众所周知，煤是由植物变成的，但怎么证明煤是植物变成的呢？
地质学家在煤层的顶板、底板与煤层中找到了大量的植物化石，还发现了被压扁了的煤化树干，在其横断面上可以看到十分清晰的植物年轮。如果把煤做成薄片在显微镜下观察，还可以看到植物细胞组织的残留痕迹以及孢子、花粉、树脂、角质层等植物遗体。在我国东北著名的抚顺煤矿的煤层中发现有大量的琥珀，有的当中还包裹着完整的昆虫化石。这些琥珀就是由原来的树林分泌的树脂变成的。所有这些都有力地证明了煤是由植物遗体堆积转化而来的。因为煤是由植物演变而成，所以还应当进一步了解植物又是怎样形成与演化的，这对理解煤的生成过程会更深刻。
（一）植物的形成、发展与演化
植物的形成与演化在地球发展历史上经历了一个漫长的时期。地球的诞生距今已有 46 亿年了，经历了不同的发展阶段。46 亿年到 38 亿年期间是地球的天文演化阶段，是地球原始地壳的形成阶段，是特殊的地球早期史时期，从生物演化角度在地质历史上称作冥古宙，迄今了解程度最差，对地球的了解多数只是推测。38 亿到 25 亿年期间是具有明确地史纪录的初始阶段，地质历史上称作太古宙，地球上诞生了生命。关于生命的起源问题，目前仍然处于不断探讨和逐步深入阶段。基本有两种倾向性认识：一种认为是起源于地球自身的演化过程，由无机物 C、H、O、N、S 等元素逐步演化而成；另一种认为生命起源于其他星体，后来才被带到地球上来的。生命出现后，经历了漫长的演变进化，逐渐出现了动植物。在漫长的不同地质历史时期，曾出现过千姿百态的植物，有的已经绝灭了，成为地史上的过客，有的延续至今，一直为我们的地球披着浓重的绿装。古生物学家把植物的演化和发展划分成四个阶段。
1. 菌藻植物阶段
在西澳大利亚 34 亿～ 35 亿年的沉积岩中发现的丝状、链状细胞，可能代表了最早的菌、藻类生物体。25 亿至 5.7 亿年间，地史上称作元古代，经过漫长的生物进化过程，出现了大量的微古植物和叠采石，既有原核生物又有真核生物。在元古代的末期地史上称作震旦纪时期出现了动物，各种藻类进一步发展，有的地区由此而形成了最初的低级煤线层。到了大约 5.7 亿年至 5 亿年间，地史上称作寒武纪，藻类有了更大的发展，不仅在种类上繁多，有蓝藻、红藻和绿藻，而且在数量上更加繁荣，足可以形成一定规模的藻类煤层。
2. 蕨类植物阶段
藻类植物的演化进步，在地史大约4.4亿年的奥陶纪末期出现了蕨类植物；到了4亿～3.5亿年间的志留纪末泥盆纪初，蕨类植物得到了大发展，从海生转到陆生，裸蕨植物是世界上第一个登上陆地的植物群。自晚泥盆世至早二叠世，裸蕨植物的后代壮大发展，出现了石松植物、真蕨植物等，它们开始有明显的根、茎、叶的分化，输导系统进一步发展为管状中柱和网状中柱。有些植物（如种子蕨）具有大型叶，从而扩大了光合作用的面积。晚泥盆世地球上已出现大面积的植物群，乔木型植物比较普遍。石炭纪全球出现了不同的植物地理区，地层中还可发现苏铁、银杏、松柏等裸子植物化石。当时的各种植物在适宜的环境中大量繁殖堆积，形成煤层。中石炭世至早二叠世是全球最重要的成煤时期（图 5-1-1）。
3. 裸子植物阶段
晚二叠世至早白垩世，裸子植物获得空前发展。由于地壳运动加剧，古气候、古地理环境发生明显变化，蕨类植物和早期裸子植物衰减，新生的裸子植物逐渐繁荣起来。它们一般都具有大型羽状复叶，树干高大。在所发现的松柏类化石中，科达树高度可达 20 ～ 30 米，树顶浓密的枝叶组成茂盛、庞大的树冠。这一时期也成为地史上重要的聚煤阶段。
