從植物遺體的堆積到形成煤層的轉化過程稱為成煤作用。這是一個漫長而復雜的變化過程，通常分為兩個階段。
（1）泥炭化和腐泥化作用階段 高等植物的遺體暴露在空氣中，或堆積在沼澤淺部的多氧條件下，由于大氣、氧和喜氧細菌的作用，會遭受一定的氧化和分解。但隨著植物遺體的不斷堆積和埋藏深度的增加，則逐漸與空氣隔絕，氧化環境轉變為還原環境。在厭氧細菌的作用下，使氧化分解產物之間及分解產物與植物殘體之間發生復雜的生物化學變化，形成多水和富含腐植酸的腐植質，這就是泥炭。從植物堆積到形成泥炭的作用，叫泥炭化作用。低等植物藻類和浮游生物死亡后沉到水底，在與空氣隔絕的還原環境中，在厭氧細菌的作用下，富含脂肪和蛋白質的生物遺體分解，最后轉變為含水很多的絮狀膠體物質——腐植膠。腐植膠再經脫水、壓實即形成富含瀝青質的腐泥。從低等植物及其他生物遺體沉積到形成腐泥的作用，稱為腐泥化作用。
（2）煤化作用階段 在泥炭和腐泥形成后，隨著地殼不斷下降，在溫度升高、壓力增大的影響下，逐漸轉入成煤的第二個階段，它包括成巖作用和變質作用兩個亞階段。
成巖作用階段 當泥炭或腐泥被泥砂等沉積物覆蓋后，在上覆沉積物的靜壓力作用下，泥炭、腐泥逐漸失水、壓實、固結，揮發分相對減少，含炭量相對增高，泥炭和腐泥分別逐漸轉變成褐煤和腐泥褐煤。這一作用過程，稱為煤的成巖階段。
變質作用階段 當褐煤層沉降到更深處時，受到繼續升高的溫度和不斷增大的壓力的作用，褐煤的內部分子結構、物理性質和化學性質發生變化，如顏色加深、光澤增強、揮發分減少、含炭量增高等，結果褐煤就逐漸轉變為煙煤、無煙煤。這一變化過程就是煤的變質作用階段。
煤炭的形成具有一定的時限性，并不是地質歷史的任何時期都有煤炭形成。地球上的煤田雖然分布普遍、儲量豐富，但絕大部分只形成于幾個地質年代中，其中古生代的石炭紀、二疊紀，中生代的侏羅紀，以及新生代的第三紀，是地史上最主要的聚煤期。
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