็นแอ่งระหว่างภูเขา แหล่งถ่านหินในประเทศไทยส่วนใหญ่มีลักษณะการเกิดเช่นนี้

  กระบวนการเกิดถ่านหิน

การที่ซากพืชที่สะสมตัวในแอ่ง จะกลายเป็นพีตและถ่านหิน ต้องเกี่ยวข้องกับ 2 กระบวนการคือ

  1. กระบวนการแปรเปลี่ยนทางชีวภาพ (Biochemical reaction) หรือ การก่อตัวใหม่ (Diagenesis)

    เป็นกระบวนการที่ทำให้ซากพืชที่ตกตะกอนสะสมกันกลายเป็นพีต ซึ่งจะมีจุลินทรีย์และปฏิกิริยาทางเคมีเกี่ยวข้อง ทำให้ซากพืชสลายกลายเป็นสารเนื้อเดียวกันซึ่งอยู่ในรูปของ C และ H เป็นส่วนใหญ่

    สิ่งที่สำคัญที่สุดในกระบวนการนี้คือ สภาพแวดล้อมของแอ่งสะสมตะกอน ถ้าซากพืชจมอยู่ใต้น้ำลึกเกินไป พวกจุลินทรีย์ก็ไม่สามารถทำการย่อยสลายได้ หรือถ้าตื้นเกินไปออกซิเจนในอากาศจะทำให้ซากพืชเน่าเปื่อย

  2. กระบวนการแปรเปลี่ยนเนื่องจากความร้อน (Thermal alteration) หรือ metamorphism

    เมื่อกระบวนการก่อตัวใหม่สื้นสุดลง หากชั้นพีตถูกยกตัวขึ้นมาก็จะผุพังถูกทำลาย แต่ถ้ามีการสะสมตัวภายในแอ่งอย่างต่อเนื่องอยู่ ชั้นพีตจะถูกปิดทับโดยตะกอนอื่นๆ และจมลึกลงไปเรื่อยๆ เมื่อถึงขั้นตอนนี้ความร้อนที่เพิ่มขึ้นจะเป็นตัวหยุดปฏิกิริยา Diagenesis และเกิด Metamorphism แทน ทำให้พีตมีการเปลี่ยนแปลงกลายเป็นถ่านหินแทน เรียกว่ากระบวนการแปรสภาพเป็นถ่านหิน (Coalification)

    อุณหภูมิจะเป็นตัวสำคัญในกระบวนการนี้ และ Geothermal gradient จะเพิ่มขึ้น 10-30 oC ต่อความลึก 1,000 เมตร และความร้อนที่เกิดจากแมกมาจะเป็นต้นกำเนิดความร้อนเร่งให้มีการแปรสภาพเป็นถ่านหินได้อย่างรวดเร็วยิ่งขึ้น

  ประเภทของถ่านหิน

การแยกประเภทตามลำดับชั้น แยกได้เป็น 5 ประเภท คือ

  • พีต (Peat) เป็นขั้นแรกในกระบวนการเกิดถ่านหิน ในระดับต่ำสุด ประกอบด้วยซากพืชซึ่งบางส่วนได้สลายตัวไปแล้วสามารถใช้เป็นเชื้อเพลิง
  • ลิกไนต์ (Lignite) มีซากพืชหลงเหลืออยู่เล็กน้อย มีความชื้นมาก เป็นถ่านหินที่ใช้เป็นเชื้อเพลิง
  • ซับบิทูมินัส (Subbituminous) มีสีดำ เป็นเชื้อเพลิงที่มีคุณภาพเหมาะสมในการผลิตกระแสไฟฟ้า
  • บิทูมินัส (Bituminous) เป็นถ่านหินเนื้อแน่น แข็งและมักจะประกอบด้วยชั้นถ่านหินสีดำสนิท เป็นมันวาว ใช้เป็นถ่านหินเพื่อการถลุงโลหะได้
  • แอนทราไซต์ (Anthracite) ถ่านหินที่มีลักษณะดำเป็นเงามันวาวมาก มีรอยแตกเว้าแบบก้นหอย ติดไฟยาก

การผลิตถ่านหิน

การผลิตถ่านหินหรือการนำถ่านหินที่สำรวจพบขึ้นมาใช้ประโยชน์ ก็คือ การทำเหมืองนั่นเอง การทำเหมืองถ่านหิน โดยทั่วไปจะมี 2 ประเภท คือ

  การทำเหมืองเปิด (Open Pit Mine)

เป็นการทำเหมืองโดยการเปิดหน้าดินที่ปิดทับชั้นถ่านหินอยู่ออกไป แล้วตักถ่านหินขึ้นมาใช้ประโยชน์ ซึ่งเป็นวิธีการที่ง่ายที่สุดและต้นทุนต่ำที่สุดขอการทำเมืองแร่ มักใช้กับแหล่งถ่านหินตื้นๆหรือลึกไม่มากนัก ความลึกของบ่อเหมืองขึ้นอยู่กับขนาดของพื้นที่และความคุ้มค่าต่อการลงทุน เหมืองประเภทนี้มีตั้งแต่ระดับผิวดินจนถึงระดับลึก 500 เมตรจากผิวดินเป็นต้น