4. 被子植物阶段
在植物界的家族中，被子植物是出现较晚的成员。可靠的被子植物化石见于早白垩世的晚期，到晚白垩世被子植物化石已很普遍，说明它们对陆地环境有很强的适应能力。进一步进化发展，被子植物逐渐开始排挤裸子植物，进入第三纪就占有绝对统治地位了。被子植物已经具有完善的输导组织和支持组织，生理机能大大提高了。今天的被子植物分布极其广泛，无论是寒带还是热带，到处都可以找到被子植物的踪迹，被子植物约有 27 万多种，数量占整个植物界的一半还多。
植物的繁盛，为煤层的形成提供了物质条件，是先决因素。但有了植物不一定就能变成煤。煤的形成是有条件的，是许多地质因素综合作用的结果。既要有适宜的气候，大量植物繁殖的条件；又要有适宜的堆积场所，有很好的覆盖层把它盖起来，处在一个缺氧的还原环境下。所有这些条件缺一不可，而这些条件都是受到地壳运动控制的，大致可从成煤环境和成煤过程两方面来说明。
（二）成煤环境
成煤环境大致由沉积环境即煤盆地的形成与发展、气候、植物等条件构成。
1. 沉积环境即煤盆的形成与发展
群山环绕中间低洼的地貌被称为盆地。盆地是地壳运动的历史产物。地壳运动使地壳结构不断地变化和发展，引起各种各样的地质作用，形成各种各样的地壳变形，控制着地球表面海陆的分布。地壳的某些部分受到强烈的构造运动后形成大规模的褶皱中的沉降带，或者形成与一系列隆起带相间排列的沉降带，或者由断裂构造控制的断陷带，统称构造盆地。还有由侵蚀作用形成的侵蚀洼地，称作侵蚀盆地。构造盆地与侵蚀盆地都是地壳相对下陷的沉积盆地。我们把含有煤线或煤层的沉积盆地称为含煤盆地或成煤盆地。含煤盆地是沉积盆地的一种。在新疆，著名的盆地有塔里木盆地、准噶尔盆地、吐鲁番盆地、伊犁盆地等。由于构造运动的不同而致使盆地类型多种多样。构造盆地大致可分为波状凹陷盆地和断裂凹陷盆地。波状凹陷盆地主要是由震荡为主的运动所造成，其特点是沉降的差异性较小，凹陷盆地的基底连续性较好。断裂凹陷盆地主要是由以间歇沉降为主的运动所造成，沉降运动的差异性比较大，凹陷盆地的基底连续性较差。
波状凹陷盆地内形成的煤及其他沉积层（含煤建造）一般厚度都不大，但比较稳定，常常呈现着自凹陷边缘向中心逐渐增厚的趋势。含煤建造的岩性、岩相和煤层变化也比较少，在大范围内常有一定的变化规律。形成的煤层多以薄煤层和中煤层为主，有时也有厚煤层出现。
断裂凹陷盆地内形成的含煤建造一般岩性、岩相和煤层不稳定，厚度变化比较大，可达数百米至数千米，常形成厚煤层。变化大的原因与凹陷盆地基底的沉降差异有关。如果凹陷盆地的断裂构造比较简单，仅发育凹陷盆地的一侧或两侧，凹陷盆地的基底运动差异比较小，则含煤建造的厚度、岩性、岩相和含煤性变化也不大。如果凹陷盆地的断裂构造比较复杂，不仅发育于凹陷的一侧或两侧，而且在凹陷内部断裂构造的发育也极其复杂，常为一系列的地堑、地垒和各种断块所组成。当凹陷盆地的基底沉降时，由于各个断块沉降不均匀，因而凹陷盆地的基底沉降的差异就比较大，含煤建造的厚度、岩性、岩相和含煤性的变化也就比较大。常常在短距离内就迅速发生变化，煤层层数由几层到数十层，煤层厚度可由几米迅速变化到几十米甚至上百米。煤层的分叉和尖灭现象也很突出，对应煤层的可比性较差（图 5-1-3、图 5-1-4）。
