高温高压实验是通过特定的设备，在高温高压条件下对物质的结构和性质进行观察和测定或者进行新物质的合成，在材料科学、化学、物理学和地球科学等很多领域都有广泛的应用。因此，本文首先阐述了高温高压实验研究的目的和意义，然后以某矿区中煤级煤高温高压变形实验为例，展开相关研究分析。

一、引言

地球内部不同深度（压力）、温度和化学环境（如流体、氧逸度）下物质成分、物理和化学性质及其变化过程是当前固体地球科学（尤其是地球物理学）研究的主要对象之一，它对于进一步揭示岩石层、地慢乃至地核的物质结构和动力学过程、成因和演化是至关重要的。高温高压实验研究作为实验地球物理学研究的主要组成部分，是探索深部地质和地球内部奥秘的一个重要手段。它的成果不仅是检验地球科学新理论、新观点、新概念的重要依据，而且是科学阐明地球物理探测信息的支柱。因此，近年来，高温高压实验学和岩石物理学研究备受人青睐，并将它列为地学中优先发展的分支学科。

二、高温高压技术

高温高压技术为科学家们提供了一种以可控和可逆的方式调整样品的体积以及样品的后续特性的方法。通过高温高压实验可以实现结构、相变以及有机物质的聚合等诸多现象。通过高温高压实验，人们可以发现某些物质在常压条件下无法表现的新现象，并揭示出新的性能和新的规律，甚至发现新物质，为研究高温高压下物质的性质提供了一种新方法。高温高压研究与地质学密切相关，地球地幔就是一个处于高温高压条件下的物质体系，研究地幔乃至地核物质的存在状态可以帮助我们去了解地球内部整个层圈的矿物组成元素的存在形式、迁移的规律，从而丰富人们对地球内部结构的理解、地球内部碳的存在以及地球深部碳循环的理解。

三、案例概述

本次通过煤的高温高压变形实验和应力-应变曲线特征，分析了温度、应变量和应变速率对煤构造变形的影响。

1.煤高温高压变形实验。高温高压实验在中国矿业大学资源与地球科学学院煤高温高压实验室完成，实验设备为TRTP2000。对采集的原生结构煤N30 样品，垂直其层面，均匀钻取高40mm 左右，直径25mm 的煤柱样6 件。根据煤层实际埋深、地温梯度情况等情况设置围压、温度、应变速率等实验条件，淮北宿县矿区宿南向斜地温梯度分布范围为1.80～3.30℃/hm，平均地温梯度约2.60℃/hm，宿南向斜核部煤层埋深近2000m，并考虑到构造作用的热效应。同时较高的温度和压力条件，一定程度上弥补了应变速率的限制。在煤变形实验之前对煤样进行预加载，达到设定的温度和围压，其中等速率加载轴压和围压，大小始终相等。之后按照设定应变速率进行变形实验，达到设定应变量时停止实验，然后进行卸压操作。

2.实验样品应力-应变特征。根据高温高压实验所得应力-应变数据，进行多项式拟合得到实验变形样品的应力-应变曲线。温度是影响煤变形和强度的重要因素之一。实验变形样品s-5 的应力-应变曲线在应变约9%之前呈近线性变化，此时煤样主要产生弹性变形；在应变9%之后，应力-应变曲线有一轻微的拐点，差异应力减小，应变增加，塑性增强。样品s-1 的应力-应变曲线位于样品s-5 上侧，产生相同的应变量，所需差异应力增加，说明温度从100℃上升到200℃时，煤样强度发生显著下降，塑性蠕变增强，此时煤样的变形更容易发生。

图1 实验变形煤样应力－应变曲线

从实验变形样品s-1～s-4 的应力-应变曲线可知，在低应变约5%之前，所有样品的应力-应变曲线近线性变化，呈陡倾状，以弹性变形为主；在应变达到5%后，各煤样强度演化趋势发生分异，样品s-2曲线斜率略微变小；样品s-4 在应变9%时，出现明显的拐点，差异应力迅速减小，应变仍然增加，反映了样品s-4 破碎导致强度显著下降。应变速率减小的样品s-1和s-3 的应力-应变曲线在应变9%时出现轻微的拐点，反映了煤的力学行为由脆性向塑性的转变。样品s-1 和s-3 的应力-应变曲线位于样品s-2 和s-4 的应力-应变曲线的下方，在相同的温度，围压条件下，应变速率越低，使煤样发生相同应变所需的差异应力越小，显示了随着应变速率的降低煤的强度减小。

由样品s-6 和样品s-1 的应力-应变曲线对比可知，应变量增大为20%时，样品s-6 的应力- 应变曲线表现的更加稳定，呈近线性变化，即应变与差异应力成正比关系，但由于实验温度较低（100℃），即使应变达到20%，煤的塑性变形依然不显著。