  การทำเหมืองใต้ดิน (Underground Coal Mine)

ในบริเวณที่ชั้นถ่านหินอยู่ในระดับลึกมาก ไม่สามารถทำเป็นเหมืองเปิดได้ อาจต้องทำเป็นเหมืองใต้ดิน โดยการขุดอุโมงค์ลงไปใต้ดินเพื่อใช้เครื่องมือชนิดพิเศษขุดตักและลำเลียงถ่านหินขึ้นมาโดยสายพาน การทำเหมืองถ่านหินใต้ดินเป็นการทำเหมืองที่ต้องลงทุนสูงและต้องมีการวางแผนการทำเหมืองอย่างรัดกุมที่สุดเพื่อป้องกันอันตรายจากการระเบิดในเหมืองเนื่องจากการสะสมตัวของก๊าซในชั้นถ่านหินเองและการถล่มของชั้นหินเป็นต้น จึงต้องมีการศึกษาธรณีวิทยาและธรณีวิศวกรรมของพื้นที่นั้นๆอย่างละเอียด

นอกจากการทำเหมืองถ่านหินแล้ว ในปัจจุบันได้มีการศึกษาวิจัยในด้านต่างๆมากมายเพื่อลดผลกระทบจากการพัฒนาใช้ประโยชน์ถ่านหิน เช่นการแปรสภาพถ่านหินเป็นก๊าซ (Coal Gasification) การทำถ่านหินผงผสมน้ำ (Coal Liquid Mixture) เพื่อลดมลภาวะและเพิ่มความสะดวกต่อการขนส่ง และการนำก๊าซมีเทนที่มีอยู่ในชั้นถ่านหินมาใช้เป็นเชื้อเพลิง เป็นต้น

การใช้ประโยชน์ถ่านหิน

การใช้ประโยชน์ถ่านหินค่อนข้างแพร่หลายตั้งแต่อดีตหลายร้อยปีจนปัจจุบัน เนื่องจากมีแหล่งกระจายอยู่ทั่วโลกและมีปริมาณค่อนข้างมาก การขุดค้นผลิตขึ้นมาใช้ประโยชน์ไม่ยุ่งยากซับซ้อนนัก และนำมาเผาให้พลังงานที่มีราคาไม่แพง ถ่านหินจึงถูกนำมาใช้ประโยชน์เพื่อเป็นเชื้อเพลิงเป็นส่วนใหญ่ เช่นเป็นเชื้อเพลิงเพื่อการผลิตกระแสไฟฟ้า การถลุงโลหะ การผลิตปูนซีเมนต์ บ่มใบยาสูบ อุตสาหกรรมผลิตอาหาร และอุตสาหกรรมต่างๆ ที่ใช้หม้อน้ำร้อนในกระบวนการ นอกจากประโยชน์ด้านเชื้อเพลิงแล้ว ยังสามารถใช้ประโยชน์ถ่านหินในด้านอื่นๆได้อีกมาก เช่นการทำถ่านสังเคราะห์(Activated Carbon) ซึ่งเป็นสารดูดกลิ่นใช้ในเครื่องกรองน้ำและเครื่องใช้ต่างๆที่ต้องการประโยชน์ด้านการดูดซับกลิ่น การทำคาร์บอนด์ไฟเบอร์ ( Carbon Fiber) ซึ่งเป็นวัสดุที่มีความแข็งแกร่ง แต่มีน้ำหนักเบา เช่นการทำเครื่องร่อนการทำอุปกรณ์กีฬา เช่นด้ามไม้กอล์ฟ ไม้แบดมินตัน ไม้เทนนิส เป็นต้น

การใช้ถ่านหินเป็นเชื้อเพลิง นอกจากการเผาไหม้โดยตรงแล้ว ยังสามารถแปรสภาพถ่านหินเป็นเชื้อเพลิงเหลว( Coal liquefaction) หรือ เป็นแปรสภาพก๊าซ (Coal Gasification) ซึ่งเป็นการใช้ถ่านหินแบบเชื้อเพลิงเชื้อเพลิงสะอาดเพื่อช่วยลดมลภาวะจากการใช้ถ่านหินเป็นเชื้อเพลิงได้อีกทางหนึ่ง ภายใต้กระบวนการแปรสภาพถ่านหินจะสามารถแยกเอาก๊าซที่มีฤทธิ์เป็นกรดหรือเป็นพิษและสารพลอยได้ต่างๆที่มีอยู่ในถ่านหินนำไปใช้ประโยชน์อื่นได้อีก เช่น กำมะถันใช้ทำกรดกำมะถันและแร่ยิปซั่ม แอมโมเนียใช้ทำปุ๋ยเพื่อเกษตรกรรม เถ้าถ่านหินใช้ทำวัสดุก่อสร้าง เป็นต้น