在波状凹陷盆地与断裂凹陷盆地之间往往还存在着一系列的过渡类型，特别是在一些大型的聚煤凹陷盆地多兼有两者的特征。波状凹陷盆地和断裂凹陷盆地在空间的分布上常常结合在一起同时出现，在时间的演变上则相互转化。例如在新疆准噶尔盆地中生代聚煤盆地中，三叠纪和早、中侏罗世含煤建造沉积时，靠近南部天山的山前部分是一个断裂凹陷盆地。但是到了晚侏罗世和白垩纪的地层沉积时，南部的断裂凹陷盆地基本上停止了活动，使原来兼有断裂凹陷和波状凹陷的断裂凹陷盆地，发展成为一个统一的波状凹陷盆地。一般来讲，从盆地边缘到中心成煤的厚度由薄到厚逐渐增加，但由于地壳构造运动的复杂性、不均匀性、时差性，造成聚煤盆地类型的过渡性与多样性，聚煤盆地的中心就发生了迁移变化，形成多个不同的沉积中心，使沉积的煤层厚度也发生了复杂的变化。这种现象不仅在一些大的成煤盆地中有所表现，在一些较小的成煤盆地中也有所显示。比如在大的盆地的中心是一个沉积中心，但随着一侧沉降的较强烈，而另一侧沉降的较缓慢、微弱；或因一侧上升的缓慢、微弱，而另一侧上升的剧烈，沉积中心都向相对沉降较快的一侧迁移，而相对上升的部分较老的沉积物可能遭到剥蚀。还由于在某些盆地的原始基地即盆地的沉积底部初始地形就比较复杂，高低不平，在大盆地内常常形成一些互相隔离的多个小型盆地或谷地；如果又具备了成煤条件，会形成多个聚煤中心，使煤层厚度发生变化（图 5-1-5）。随着沉积的不断进行，致使各个小型盆地填平补齐，构成一个统一大的盆地，形成一个新的统一的沉积中心。由于后来地壳运动的加快，原来多个聚煤小盆地面积不断扩大，形成了更大的统一的聚煤盆地，这也可能形成其上部煤层统一下部分布不连续的多个聚煤中心。聚煤中心的迁移是个多见的现象。在新疆准南煤田，早侏罗纪的聚煤中心在阜康一带，而到了中侏罗纪聚煤中心则向西迁移到乌鲁木齐至玛纳斯一带。一般来说，聚煤中心与沉积中心是一致的，但是由于含煤建造形成时受地壳运动的影响具有分带性，沉积中心随时间的变化具有水平迁移现象。沉积中心的沉降速度大于植物堆积速度时，就会被泥砂所充填，使煤层在沉积中心位置分叉甚至尖灭。而沉积中心的边部沉降速度保持平衡的地方，就是煤层沉积最厚的地方，也就是聚煤中心形成的地方，这样聚煤中心就和沉积中心不一致。
由于成煤后构造运动的影响，使已经形成的含煤盆地发生褶皱、断裂、甚至隆起。褶皱构造常常表现为背斜和向斜，断裂则使煤层或地层发生错位及位移形成断层。因此形成煤的含煤盆地与现在我们看到的沉积盆地面貌不完全一样，有的甚至是翻天覆地的变化（图 5-1-6、图5-1-7、图 5-1-8、图 5-1-9、图 5-1-10、图 5-1-11、图 5-1-12）。
含煤盆地形成后一般又经历了复杂的变化。这是由于，在地质发展历史中，由于内力与外力的作用，组成地壳的岩层不断地进行着改造与建造。地壳构造运动使部分地壳上升，也使另外部分地壳下降。上升部分的地壳岩层不断遭受到风化剥蚀，被流水冲刷，被风吹蚀；下降部分的低洼盆地不断接收沉积。这种旧岩层的不断毁坏和新岩层的不断形成，可能在同一个盆地中反复进行，形成了具有成生联系的沉积岩系即沉积建造。当盆地具有适宜煤生成的气候、植物条件，就形成了含有煤层的具有成生联系的沉积岩系，称其为含煤建造，有人称为煤系地层。含煤建造有浅海相沉积，很少有深海相沉积；有山麓相、冲击相、湖泊相、沼泽相和泥炭沼泽相，很少有冰川、沙漠相沉积；有滨海三角洲相、 湖海湾相、砂咀、砂坝、砂洲相。所以含煤建造可分为近海型含煤建造和内陆型含煤建造。近海型建造可进一步分为浅海型、滨海平原型、狭长海湾型。内陆型含煤建造可细分为内陆冲积平原型、内陆盆地型、内陆山间盆地型。各种类型的含煤建造都有其自身的特点，组成含煤建造的岩相、岩性、含煤性都不一样。我国除一些早古生代生成的含煤建造为海相外，以后的地质时代绝大多数的含煤建造由陆相所组成，或是由陆相、过渡相和浅海相沉积所组成。因此含有陆相沉积，特别是含有沼泽相和泥炭沼泽相沉积，是我国主要含煤建造岩相组成的一个重要特点。新疆的含煤建造几乎没有浅海相沉积，过渡相沉积也很少见。
从各个含煤盆地的含煤建造的不同，也可以看出煤盆地的形成是复杂的。从含煤建造所反映出的古气候、古植物和古地理环境的不同，可以看出成煤的环境有浅海环境，有内陆湖泊及河流三角洲环境，有海湾、 湖、滨海三角洲等海陆二者的过渡环境；成煤盆地大至海盆，到海盆湖泊的过渡，到湖盆，小到山间洼地，大小悬殊，形态各异，多种多样，盆地环境千姿百态。
盆地为煤的生成提供了环境条件，也就是说煤的生成必须要有盆地的形成，但有了盆地不是都可以形成煤。当地壳强烈运动，快速上升部分就会形成高山峻岭，急剧下降部分就会形成汪洋大海、深水湖泊，都不利于煤的沉积形成。只有在地壳运动处于缓慢下降的小幅振荡过程中，在盆地泥炭沼泽接受植物遗体堆积的速度与盆地下降的速度基本平衡，堆积的植物遗体及时补偿、充填了地壳下降造成的空间，使盆地长期保持泥炭沼泽的条件，才利于煤的形成。这种基本平衡的条件持续的时间越长，堆积的泥煤层就越厚，就可以形成很厚的煤层，有的单层煤厚度可达几十米甚至上百米。如果地壳运动下降速度超过了泥炭堆积的速度，盆地的水就会加深，泥炭沼泽的环境就会转化为湖泊或海洋，不宜植物的生长，缺少成煤的物质条件，形不成煤，而形成泥沙、灰岩等沉积物的覆盖层。如果地壳运动上升的速度超过了泥炭沼泽的堆积速度，不仅不能继续进行泥炭的堆积，而且随着上升的进一步加剧，原已堆积的泥炭层发生剥失而形不成煤层。如果上升、相对稳定、下降交替出现，就能形成多层煤层，有的煤盆可形成几十层煤。因此，一个含煤盆地中的煤层的厚薄、煤层的多少与厚薄的变化，都与成煤时的地壳运动有密切的关系。
2. 气候植物环境
成煤环境必须是在盆地或浅海边缘、海湾、 湖、内陆湖泊及河流低洼泥炭的沼泽中（图5-1-13），既有原地生长的植物，又有从盆地外被流水搬运来的异地植物。在这样的环境中，气候要多雨湿润，适宜各类植物及其他生物的大量繁殖生长。成煤要经历上百万年千万年甚至亿年的过程，在地史上是个较短的阶段，但对于人类来讲是个非常漫长的过程。在这样长的时期，大面积茂密的植物只要生生不息，新陈代谢，一万年长盛不衰，一年堆积 0.1 毫米，10 万年就可堆积 100 米，再经历成煤成岩作用的压缩，形成数米几十米的煤层完全可能，何况成煤的过程往往经历上百万年。新疆大约在一亿九千五百万年前至一亿三千七百万年前的侏罗纪，结束了古海洋和海陆交互环境，形成内陆湖泊环境，尤其在新疆的北部和东部，内陆湖泊更为广泛，气候更加温暖湿润，植物生长茂盛，在河流和湖泊边缘地带，形成大面积的湿地，生长着茂密的植物，以银杏植物门、苏铁植物门和松柏植物门等裸子植物的发展达到了高峰，成为丰富的源源不断的成煤植物主体。当时真蕨植物也很繁盛，锥叶蕨迅速地发展起来，空前茂盛；恐龙等大型动物也很盛行。伴随缓慢下降且频繁振荡的地壳构造运动，在准噶尔盆地、吐鲁番盆地、哈密盆地和伊犁盆地等山间盆地，形成了大面积的沼泽和植物堆积。这些堆积的植物成煤后，在准噶尔盆地南缘形成的煤层有数十层，厚度可达一百多米，有的单层煤厚度就达六七十米。
（三）成煤过程
植物之所以能变成煤，要在特定的条件下经过一系列的演化过程。这个过程叫成煤过程，大体分为三个阶段。
1. 泥炭化作用阶段
在温暖潮湿的适宜气候条件下，在相对稳定的大面积的近海、滨湖、 湖、沼泽盆地环境中，植物不断地繁殖、生长、死亡，其遗体堆积在水中。生物（也有少量动物）遗体受到水体的浸没与空气隔绝，在缺氧的还原环境下，不会很快腐烂掉，因而日积月累，层层叠叠，厚度不断增加，不断地压实。压实的植物堆积层在微生物的作用下，植物遗体不断地分解、化合，就形成了泥炭层。植物形成泥炭的生物化学过程大体分为两个阶段，先是植物遗体中的有机化合物，经过氧化分解和水解作用，化为简单的化学性质活泼的化合物；之后是分解物进一步相互作用形成新的较稳定的有机化合物，如腐殖酸、沥青质等。植物的分解、合成作用是相伴而行，在植物分解作用进行不久，合成作用就开始了。植物的氧化分解和水解作用是在大气条件和微生物的作用下，在泥炭的表层进行的。在低位泥炭沼泽的表面含有大量的喜氧细菌、放线菌、霉菌，而厌氧菌很少，随着深度的增加，霉菌很快绝迹，喜氧细菌和放线菌减少，厌氧菌很快增加。在微生物的活动过程中，植物的有机组分被合成为新的化合物。当环境逐渐转为缺氧时，纤维素、果胶质又在厌氧细菌的作用下，产生发酵作用，形成甲烷、二氧化碳、氢气、丁酸、醋酸等产物。随着植物遗体的不断分解和堆积，在堆积的下层，氧化环境逐渐被还原环境所代替，分解作用逐渐减弱；与此同时，在厌氧菌的参与下，分解产物之间的合成作用和分解产物与植物残体之间的相互作用开始占主导地位，这种合成作用就形成了一系列新的产物。植物转化为泥炭后，主要成分是腐殖酸和沥青质，在化学成分上发生了变化。植物的角质层、孢粉壳、木栓层是稳定的，所以常常能完整地保存在煤层中。
2. 煤化作用阶段
由于地壳不断地运动，泥炭层形成后继续下沉，在盆地相对较高的地段风化剥蚀的泥沙被水和风带到盆地的低洼泥炭沼泽，将已堆积的泥炭层覆盖起来。覆盖的泥炭层随着进一步的下沉，覆盖层的进一步的加厚，环境就发生了显著的变化。首先，它要经受上覆岩层压力的不断增大；在压力不增大下不断地发出热量，使其温度不断地升高。在压力与温度的共同作用下，泥炭层开始脱水，进而固结压实。在生物化学作用下，氧含量进一步减少，而含碳量逐渐增加，腐殖酸降低，比重增加。经过这样一系列的复杂变化之后，泥炭就变成了褐煤。
3. 变质作用阶段
褐煤继续受到不断增高的温度和压力的影响，引起内部分子结构、物理性质和化学性质的不断变化，使其发生了变质而成为烟煤。温度、压力与时间是褐煤变质的三要素，其中以温度最为重要。地球有地温递增现象，即地球的温度由表及里，由上至下温度是逐渐递增的。地球向深部每增加 100 米温度增加 3 度。地温这种有规律的递增现象称作地温梯度。虽则是地球的普遍现象，但各地由于地壳结构的不同，地下岩浆分布的不同，梯度的幅度还是有区别的。当成煤区附近有岩浆体存在时，对煤的变质将产生显著的影响。
温度对煤的变质作用虽然占据了主导地位，但是如果温度不断升高，加之如果密闭条件不好，超过一定的限度就可能把煤烧掉。因此还一定要在密闭的条件下和适当的压力下，煤才能得到适度的变质。时间的长短与温度的高低也有关系，如果煤化作用处在 150℃～ 200℃较低温度，但持续的时间长，持续两千万年至一亿年，就足够形成高变质的烟煤和无烟煤。温度、压力和时间对煤的变质起着综合的作用。在温度和压力不变的情况下，时间越长煤的变质作用越强。但也有人认为，只有当温度超过 150℃时时间才起作用，否则时间再长也不会对煤的变质产生显著影响。压力对煤的变质作用也有两种不同的认识，一种认为压力增加后气体不易逸出，挥发分不能改变，从而阻碍了煤的变质程度的加深；另一种则认为无烟煤及石墨有定向的晶格，单纯的加热不会产生这种结果，而是压力促使煤的结构发生了变化。
（四）煤的区域变质、接触变质、动力变质作用
1. 区域变质作用
随着煤沉降深度的增加，含煤岩系被其他地层所覆盖，受地球内部热量和压力的长期影响所引起的变质作用称煤的区域变质。在区域变质作用的影响下，煤的变质常常呈现出一种有规律的变化。首先煤变质具有垂直分带的规律，在同一煤田内随着深度的增加，煤的挥发分逐渐减少，变质程度逐渐升高。这个规律是在 1873 年希尔特研究德国鲁尔煤田、英国威尔斯煤田和法国比来煤田时发现的，后来就称为“希尔特定律”。例如在鲁尔煤田，含煤地层厚 3000 余米，煤种自上而下为长焰煤、气煤、肥煤、焦煤、贫煤带，分带性很明显。我国的鸡西煤田煤种也有很好的分带性。由于目前确定煤质牌号的主要指标是煤中挥发分的百分含量，所以希尔顿定律可以用挥发分的变化来表示。每下降 100 米所引起的挥发分含量的变化称为“挥发分梯度”。挥发分梯度受地热梯度的控制，由于各地的地热梯度不一致，挥发分梯度也就因地而异。区域变质作用的另一个重要特点就是煤变质程度的水平分带规律。因为在一个煤田中，同一煤层原始沉积时的沉降幅度可以不同，而且成煤以后因构造变动而发生的下降深度也不一样，这种关系反映到平面上就表现为不同地段有不同的变质程度，即为煤变质的水平分带现象。由于沉降并不一定呈现为均匀的幅度，所以水平分带也可以宽窄不一。宽的地方代表沉降幅度变化较缓的地段，窄的地方代表沉降幅度变化较急的地方。
2. 接触变质作用
当岩浆侵入或靠近煤层及含煤建造时，由岩浆带来的高温、挥发性气体和压力，使煤的变质程度升高的作用称煤的接触变质作用。接触变质作用的一种是热力变质，是由侵入在煤系下部的岩浆体析出的热量对煤产生影响所引起的变质作用。变种变质作用是岩浆不直接接触煤层，由岩浆的热量引起含煤地层温度升高而使煤发生变质，往往影响的范围较大。具体影响范围因岩浆规模不同而影响范围不同，岩浆侵入的规模大影响的范围就大。接触变质作用另一种是由火成岩岩体直接侵入煤层中发生的变质作用。这种变质作用影响范围往往较小，岩浆接触煤层的地方常常形成天然焦，煤层的围岩亦具有某些变质现象。远离岩浆岩体，煤的变质程度则逐渐降低。煤的变质带常常围绕岩浆岩体呈环状分布，或者靠近岩浆岩体的一侧呈带状或环状分布。
3. 动力变质作用
由强烈的构造运动如挤压褶皱等产生的区域温度增高所引起的煤化过程，称煤的动力变质作用。动力变质作用常常发生在构造变动强烈的地区，如新疆的库拜煤田、准南煤田东段阜康大黄山一带、哈密野马泉一带、艾维尔煤田一带等，同属侏罗纪煤田，但变质程度比其他煤田高出许多。